专利名称：水轮发电机组主动稳定控制方法
技术领域：
本发明涉及一种水轮发电机组主动稳定控制方法，具体涉及对水轮机调速器和发电机励磁控制器进行控制的方法，属于水轮发电机组控制技术领域。
背景技术：
大型水轮发电机组远距离联网存在的弱阻尼问题是影响电网稳定的重要因素。尽管PSS和电网侧FACTS设备的研究和应用为解决这一问题提供了有效的途径。但是由于电网侧的复杂性，无论在理论分析和实际应用中都存在一些困难。作为电源点的机组的稳定性在电力系统振荡中的作用至关重要，机组受扰后的振荡要尽快平息，以保证机组不会成为振源。因此，在机组侧采取有效措施，以改善弱阻尼电力系统的稳定性，一直是研究的热点问题。
按传统控制思维，当电力系统发生扰动或振荡时，力图通过对机组的快速控制与调节来适应电网的变化。因此，在机组侧改善系统弱阻尼下的稳定性最常用的是电力系统稳定器(PSS)，而且已形成相应的参考结构。由于调速器响应和调节时间大于低频振荡周期，一般认为调速器仅仅在频率小于0.2Hz以下的低频振荡中可能发挥作用。尽管利用调速器改善电力系统稳定性的问题存在这种分歧，这方面的研究和努力一直没有停止过。如早期出现过类似于PSS的调速侧附加控制，采用调速和励磁的联合设计或协调设计，以及采用一些新的调速器控制算法来改善电力系统稳定等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水轮发电机组主动稳定控制方法，即基于广义哈密顿理论，采取在机组侧主动稳定的控制方法，来改善水轮发电机组远距离联网存在的弱阻尼问题，以提高电力系统的稳定性。
本发明提出的机组侧主动稳定控制的核心是在机组控制器设计中，尽量减小机组与电力系统之间的扰动关联度，使得机组不响应或少响应来自电网的扰动，即以机组本身运行的稳定性来改善电力系统的稳定性。实现这一控制的思路是利用水轮发电机组哈密顿模型，求出水轮发电机组在给定输出下的镇定控制值，确定镇定控制值的限制条件，以设计镇定控制策略，最终得到实用的镇定控制器构成方案。
本发明所采用的技术方案是一种水轮发电机组主动稳定控制方法，包括利用水轮发电机组哈密顿模型，计算水轮发电机组在给定输出下的镇定控制值，其特征在于有以下步骤 A、计算给定输出下的镇定控制值 给定期望的系统输出pe*，Qe*，利用下述方程组求解镇定控制值v* 其中pe*，Qe*分别为给定的输出有功功率和无功功率； B、确定镇定控制值的限制条件 机组在并网运行时的限制条件为 实际选择时，按机组并网运行并且所带负荷大于10％额定负荷，即可满足这一镇定条件； C、镇定控制算法 调速器输出控制为 励磁控制输出为 D、实际控制器构造方案 镇定控制策略与传统调速和励磁PID控制策略结合，构成变结构控制策略；在机组并网带10％额定负荷之后切换为镇定控制，其它工况即机组起、停、空载，采用传统时PID控制。
所述水轮发电机组哈密顿模型为 系统的哈密顿函数为 其中x＝[x1 x2 x3 x4 x5]T＝[q y δ ω Eq′]T； 式中，q为水轮机流量(pu)；qn1为空载流量(pu)；y为导叶开度(pu)；y0为导叶开度初值(pu)；Tw为水流惯性时间常数(秒)；fp为水头损失系数；Ty为主接力器时间常数(秒)；At为水轮机增益；up为调速器控制回路输出信号；δ为机组功角(rad)；ω为机组角速度(pu)；Eq′为q轴瞬变电动势(pu)；Tj为机组惯性时间常数(秒)；ωB＝314(rad/s)；Us为无穷大系统电压(pu)；D为机组等效阻尼系数；Xd∑＝Xd+XT+XL；Xd为发电机d轴电抗；XT为变压器等效电抗；XL为线路等效电抗；Xq∑＝Xq+XT+XL；Xq为发电机q轴电抗；Xd∑′＝Xd′+XT+XL；Xd′为发电机d轴次暂态电抗；Xf为励磁绕组电抗；Xad为d轴电枢反应电抗，各电抗均为标么值(pu)；Td0′为d轴开路暂态时间常数(秒)；Ef为励磁控制输出。
所述A步骤的计算给定输出下的镇定控制值，是给定期望的系统输出pe*，Qe*，利用下述方程组求解镇定控制值v* 其中pe*，Qe*分别为给定的输出有功功率和无功功率； 所述B步骤的确定镇定控制值的限制条件，是利用基于Lyapunov函数方法来获得镇定控制值的限制条件 直接计算知[J(x)-R(x)]可逆，则定义下面的函数 其中As1＝r2+CT2， 为了简化问题，用给定平衡点参数，使得K(x)中r(x)和CT(x)变成常量，相应参数加下标“*”表示，因此，选择如下形式的函数 则式(1)化为 哈密顿函数修正为 其中ξ1＝C1(x)，ξ2＝C2(x)，c，c′，c″是由初始条件决定的常数； 由于x*是式(1)在控制v*和给定输出下的平衡点，所以x*也是(7)式的平衡点，即 闭环系统的海森矩阵选择为 直接计算各阶顺序主子式，当满足下列条件时，海森矩阵各阶主子式大于零为正定矩阵 其中 海森矩阵在平衡点为正定矩阵，则Hα(x)是x*的极小点，Hα(x)是一个真正的Lyapunov函数，并且系统能够被控制v*镇定，使输出稳定于给定的平衡点； 式(11)为镇定控制的限制条件，对于实际运行机组，自然满足S1＞0，S2＞0，因此，实际限制条件为 机组并网运行并且所带负荷大于10％额定负荷，即可满足这一镇定条件。
所述步骤C的镇定控制值算法是由于镇定控制值是以平衡点为目标的常值控制，它包括水轮机控制和励磁控制器输出两路信号；其中水轮机控制部分采用反馈耗散实现方法，其耗散模型的控制信号up与原来水轮机输入信号u存在以下关系 其中 在平衡点x*，f1＝0，有 当机组给定有功(或无功)发生变化，即给定平衡点改变时，控制器进行计算得出以新平衡点为目标的常值控制v*，以阶跃形式输出。从旧平衡点到新平衡点的这种阶跃控制信号，会造成超调量过大。为此，采用简单的指数输出方式改善参数响应特性。
以下标“0”、“1”表示初始工况和新平衡点的参数，则水轮机输入控制为 励磁输出为 其中Ttout、TEfout分别表示水轮机部分输入和励磁输出阶跃信号的衰减时间常数，根据实际机组速动性和过渡过程品质要求确定；由于控制器计算模型和对象实际模型存在差异，其输出目标值会出现偏差，因此将该偏差作为反馈信号，构成闭环控制系统。则控制律可描述如下 调速器输出控制为 励磁控制输出为 其中kt为水轮机输出的补偿因子，kc是励磁控制的补偿因子；补偿因子是线性补偿，或者采用PI补充。
所述步骤D的实际控制器构造方案是根据海森矩阵镇定条件，只有当机组并网带负荷＞10％额定负荷时，才能满足海森矩阵镇定条件；由于镇定控制器的这种限制，不能处理机组启动、停机以及空载运行工况；因此，需要与传统调速和励磁PID控制策略结合，构成变结构控制策略；在机组并网带10％额定负荷之后切换为镇定控制，其它工况如机组起、停、空载等工况采用传统PID控制策略。
所述水轮发电机组哈密顿模型是以单机单管刚性水击下非线性水轮发电机模型为基础，，采用哈密顿正交分解和耗散实现理论导出，发电机采用单机无穷大系统三阶哈密顿模型，连接后的非线性水轮发电机。
本发明具有下列优点和效果 1、控制思想与传统方式不同，以机组的主动稳定来改善电力系统稳定性。避开了电力系统复杂性对机组控制器设计的影响，简化了设计过程。
2、镇定控制方式以给定输出目标值为控制依据，减小了机组与电力系统之间的耦合作用。
3、以输出偏差为反馈补偿，解决了镇定控制器模型误差造成的输出偏差问题。
4、镇定控制器能在较低的阻尼下保持机组的运行稳定性。
图1为水轮发电机组镇定控制器； 图2为D＝2的有功调节下主要参数响应； 图3为无功调节时，机组无功的响应；
具体实施例方式 下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例 本实施例是对某水电站水轮发电机组镇定控制的仿真实例。
电站机组特征参数At＝1.127；Tw＝2.242s；Ty＝0.5s；Tj＝8.999s；Td0′＝5.4s；Xd＝1.07；Xd′＝0.34；Xq＝0.66；Xf＝1.29；Xad＝0.97；将这些参数设置到控制器中作为控制器基本计算参数。
选择一种典型的机组控制结构进行仿真对比，调速器部分采用典型并联PID控制，Kp＝5.0；KI＝3.5；KD＝1.5；励磁系统采用PI，Kpe＝1.0；KIe＝1.5。调速器工作于功率调节模式，励磁调节器工作于恒无功方式。采用仿真方法，确定控制器参数Ttout＝0.4s；TEfout＝0.2s；kc＝0.1，kt＝0.1。
(1)有功调节例子 机组进行有功调节，有功从0.5(pu)增加到0.9(pu)，取等效阻尼系数为D＝2。
初始平衡点为x0＝
。
初始值 采用以下步骤实现 A、计算给定输出下的镇定控制值 给定期望的系统输出pe*＝0.9，Qe*＝0.3，利用下述方程组求解镇定控制值v* 解出新平衡点为x*＝
。
镇定控制值为 B、确定镇定控制值的限制条件 流量x1＝0.9398，qn1＝0.1265，满足镇定限制条件式(11)； 或者机组有功pm1＝pe*＝0.9(pu)，即90％额定负荷，满足镇定控制限制条件。
C、镇定控制算法 采用公式(14)计算调速器控制u0＝0，u1＝0.3725； 采用公式(17)计算调速器输出控制为 u＝0.3725(1-e-0.4t)+0.1(0.9-pe)(19) 采用公式(18)计算励磁控制输出为 Ef＝1.5803+0.3101(1-e-0.2t)+0.1(0.3-Qe)(20) D、实际控制器构造方案 此时，机组并网带负荷大于10％额定负荷，满足镇定限制条件，机组处于镇定控制模式。机组测量单元实时检测pe和Qe的变化，按(19)、(20)的控制律实现闭环控制调节。
各参数响应曲线如图2。由图2可见，所选择的常值控制器能够镇定系统，使得系统渐近稳定于给定的平衡点。
(2)无功调节例子 机组进行无功调节，无功从0.3(pu)增加到0.5(pu)，取等效阻尼系数为D＝5； 初始平衡点为x0＝
。
初始值 采用以下步骤实现 A、计算给定输出下的镇定控制值 给定期望的系统输出pe*＝0.5，Qe*＝0.5，利用下述方程组求解镇定控制值v* 解出新平衡点为x*＝
。
镇定控制值为 B、确定镇定控制值的限制条件 流量x1＝0.5738，qn1＝0.1265，满足镇定限制条件式(11)； 或者机组有功pm1＝pe*＝0.5(pu)，即50％额定负荷，满足镇定控制限制条件； C、镇定控制算法 采用公式(14)计算调速器控制u0＝0，u1＝0； 采用公式(17)计算调速器输出控制为 u＝0.1(0.5-pe)(21) 采用公式(18)计算励磁控制输出为 Ef＝1.5803+0.2586(1-e-0.2t)+0.1(0.3-Qe)(22) D、实际控制器构造方案 此时，机组并网带负荷大于10％额定负荷，满足镇定限制条件，机组处于镇定控制模式。机组测量单元实时检测pe和Qe的变化，按(21)、(22)的控制律实现闭环控制调节。
各参数响应曲线如图3。由图3可见，所选择的常值控制器能够镇定系统，使得系统渐近稳定于给定的平衡点。
权利要求
1.一种水轮发电机组主动稳定控制方法，包括利用水轮发电机组哈密顿模型，计算水轮发电机组在给定输出下的镇定控制值，其特征在于有以下步骤
A、计算给定输出下的镇定控制值
给定期望的系统输出
利用下述方程组求解镇定控制值
B、确定镇定控制值的限制条件
机组在并网运行时的限制条件为
实际选择时，按机组并网运行并且所带负荷大于10％额定负荷，即可满足这一镇定条件；
C、镇定控制算法
调速器输出控制为
励磁控制输出为
D、实际控制器构造方案
镇定控制策略与传统调速和励磁PID控制策略结合，构成变结构控制策略；在机组并网带10％额定负荷之后切换为镇定控制，其它工况即机组起、停、空载，采用传统时PID控制。
全文摘要
本发明涉及一种水轮发电机组主动稳定控制方法。利用水轮发电机组哈密顿模型，计算水轮发电机组在给定输出下的镇定控制值，确定镇定控制值的限制条件，镇定控制算法的改进，确定实际控制器构造方案。本发明以机组的主动稳定来改善电力系统稳定性，避开了电力系统复杂性对机组控制器设计的影响，简化了设计过程，镇定控制方式以给定输出目标值为控制依据，减小了机组与电力系统之间的耦合作用，以输出偏差为反馈补偿，解决了镇定控制器模型误差造成的输出偏差问题，镇定控制器能在较低的阻尼下保持机组的运行稳定性。
文档编号F03B15/00GK101718248SQ20091016320
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月21日 优先权日2009年12月21日
发明者曾云, 张立翔, 武亮, 王文全, 闫妍, 李泽, 姚激 申请人:昆明理工大学