一种原动机调速系统附加阻尼器控制方法与流程

发明属于电力系统领域，具体涉及一种原动机调速系统附加阻尼控制方法。

背景技术：

近年来，在水电机组比例较高的孤网和直流孤岛送出系统中陆续出现振荡频率低于0.1Hz的超低频率振荡现象。当前调速系统在满足电网一次调频动作快速性的同时，带来了明显的负阻尼。由于电力系统的发展、互联电力系统的出现和扩大、快速自动励磁调节器和快速励磁系统的应用，国内外不少电力系统出现了低频功率振荡，严重影响电力系统的安全稳定运行，成为制约联络线输送功率极限提高的最重要因素之一。为抑制低频振荡，目前电力系统中通常采取在励磁系统中安装PSS装置，以增大阻尼功率为目标从而提高系统阻尼，但由于发电机励磁系统与电网联系紧密，其PSS参数整定设计难以推广到互联电力系统的多机模式。

虽然汽轮发电机调速系统的时间常数较大且存在间隙死区，但近年来电液调速器的应用越来越广泛，调速性能得到提高，研究发现调速系统在一定运行方式下可能产生一定负阻尼，引发低频振荡，在调速系统侧安装GAD可以达到抑制低频振荡、提高系统稳定性的目的。单机系统GAD的设计较为简单，动模实验结果表明，该实验系统完善了调速系统模拟，验证了GAD抑制低频荡的作用，GAD具有鲁棒性、多机解偶性，为继续研究GAD奠定了基础。

技术实现要素：

为了解决原动机调速系统特别是水力发电机组在一定运行方式下负阻尼产生的超低频振荡问题，本发明提供一种原动机调速系统附加阻尼控制方法，通过相位补偿原理，提高调速系统阻尼。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种原动机调速系统附加阻尼器控制方法，所述方法包括：

根据预先定义的原动机调速系统模型计算影响原动机调速系统的机械功率，并将所述机械功率分解为阻尼转矩和同步转矩分量，分别获得功率闭环调节和转速闭环调节下的补偿后附加阻尼系数，根据附加阻尼系数确定阻尼转矩区间；

构建调速系统附加阻尼器模型，对调速系统的相频特性相应的补偿环节进行相位补偿，使得附加阻尼系数为正。

优选的，所述原动机调速系统模型即为Phillips-Heffron：

上式中，M为机组转子的转动惯量，ΔT_M为原动机转矩增量，ΔT_E为发电机的电磁转矩增量，D为系统阻尼作用，ω为发电机轴速度，ω₀为系统基准角频率，ω_d为系统振荡频率；Δδ为功角变化量，j为拉普拉斯算子，t为时间，Δω为转速变化量。

进一步地，通过下式计算影响原动机调速系统的机械功率：

上式中，H_GOV(s)表示调速系统的传递函数，Δx表示调速系统的控制输入增量；ΔT_D表示调速系统的阻尼转矩分量，ΔT_S表示励磁系统的阻尼转矩分量反相位，表示调速系统的相位，K_GOV为调速系统的增益。

优选的，通过下式确定所述转速闭环控制方式下的附加阻尼系数：

其中，D_GOV1表示转速闭环控制方式下的附加阻尼系数，ω₀为系统基准角频率，ω_d为系统振荡频率，调速系统的相位，K_GOV为调速系统的增益；

当D_GOV1＞0时，为原动机调速系统提供正阻尼，反之，则提供负阻尼；

在转速闭环控制下，原动机调速系统在滞后90°～270°时，为其提供负阻尼，在滞后-90°～90°时提供正阻尼，当且仅当滞后角度达180°时提供的负阻尼分量最大。

优选的，通过下式获取所述功率闭环控制方式下的附加阻尼系数：

其中，D_GOV2表示功率闭环控制方式下的附加阻尼系数，j为拉普拉斯算子，ω₀为系统基准角频率，ω_d为系统振荡频率，调速系统的相位，K_GOV为调速系统的增益，ΔP_E＝K₁Δδ+K₂ΔE_q'，ΔM_e为电磁转矩变化量，E’_q为暂态电动势；

当D_GOV2＞0时，为原动机调速系统提供正阻尼，反之，则提供负阻尼；

在功率闭环控制下，原动机调速系统在滞后0°～180°时需为其提供负阻尼，在超前0°～180°时提供正阻尼，当且仅当滞后角度达90°时提供的负阻尼分量最大。

优选的，基于相位补偿原理，以转速差或者机械功率差作为输入信号，以附加开度指令为输出信号，通过下式确定调速系统附加阻尼器模型：

其中，G_GADS(s)抑制低频振荡的调速系统附加阻尼器的传递函数，K_GADS为调速系统附加阻尼器的增益，T_W1为隔直时间常数，T₁、T₃、T₅为超前时间常数，T₂、T₄、T₆为滞后时间常数；为测量环节传递函数，为超低频滤波环节传递函数，为隔直环节传递函数，为三级超前/滞后补偿环节传递函数；s为积分算子，s²为积分算子的二次方；G_l1、G_l2、ξ_l1、ξ_l2为双二阶滤波器的配置参数。

进一步地，所述转速闭环控制下的补偿后附加阻尼系数为：

其中，D'_GOV1表示转速闭环控制下的补偿后附加阻尼系数；为调速系统附加阻尼器的相位。

进一步地，所述功率闭环控制下的补偿后附加阻尼系数为：

其中，D'_GOV2表示功率闭环控制下的补偿后附加阻尼系数。

进一步地，所述根据附加阻尼系数确定阻尼转矩区间包括：补偿环节参数当调速系统在滞后90°～270°时选取转速闭环控制环节参数，使得补偿后的附加阻尼系数D'_GOV1大于零；

当调速系统在滞后0°～180°时选取功率闭环控制环节参数的补偿，使得补偿后的附加阻尼系数D'_GOV2大于零。

优选的，所述补偿环节包括：测量环节、滤波环节、死区环节、隔直环节、三级超前/滞后补偿环节、放大环节及限幅环节，所述各环节依次连接。

与最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明涉及一种原动机调速系统附加阻尼器控制方法，可以显著提高调速系统的附加阻尼。根据预先定义的原动机调速系统模型计算影响原动机调速系统的机械功率，并将所述机械功率分解为阻尼转矩和同步转矩分量，分别获得功率闭环调节和转速闭环调节下的补偿后附加阻尼系数，根据附加阻尼系数确定阻尼转矩区间；构建调速系统附加阻尼器模型，基于相位补偿原理，对调速系统的相频特性相应的补偿环节进行相位补偿，使得附加阻尼系数为正。

通过上述发明方案使调速系统引起的超低频率振荡阻尼得到提升。整定GAD模型中各个环节参数，经过相位补偿和增益，将输出信号叠加到调速系统中，调试简便，灵活可靠，有效地抑制原动机调速系统的低频振荡现象。依靠本发明的灵活性、直观性和可靠性，在抑制低频振荡方面应用简单，能够在调速系统中得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的原动机调速系统附加阻尼器GAD的传递函数框图；

图2为本发明实施例所提供的简化原动机调速系统模型示意图；

图3为本发明实施例所提供的简化原动机调速系统附加阻尼器模型示意图；

图4为本发明实施例所提供的功率闭环控制下调速系统的阻尼特性示意图；

图5为本发明实施例所提供的转速闭环控制下调速系统的阻尼特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了解决原动机调速系统特别是水力发电机组在一定运行方式下负阻尼产生的超低频振荡问题，本发明针对发电机调速系统特性，基于相位补偿原理，提供了一种包括测量环节、滤波环节、死区环节、隔直环节、三级超前滞后补偿环节、放大环节及限幅环节的一种原动机调速系统附加阻尼器(GAD)控制方法，具体涉及一种抑制超低频振荡的原动机调速系统附加阻尼器(Governor Additional Damper，GAD)的实现方法。该方法能够灵活有效地补偿调速系统阻尼，对原动机调速系统超低频振荡具有明显的抑制作用。具体包括：

基于相位补偿原理，在调速系统中引入附加阻尼控制模型，有效补偿调速系统在功率闭环下滞后0～180°时或转速闭环下滞后90°～270°时的负阻尼特性。

该方法主要解决调速系统在一定运行条件下，出现超低频振荡问题，其振荡频率一般低于0.1Hz。根据附加阻尼系数的分析得知，以转速差或电功率差作为输入信号，经过相位补偿和增益等环节，输出附加开度指令信号叠加到调节系统输入端，能够将附加阻尼系数提高到正阻尼区间位置。由于发电机组水锤效应影响，会产生一个相位滞后环节，在GAD的参数整定部分需要补偿相应的相位。根据发电机组调节系统的实测建模和GAD模型，配置一定参数的附加控制后，系统阻尼得到明显加强，对调速系统低频振荡具有明显的抑制作用。

本发明方案主要解决原动机调速系统在一定运行条件下，出现超低频振荡问题，

其振荡频率明显低于0.1Hz，工程实际的原动机调速系统附加阻尼器实现是输入转速或电功率信号，经过附加阻尼控制的相位补偿等环节后将输出信号叠加到开度指令Y_PID，其系统调速模型如图2所示。

(1)根据预先定义的原动机调速系统模型计算影响原动机调速系统的机械功率，并将所述机械功率分解为阻尼转矩和同步转矩分量，分别获得功率闭环调节和转速闭环调节下的补偿后附加阻尼系数，根据附加阻尼系数确定阻尼转矩区间；

其中，原动机调速系统模型即为Phillips-Heffron：

上式中，M为机组转子的转动惯量，ΔT_M为原动机转矩增量，ΔT_E为发电机的电磁转矩增量，D为系统阻尼作用，ω为发电机轴速度，ω₀为系统基准角频率，ω_d为系统振荡频率。Δδ为功角变化量，j为拉普拉斯算子，t为时间，Δω为转速变化量。

通过下式计算影响原动机调速系统的机械功率：

上式中，H_GOV(s)表示调速系统的传递函数，Δx表示调速系统的控制输入增量；ΔT_D表示调速系统的阻尼转矩分量，ΔT_S表示励磁系统的阻尼转矩分量反相位，表示调速系统的相位，K_GOV为调速系统的增益。

通过下式确定所述转速闭环控制方式下的附加阻尼系数：

其中，D_GOV1表示转速闭环控制方式下的附加阻尼系数，ω₀为系统基准角频率，ω_d为系统振荡频率，调速系统的相位，K_GOV为调速系统的增益；

补偿作用机理进行分析，如图4和图5所示，当D_GOV1＞0时，为原动机调速系统提供正阻尼，反之，则提供负阻尼；

在转速闭环控制下，原动机调速系统在滞后90°～270°时，为其提供负阻尼，在滞后-90°～90°时提供正阻尼，当且仅当滞后角度达180°时提供的负阻尼分量最大。

转速闭环控制下的补偿后附加阻尼系数为：

其中，D'_GOV1表示转速闭环控制下的补偿后附加阻尼系数；为调速系统附加阻尼器的相位。

通过下式获取所述功率闭环控制方式下的附加阻尼系数：

其中，D_GOV2表示功率闭环控制方式下的附加阻尼系数，j为拉普拉斯算子，ω₀为系统基准角频率，ω_d为系统振荡频率，调速系统的相位，K_GOV为调速系统的增益，ΔP_E＝K₁Δδ+K₂ΔE_q'，ΔM_e为电磁转矩变化量，E’_q为暂态电动势；

当D_GOV2＞0时，为原动机调速系统提供正阻尼，反之，则提供负阻尼；

在功率闭环控制下，原动机调速系统在滞后0°～180°时需为其提供负阻尼，在超前0°～180°时提供正阻尼，当且仅当滞后角度达90°时提供的负阻尼分量最大。

功率闭环控制下的补偿后附加阻尼系数为：

其中，D'_GOV2表示功率闭环控制下的补偿后附加阻尼系数。

根据附加阻尼系数确定阻尼转矩区间包括：补偿环节参数当调速系统在滞后90°～270°时选取转速闭环控制环节参数，使得补偿后的附加阻尼系数D'_GOV1大于零；

当调速系统在滞后0°～180°时选取功率闭环控制环节参数的补偿，使得补偿后的附加阻尼系数D'_GOV2大于零。

(2)构建调速系统附加阻尼器模型，如图3所示；对调速系统的相频特性相应的补偿环节进行相位补偿，使得附加阻尼系数为正。相频特性包括原动机调速系统的隔直时间常数，以及超前滞后时间常数；同时针对调速系统的运行特性设置GAD的放大倍数；测试一次调频死区，设置GAD的死区环节参数以及滤波、限幅环节参数。

引入的附加控制简化模型如附图所示，优选的，所述模型中补偿环节包括：测量环节、滤波环节、死区环节、隔直环节、三级超前/滞后补偿环节、放大环节及限幅环节，所述各环节依次连接。

基于相位补偿原理，以转速差或者机械功率差作为输入信号，以附加开度指令为输出信号，通过下式确定调速系统附加阻尼器模型：

其中，如图1所示，T_W1为隔直时间常数，T₁、T₃、T₅为超前时间常数，T₂、T₄、T₆为滞后时间常数。G_GADS(s)表示抑制低频振荡的调速系统附加阻尼器的传递函数，K_GADS为调速系统附加阻尼器的增益，T_W1为隔直时间常数，T₁、T₃、T₅为超前时间常数，T₂、T₄、T₆为滞后时间常数；为测量环节传递函数，为超低频滤波环节传递函数，为隔直环节传递函数，为三级超前/滞后补偿环节传递函数；s为积分算子，s²为积分算子的二次方；G_l1、G_l2、ξ_l1、ξ_l2为双二阶滤波器的配置参数。

测试调速系统的临界增益值，并针对调速系统的运行特性设置GAD的放大倍数；测试一次调频死区，设置GAD的死区环节参数以及滤波、限幅环节参数。

其中，非线性环节包括死区和限幅。限幅环节可以实现对输入信号的限幅控制，防止故障时发电机的机端过电压；

设置死区环节，输入GAD的偏差信号在一次调频死区范围外时才会引起后续环节动作。死区环节的设置与调速系统一次调频的死区一致，避免当电网频率小范围波动而引起调速系统不必要的动作，因此GAD在偏差信号达到一定范围时对调速系统产生一定的补偿，使其阻尼得到加强。

线性环节包括测量环节、低频滤波环节、隔直环节、超前滞后和放大环节。

测量环节：对输入信号进行处理，传递函数为

超低频滤波环节：低频滤波器通过下述方法来实现：所述滤波器为两个串联的二阶滤波器，该滤波器通过下式的传递函数来实现超低频分量的滤波，

其中s为积分算子，s²为积分算子的二次方；G_l1、G_l2、ξ_l1、ξ_l2为双二阶滤波器的配置参数。

放大环节：对超低频分量的信号进行增益，K_GOV有益于死区环节的设置以及辅助相位补偿效果。

隔直环节：负责滤掉直流次要信号，避免输入信号的稳态变化影响输出，传递函数为

三级超前/滞后补偿环节：通过相位补偿和之前的增益环节，采用非线性处理环节对调速系统信号进行恰当的相位补偿，以期使系统阻尼由负变正，从而抑制调速系统引起的超低频振荡，传递函数为

补偿作用机理进行分析，如图4和图5所示，对补偿效果进行评估包括：对比加入附加阻尼控制后的补偿后附加阻尼系数D'_GOV和不加附加阻尼控制的调速系统补偿后附加阻尼系数D_GOV，当调速系统在滞后90°～270°或者0°～180°时选取相应的补偿环节参数，使得附加阻尼系数D'_GOV＞0。

综上，本发明方案首先采用阻尼分析和灵敏度筛选超低频振荡的主导频率范围，根据时域分析结果用相位补偿原理，通过三级超前/滞后补偿环节对调速系统主导频率相位特性进行适当灵活补偿，附加开度指令叠加在调节系统输入端时以达到调速系统的正阻尼运行要求。根据原动机调节系统的实测建模和GAD模型原理，配置一定参数的附加控制后，系统阻尼能够得到明显加强。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。