CN102437809B - 用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法，其采用双积分环节以调整水电机组调速***,其特征在于：其根据水电机组的运行状态,调整该积分公式中的参数:当水电机组处于常态运行时，式中的Ex为0.5Hz、Bp为4%；当水电机组处于孤岛模式运稳态行动时，式中的Ex为0.5Hz、Bp等于1%；当水电机组处于孤岛模式动态运行时，式中的Ex为0.1Hz、Bp小于等于0.001%。本发明采用多种调节模式相并联结合，一旦***电网的负荷波动较大，以致引起大的频率波动时，采用大频率PID迅速参与闭环控制；在稳定状态时，采用小积分模式以达到微量、缓慢调整***的目的。本发明具有无需人为干预、完全可以自动实现状态和参数的切换、自动调节到位且调节效果较好等优点。

Description

用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法

技术领域

本发明属于电力***自动技术领域，具体涉及一种适用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法。

背景技术

目前，水电机组的水轮机调速***实现机组频率和功率控制有三种控制方法：频率模式，意即调速器以一定的频率给定为目标值，以频率反馈最为反馈单元的控制逻辑，最终实现机组频率达到给定要求。比如空载状态下，调速器要维持机组到频率给定值，频率死区Ex和调差系数BP皆为0；比如发电状态，***频率超过Ex，调频动作参与调节。开度模式，意即调速器以一定的导叶开度给定为目标值，以导叶开度反馈作为反馈单元的控制逻辑，最终实现导叶开度调整到给定要求。比如发电状态下，调速器要维持导叶开度到给定开度，以此维持一定的机组有功，此时，Ex和BP有一定的数值。功率模式，即调速器以一定的有功功率给定Pgv为目标值，以机组有功反馈作为反馈，最终实现机组功率调整到给定要求。比如发电状态下，调速器接受监控下发Pgv数值，自身通过给定和反馈维持功率到目标数值，此时，Ex和BP有一定的数值。

孤岛模式是目前大电网***下的一种非常态的运行模式，在国内各电站，会经常因各种因素（远方甩负荷，带厂用电，带水电阻，带地方孤立负荷等）而存在。这种工况下运行的水电机组往往会因为上述控制方法中缺乏对调速***的孤岛控制功能或功能不完善而导致调节性能差，甚至机组根本无法控制。

孤岛模式还可分成孤岛模式稳态运行和孤岛模式动态运行两种模式：机组带有一定负荷或频率在50±0.5 Hz以内且未收到孤岛甩负荷信号，属于孤岛模式稳态运行模式；机组所带外部负荷甩掉瞬间到调节稳定这段时期为孤岛模式动态运行模式。

目前国内各专业厂家对孤岛***下的调速器控制方法和实施应用都有一定经验，常见的处理方案是：

首先，判断孤岛的条件一般有两个：一个是机组频率偏离50Hz的大小，一个是机组频率的变化速率。当二者较大时被认为是小网工况，此时，油开关合上的前提下，对调节器的处理办法是：

1)、当机组频率f_机＞52Hz时，置Ypid（控制输出）值为0， Pgv置0， Ynld（空载开度）保持不变，让机组全速关回；并防止了由于Pgv项太大造成机组动作不够迅速，机组稳定后的转速太高的问题。 

2）、当                                                ＞0.5Hz，置E＝0、bp=0，置空载参数，让机组快速稳定。

3）、当

≤0.5Hz，还原大网时参数，让机组进入正常的有差调节，稳定负荷。

对于孤岛的处理目标是：快速稳定至带孤岛负荷，频率变化不要太大，过渡过程不要太长。上述技术方案对短暂的、无较高要求的***而言，基本上能满足要求。但是，上述方案没有专门的孤岛判别装置发信号给调速器，没有单独设置孤岛模式下的参数，对于孤岛常态化运行的目标而言，存在较大的差距。同时，值得指出的是，当前智能电网根据机组的发电运行状况，安稳装置会根据高频或低频自动完成切机或切负荷，很大程度上还是依赖外在技术措施完成频率和有功负荷的控制，上述技术方案利用调速器自身检查频率变化作为判据，判断是否进入孤岛并完成空载态和发电态的一些转换，不太合理，存在一定的风险。另外，这种技术方案无法解决多台机组并联在母线上运行，存在的功率震荡和调相问题。

如果是单机带一个孤立小负荷，目前的处理策略一般是直接甩掉并网信号，让调速器处于空载模式，这种方式存在严重的人工干预，和电厂的自动运行原则违背，且只能在单机带负荷的工况下运用，无法解决多台机组并联在母线上运行，存在的功率震荡和调相问题。还有另外一种方式，就是在事先知道要进入小网模式的前提下，人为在调速器现地切换大网/小网的把手，程序内部是将Bp（调差系数）调用一个比较小的数值，这样做比较粗糙，且由于有功功率给定Pgv的存在，根据调差特性，机组要维持一个较高的频率才能抵消Pgv的作用，且频率会不稳定，在死区临界点之外，有一种向高频方向波动趋势（只是有一种趋势，会被控制的作用拉回来，但频率波动大；波动大小和Pgv成正比关系）。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种无需人为干预、完全可以自动实现状态和参数的切换、自动调节到位且调节效果较好的用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法。

本发明的技术方案是提供用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法，其特征在于：其采用小积分环节和大积分环节的双积分公式计算导叶开度的控制输出Ypid以调整水电机组调速***，其中：

小积分环节的积分公式为：Yi′= Yi′+KI′*X′，其X′=X′- Bp′* Yi′，X′=(fg-fs)-Ex′，

小积分环节的导叶开度的控制输出Ypid′ = Yp′+ Yi′+ Yd′，而Yp′ = -KP′* X′，Yi′= -KI′*，YD′ = - KD′ *( dX′/ dt′)； 

大积分环节的积分公式为：Yi= Yi+KI*X，其中X=X -Bp* Yi，X =(fg-fs)-Ex，

大积分环节的导叶开度的控制输出Ypid = Yp+ Yi+ Yd，而

Yp = -KP* X，Yi= -KI*

，YD = - KD *( dX / dt)；

式中，Fg为频率给定，fs为***频率，Yi′和Yi为积分折算的导叶开度给定、Ex′和Ex为频率死区、KI′和KI为积分增益，KP′和KP为比例增益，KD′和KD为微分增益， X′和X为频率偏差，Yp′和Yp为为比例折算的导叶开度给定，Yi′和Yi为为积分折算的导叶开度给定，Yd′和Yd为为积分折算的导叶开度给定，dt′和dt为微分。

优选的，其根据水电机组的运行状态,实时调整该积分公式中的参数:

当水电机组处于常态运行时，小积分环节不调用，大积分环节的积分公式中的Ex为0.5Hz、Bp为4%，KP=4，KI=3，KD=1; 

当水电机组处于孤岛模式稳态运行时，小积分环节和大积分环节同时调用，设定式中的Ex为0.5Hz、Bp小于等于1%，KP=4，KI=0.3，KD=1，Ex′为0.05Hz，KI′=0.1，

当水电机组处于孤岛模式动态运行时，小积分环节和大积分环节同时调用，设定式中的Ex为0.1Hz、Bp小于等于0.01%，KP=4，KI=0.3，KD=1，Ex′为0.05Hz，KI′=0.1。

优选的，在水电机组处于孤岛模式稳态运行时，当水电机组调速***的***频率小于0.05Hz后，将积分产生的Yi′给定转移给功率给定Pgv，转移过程中维持原有的导叶开度给定Gv_Give和导叶开度Gv_Fdbk。

优选的，当所述水电机组调速***接收到孤岛甩负荷信号且水电机组频率在50.5 Hz以上时,调整所述大积分环节的参数为: Bp小于等于0.01%，Ex=0.1Hz，功率给定Pgv=0。

优选的，当所述水电机组调速***接收到孤岛甩负荷信号后3分钟以后，调整所述积分公式中的参数为: Ex为0.5Hz、Bp小于等于1%。

本发明的用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法采用多种调节模式相并联结合，一旦***电网的负荷波动较大，以致引起大的频率波动时，采用大频率PID迅速参与闭环控制，在大积分的作用下，对***频率大波动（相对的）和水力过渡过程的大波动调节非常有利；在稳定状态时，采用小积分模式以达到微量、缓慢调整***的目的。本发明具有无需人为干预、完全可以自动实现状态和参数的切换、自动调节到位且调节效果较好等优点。

附图说明

图1是本发明的用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法的功能示意图；

图2是水电机组调速***在孤岛模式下负荷增减原理图；

图3是水电机组调速***在孤岛模式下频率调整原理图；

图4是水电机组调速***在孤岛模式下甩负荷、频率和开度调整原理图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1, 本发明的用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法，采用正常发电状态下的调频模式和孤岛模式下的小积分模式相结合的策略。调频模式下的Ex为0.5Hz,Bp为1%，而在小积分模式下的Ex′为0.05Hz，即大频率PID(控制***中的重要参数)环节。在国内大容量、大范围的孤岛***，频率调节的功能不仅仅由调速***承担，为了平衡负荷，在换流站一般设置一个大容量的频率限制器（FLC）对孤岛***的负荷进行平衡，进而维护频率的稳定性，所以本发明采用0.5Hz 作为Ex（死区）。

小积分模式的特点是，单独引用了一个积分环节，且积分环节的积分增益要显著小于大频率环节的积分增益；该环节的频率死区小于调频模式的Ex；此外，小积分环节是一个开环，即，如果积分的结果引起的开度变化和功率变化已经使得***频率降低或升高到小死区以内，这个计算结果将在总的导叶开度给定上保持当前计算值的效果，以达到“步进”似地改变***负荷和频率，而不是引用反馈（Bp*Yi）,调节一旦进入死区，开度又返回到初始值，以致存在频率偏差。

这两种调节模式相并联结合策略的优点在于，一旦***电网的负荷波动较大，以致引起大的频率波动时，大频率PID环节迅速参与闭环控制，在大积分的作用下，对***频率大波动（相对的）和水力过渡过程的大波动调节非常有利。当趋于稳定时，由于大频率积分环节是有差调节，如果AGC(自动发电控制:automatic generation control of hydropower station)不参与“干涉”，***频率必定在Ex的临界点波动，可能不能满足要求。此时，引入一个开环的小积分环节，对***频率进行积分“修补”，达到微量、缓慢调整***有功功率的目的。同时，一旦调整到频率的小死区以内，该调节过程计算得出的数值，通过一次初始化，把该值转移到Pgv上，目的是让Yi′（小积分输出）清0。初始化过程中或两个环节不参与调节时，保持当前导叶给定和开度结果不变，并为下面的计算做好起始准备，以防止原来保持的累积数值造成影响。

孤岛***，单个电站若干台机组不带外在任何负荷，机组仅靠线路连接，机组带厂用电或发电的机组带调相的机组，称为“绝对孤岛***”。 这种模式的发生一般是“相对孤岛***”的基础上发生甩负荷引起的。

    若发生“绝对孤岛***”，难于控制的是在发生过程中的频率和有功控制。此时调速***在收到远方甩负荷的命令之后，大频率的PID环节的参数不变，而此时的死区由0.5 Hz变为0.1 Hz，Bp由1%变为一个极小值，同时清除原来累加的Pgv，且闭锁监控AGC的控制。该甩负荷命令一般是一个瞬动的脉冲量。绝对孤岛模式何时消除，外部并没有把该判断给调速***，但根据经验一般发生类似现象3分钟之内不会再重新并网，且调速***在2分钟内，已经能够稳定住了机组转速。所以在调速***内部，做了一个延时，三分钟之后，控制逻辑自动恢复到“相对孤岛***”模式，以为后面并网带负荷做准备。

如图2所示，在孤岛模式下，正常增减负荷，如果要这种方式具备常态化，一般***要设置频率调节装置。FLC就是一种手段。目前调速***如果在联网（大网）状态下，***死区未超过频率设置死区，调速器就处于一种开度闭环模式。因为随着计算机技术的长足发展，无论软件还是硬件都非常可靠，所以国内目前功率闭环控制功能一般做在计算机监控***，这样更有利于集控、调度更好地实现，更大发挥AGC的作用。所以调速作为一个执行环节，在收到监控增功（增加令）时，伴随着监控增加令脉冲的步长和脉冲间隔时间的长短，做相应的功率给定Pgv的累积，随而增加导叶给定，进而进行相应的导叶闭环调节以达到增加机组出力的目的，监控收到机组有功的变化作为反馈引入它的功率闭环***进而调节。这和正常联大网没有本质区别。该功能即便在孤岛模式下，也应该是保留的。减负荷类同。

假设孤岛模式下，一旦负荷波动，引起频率超过死区，调速***将按照如图3所示进行调节。假设孤岛PID参数是：KP=3，KI=0.3，KD=1;孤岛死区为0.5Hz，调差Bp=1%;小积分死区为0.05Hz，积分增益Ki′=0.1。空载开度=10%。导叶发电态，频率在死区内稳定，开度在40%。功率给定Pgv=30%。假设此时频率突然由50 Hz突变到50.7Hz（实际不可能和图3所示，为了便于描述，绘成垂线），超过了设置的0.5Hz死区，根据调差特性，对0.2Hz进行计算，Ypid会由0%下调4%的开度。同时，由于死区超过了小积分环节的0.05 Hz，该积分也参与调节计算。假设过了8秒***频率恢复到50Hz，根据积分的意义，积分增益Ki′=0.1，在8秒内对0.65Hz进行积分，会计算出一个YI′=1.04%的下调量。这样的一个积分累积，在***恢复在49.95-50.05 Hz以内后，程序内部迅速通过初始化，将该值转移到Pgv上，Pgv由30%变成28.94%，但总的导叶给定和导叶开度保持小积分调整后的开度不变。这两种模式相结合，就非常完美地克服了脆弱孤岛***内的功率和频率大小波动问题。

一旦遇到孤岛甩负荷时（“绝对孤岛***”，动态），如图3，调速***收到孤岛甩负荷信号，同时判断频率在50.5 Hz以上时，立即将Bp=0，死区Ex=0.1Hz，功率给定Pgv=0。调差置0的目的在于给导叶一个大幅度的调整范围，模拟出一种一如正常联大网甩负荷进空载态一样的环境；死区变小目的在于迅速将机频拉回额定，并抑制各台机的有功震荡；Pgv=0目的在于让各台机组的导叶给定均等，以防止稳态后的深度调相现象出现，并且Pgv清0也保证了机组导叶开度迅速下关，防止机组升速过高。

如图4,在频率上升瞬间,导叶开度快速全关,机组转速由于惯性继续上升，上升到一定数值，频率开始下降，当机组频率下降到50Hz左右时，由于调速器PID特性，导叶再次抬起。直至机组频率稳定在额定转速附近，稳定。 

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (5)

1. 用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法，其特征在于：其采用小积分环节和大积分环节的双积分公式计算导叶开度的控制输出Ypid以调整水电机组调速***，其中：

小积分环节的积分公式为：Yi′= Yi′+KI′*X′，其X′=X′- Bp′* Yi′，X′=(fg-fs)-Ex′，

小积分环节的导叶开度的控制输出Ypid′ = Yp′+ Yi′+ Yd′，而Yp′ = -KP′* X′，Yi′= -KI′*                                               

，YD′ = - KD′ *( dX′/ dt′)； 

大积分环节的积分公式为：Yi= Yi+KI*X，其中X=X -Bp* Yi，X =(fg-fs)-Ex，

大积分环节的导叶开度的控制输出Ypid = Yp+ Yi+ Yd，而

Yp = -KP* X，Yi= -KI*

，YD = - KD *( dX / dt)；

式中，fg为频率给定，fs为***频率，Yi′和Yi为积分折算的导叶开度给定、Ex′和Ex为频率死区、KI′和KI为积分增益，KP′和KP为比例增益，KD′和KD为微分增益， X′和X为频率偏差，Yp′和Yp为为比例折算的导叶开度给定，Yi′和Yi为为积分折算的导叶开度给定，YD′和YD为为积分折算的导叶开度给定，dt′和dt为微分。

2.根据权利要求1所述的用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法，其特征在于：其根据水电机组的运行状态,实时调整该积分公式中的参数:

当水电机组处于常态运行时，小积分环节不调用，大积分环节的积分公式中的Ex为0.5Hz、Bp为4%，KP=4，KI=3，KD=1; 

当水电机组处于孤岛模式稳态运行时，小积分环节和大积分环节同时调用，设定式中的Ex为0.5Hz、Bp小于等于1%，KP=4，KI=0.3，KD=1，Ex′为0.05Hz，KI′=0.1，

当水电机组处于孤岛模式动态运行时，小积分环节和大积分环节同时调用，设定式中的Ex为0.1Hz、Bp小于等于0.01%，KP=4，KI=0.3，KD=1，Ex′为0.05Hz，KI′=0.1。

3.根据权利要求2所述的用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法，其特征在于：在水电机组处于孤岛模式稳态运行时，当水电机组调速***的***频率小于0.05Hz后，将积分产生的Yi′给定转移给功率给定Pgv，转移过程中维持原有的导叶开度给定Gv_Give和导叶开度Gv_Fdbk。

4.根据权利要求2所述的用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法，其特征在于：当所述水电机组调速***接收到孤岛甩负荷信号且水电机组频率在50.5 Hz以上时,调整所述大积分环节的参数为: Bp小于等于0.01%，Ex=0.1Hz，功率给定Pgv=0。

5.根据权利要求4所述的用于孤岛模式下的水电机组调速***的控制方法，其特征在于：当所述水电机组调速***接收到孤岛甩负荷信号后3分钟以后，调整所述积分公式中的参数为: Ex为0.5Hz、Bp小于等于1%。

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