弱電網水電機組調速器參數優化方法

陳義宣，李玲芳，朱欣春

（云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，云南 昆明 650011）

0 前言

隨著電力建設的不斷發展，電網結構和供電水平得到加強，但是，由于受自然條件、環境保護、古城保護或主網加強代價太高等因素的影響，仍然存在許多弱電網區域，云南地廣人稀，水電資源豐富，這種情況尤為突出。由于地區弱電網與電網主網聯系薄弱，聯絡線發生故障后，地區弱電網極易造成孤網，孤網后的頻率穩定成為最主要的穩定問題。若地區弱電網水電機組調速器等參數不合理，極易造成孤網的頻率失穩或因阻尼不足造成頻率振蕩。即孤網后易造成：

1）若地區弱電網向主網輸送電力，孤網后頻率暫態過程中，頻率谷值過低，即使是功率富余故障（考慮高頻切機正確動作，切未過切），仍可能造成低頻減載動。

2）孤網后因水輪機調速器提供阻尼太低，甚至是負阻尼，極易發生頻率振蕩。

本文針對地區弱電網孤網后存在的頻率穩定問題，提出水輪機調速器參數優化原則，建立含調速器、水輪機、發電機模型的水電機組穩定分析模型，利用主導極點法，實現弱電網水電機組調速器參數優化，提高了弱電網的穩定水平。

1 水輪機調速器參數優化原則

水輪機發電機組有多種工作狀態，如機組開機、停機、空載、孤立電網運行、并網于大電網運行等。為適應不同工況，水輪機調速器一般也有不同的運行模式，即空載運行的頻率調節模式、并網運行的開度調節模式、孤立運行孤網調節模式。每個調節模式分別設置相應的調節參數，調節模式切換時調節參數能自動切換。

目前水輪機調速器一般采用并聯PID結構，主要參數為比例增益KP、積分增益KI、微分增益KD。PID參數設置不同，調節品質差別很大。只有選擇合適的水輪機調速器的PID調節參數，才能夠使調節系統具有優良的動態品質和優良的一次調頻性能。在一定范圍內增大KP有利于加快一次調頻響應速度，改善一次調頻動態響應特性，但是過大和過小的KP都會使得一次調頻響應阻尼比減小，從而造成頻率振蕩問題。增大KI有利于提高一次調頻響應速度，加快頻率恢復速度，但是會降低頻率響應阻尼比，有可能造成振蕩問題。KI越小頻率響應阻尼比越大，系統越穩定。一定范圍內增大KD有利于改善一次調頻動態響應特性，加快響應速度，但是KD過大不利于低頻振蕩。

基于調速器的切換特性及PID參數的影響規律，提出孤網及聯網模式下PID參數優化原則：

聯網開度模式下PID優化原則：滿足聯網時的功率快速調節，兼顧一次調頻動態特性，在保證穩定的前提下盡可能增大KP和KI數值。

孤網模式下PID優化原則：對于孤網參數來說，應盡可能的使得阻尼比大一些以保證孤網后頻率的穩定性，而一次調頻動態特性可以有所犧牲，因此盡可能減小KP、KI值；對于參數KD，孤網模式下，KD的適度增大不會破壞低頻振蕩分量的阻尼比，并且有利于第二個峰值的減小，因而在孤網時可以適度增大KD。

2 水輪機調速器仿真分析模型

水電機組的原動機系統由水輪機和調速器組成，目前調速器廣泛使用的改進型并聯PID控制結構，調速器的液壓系統可簡化為一階慣性環節。如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 (a) PID控制器結構

圖1 (b) 調速器液壓系統

圖中fc為系統頻率給定，fi為機組的頻率，yPID為調節器輸出，Kp、KI、KD分別為調速器的PID參數，R為調差系數，y為調速器開度，Ty（單位s）為液壓系統時間常數。

整個調速器的傳遞函數表示為：

水輪機模型采用理想水輪機模型，傳遞函數為：

式中T（w單位s）為水輪機水錘效應時間常數。

考慮發電機模型后，整個水電機組采用如圖2所示的結構，構成一個較為完整的水電機組穩定分析模型。

圖2 水電機組模型

3 水輪機調速器參數優化方法

根據圖2中的水輪機組模型可以寫出該傳遞函數的閉環特征方程：

其中：

為進一步分析，將（3）改寫為如下形式：

其中：

設式（4）的四個極點分別為-σ±jω和λ1、λ2，其中λ1、λ2可以是2個實根，也可以是一對共軛復根。令主導極點為-σ±jω，則式（4）可化為：

當系統的特征方程主導極點實部為負數時，系統將保持穩定。因此可以通過對調速器參數進行重新整定以重新配置系統特征方程的主導極點。具體步驟如下：

式（5）特征方程的主導極點為-σ±jω時，它的阻尼比為：

令：

式（4）和式（5）的多項式各系數相等，則有：

進一步令：

則式（9）可以改寫為：

在選定阻尼比ξ和幅值ρ后，式（10）有4個方程和5個未知數。5個未知數分別為μ、ν、KI、KP和KD，并且考慮到在多機系統中KD過大會不利于系統穩定性，因而在參數整定中，直接將KD設為定值，那么在方程組（10）中就存在四個方程和四個未知數，可以利用牛頓法可以求出式（10）的解，從而得到整定后的KP和KI。

4 參數優化效果

以怒江電網為例，利用上述整定方法對怒江電網具有切換特性的水輪機調速器孤網參數進行整定，整定結果如下：

表1 孤網參數優化結果

可見，優化后的KP和KI參數上均有大幅度減小，而頻率響應的阻尼比大幅增大。當蘭坪~劍川220 kV線路故障后，蘭坪分支孤網，仿真結果如圖3所示。

圖3 孤網后頻率響應對比

從仿真結果可知，參數優化后，再利用調速器的切換特性：

1）可以提高弱電網在孤網情況下功率過剩（向主網送電）故障下頻率響應的最低峰值，降低功率缺額（從主網下網）故障下頻率響應的最高峰值，有利于孤網后的頻率穩定。

2）切換后的孤網參數一次調頻響應阻尼比更大，有利于抑制孤網的頻率振蕩。

5 結束語

本文利用主導極點法，實現弱電網水電機組調速器參數優化，利用調速器的切換特性，設置聯網、孤網不同調速器參數，既可以滿足聯網時的水電機組一次調頻動態響應特性，又可以提高孤網時系統阻尼比，改善頻率響應特性，提高了弱電網孤網后的頻率穩定水平。