电气传动

控制方法	调节时间/s	最大频率偏差/Hz	ITAE
串联校正	120	0.026	13.8
附加阻尼	80	0.014	6.10

控制方法	调节时间/s	最大频率偏差/Hz	ITAE
串联校正	120	0.026	13.8
附加阻尼	80	0.014	6.10

扰动类型	控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE
频率扰动	串联校正	1.22	208
附加阻尼	1.05	200
负荷扰动	串联校正	0.22	2 550
附加阻尼	0.19	2 500

扰动类型	控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE
频率扰动	串联校正	1.22	208
附加阻尼	1.05	200
负荷扰动	串联校正	0.22	2 550
附加阻尼	0.19	2 500

控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE	调节时间/s
串联校正	0.004	4.75	50
附加阻尼	0.002	0.48	25

控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE	调节时间/s
串联校正	0.004	4.75	50
附加阻尼	0.002	0.48	25

控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE	振荡次数
串联校正	0.22	341	3
附加阻尼	0.17	87.5	0.5

控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE	振荡次数
串联校正	0.22	341	3
附加阻尼	0.17	87.5	0.5

基于附加阻尼的水轮机调速系统优化控制研究

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刘志坚 ¹ , 自超 ¹ , 李鹏程 ² , 郭成 ¹ , 刘杰 ¹ , 黄伟 ³

电气传动 | 电气传动及其控制 2024,54(2): 3-11

收起

电气传动 | 电气传动及其控制 2024, 54(2): 3-11

基于附加阻尼的水轮机调速系统优化控制研究

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刘志坚¹, 自超¹, 李鹏程², 郭成¹, 刘杰¹, 黄伟³

作者信息

¹ 昆明理工大学电力工程学院，云南昆明 650500

² 云南电网公司电力科学研究院，云南昆明 650217

³ 云南电力调度控制中心，云南昆明 650011

刘志坚（1975—），男，博士，教授，Email：248400248@qq.com

通讯作者:

郭成（1978—），男，博士，教授级高工，Email：gc325@126com

Research on Optimizing Control of Hydraulic Turbine Governing System Based on Additional Damping

Zhijian LIU¹, Chao ZI¹, Pengcheng LI², Cheng GUO¹, Jie LIU¹, Wei HUANG³

Affiliations

¹ School of Electric Power Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，Yunnan，China

² Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming 650217，Yunnan，China

³ Yunnan Electric Power Dispatching and Controlling Center，Kunming 650011，Yunnan，China

出版时间: 2024-02-20 doi: 10.19457/j.1001-2095.dqcd24556

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摘要

收起

针对水轮机调速系统引发电力系统发生超低频振荡的问题，提出一种调速侧附加阻尼控制策略。首先，基于阻尼转矩法，分析得出水轮机调速系统产生的负阻尼是造成电力系统发生超低频振荡的主要原因；其次，推导调速系统的阻尼转矩系数表达式，证明该系数与水锤效应时间常数及调速器PID参数密切相关；然后，依托附加阻尼控制策略，在系统调速侧引入正阻尼补偿，并采用灰狼优化算法整定调速器PID参数，以进一步改善系统阻尼特性；最后，在Matlab/Simulink仿真平台搭建单机、四机两区域系统进行仿真验证，结果表明所提控制策略能够明显改善调速系统的阻尼特性，有效抑制超低频振荡。

关键词

超低频振荡 / 水轮机调速系统 / 附加阻尼控制 / 阻尼转矩法 / 参数整定

Abstract

收起

Aiming at ultra-low frequency oscillation in power system caused by hydraulic turbine governing system，an additional damping control strategy for governing side was developed. Firstly，according to the damping torque method，the negative damping generated by the hydraulic turbine governing system was regarded as the main reason for the ultra-low frequency oscillation of the power system. Secondly，the damping torque coefficient expression of the speed regulation system was derived，which proves that the coefficient is closely related to the time constant of water hammer effect and the PID parameters of the governor. Besides，based on the additional damping control strategy，the positive damping compensation was introduced in the speed control side of the system. The grey wolf optimization（GWO） algorithm was applied to optimize the PID parameters to further improve the damping characteristics of the system. Finally，simulation verification in a single-machine system and a four-machine two-area system was executed through Matlab/Simulink. The results illustrate that the proposed control strategy can significantly enhance the damping characteristics of the speed control system and effectively suppress ultra-low frequency oscillation.

Key words

ultra-low frequency oscillation / hydraulic turbine governing system / additional damping control / damping torque method / parameter tuning

引用本文

刘志坚, 自超, 李鹏程, 郭成, 刘杰, 黄伟. 基于附加阻尼的水轮机调速系统优化控制研究. 电气传动, 2024 , 54 (2) : 3 -11 . DOI: 10.19457/j.1001-2095.dqcd24556

Zhijian LIU, Chao ZI, Pengcheng LI, Cheng GUO, Jie LIU, Wei HUANG. Research on Optimizing Control of Hydraulic Turbine Governing System Based on Additional Damping[J]. Electric Drive, 2024 , 54 (2) : 3 -11 . DOI: 10.19457/j.1001-2095.dqcd24556

正文

收起

水力发电的高速发展以及电网网架拓扑结构的快速变化，使得电力系统的频率稳定问题愈发突出^[1]。在以高比例水电为主体的电力系统中，曾多次出现频率低于0.1 Hz的超低频振荡现象，例如在2016年云南电网和南方电网的异步并网实验过程中，曾检测到频率为0.05 Hz的超低频振荡^[2]。此外，国内天广直流、锦苏直流孤岛实验以及国外土耳其、哥伦比亚电网也曾发生类似事件^[3-6]。为此，针对含高比例水电的电力系统超低频振荡的发生机理及抑制策略开展研究具有重要意义。

目前针对超低频振荡问题，国内外的学者们进行了深入的研究。在振荡机理建模方面，文献[7]采用阻尼转矩法对系统发生超低频振荡的机理进行分析，通过Prony分析法进行了验证。文献[8]引入伯德图，以此来分析单机系统中超低频振荡机理，取得了较好的效果。文献[9]采用暂态能量流的方法分析超低频振荡机理和评估系统阻尼。在上述机理分析方法中，尤以阻尼转矩法应用最为广泛。

就超低频振荡的抑制策略研究而言，现阶段研究成果主要基于运行方式调整、调速系统参数优化以及附加控制技术引入三种主要思路设计。在运行方式调整方面，文献[10]指出调速系统负阻尼具有叠加效应，通过退出部分机组调速器，有助于消除系统的超低频振荡。在调速系统参数优化领域，文献[11]基于改进蜉蝣算法优化调速系统的PID参数，进而改善调速系统的阻尼特性并抑制超低频振荡。文献[12]采用灰狼优化（grey wolf optimization，GWO）算法针对调速器PID参数进行优化整定，并通过与多种算法进行对比的方式，验证了所提算法的有效性和优越性。在引入附加控制技术方面，文献[13]通过将附加阻尼控制策略引入新能源并网系统中，提高了系统抑制振荡的能力。文献[14-15]在调速器侧附加串联校正控制器，通过相位补偿，改善调速系统的阻尼特性，达到抑制超低频振荡的效果。以上文献多以单一控制优化方法进行研究，多思路下的复合控制效果有待进一步研究验证。

基于以上研究成果，本文提出一种调速侧附加阻尼控制策略，采用阻尼转矩法对Phillips-Heffron模型的调速系统阻尼特性进行分析，推导调速系统的阻尼转矩系数表达式，证明该系数与水锤效应时间常数和调速器PID参数密切相关。在此基础上，基于附加阻尼控制策略提升系统调速侧正阻尼，并采用GWO优化算法优化调速系统PID参数，以进一步改善系统阻尼特性与超低频振荡抑制性能。

1 水轮机调速系统建模与超低频振荡机理分析

收起

1.1 水轮机调速系统数学模型

水轮机调速系统主要由调节系统、液压系统和水轮机构成，对应系统结构如图1所示，图中

Δ ω

表示角速度增量，

Δ P m

表示机械功率增量。

图1中，调节系统和液压系统统称为调速器，目前在大型水轮机组中，主要基于并联PID架构实现。并联PID调节系统的传递函数为

（1）

G P I D (s) = K p + K i 1 s + K d s 1 + (K p + K i 1 s + K d s) B P

式中：K_p，K_i，K_d分别为调速器PID的参数；B_p为永态调差系数。

在实际水轮机中，液压系统的K_i1和K_d1一般取值为0，对应的液压系统的传递函数如下式：

（2）

G H S (s) = (1 + T s) K p 1 T o s 2 (1 + T s) + K p 1

式中：

K p 1

为液压系统的比例系数；

T o

为油动机的开启时间常数；

T s

为油动机行程反馈环节的时间常数。

在此基础上，水轮机调速器对应的传递函数可进一步表示为

（3）

G g o v (s) = G P I D (s) G H S (s)

目前，水轮机建模分析环节主要选用刚性水轮机模型，对应的水轮机传递函数为

（4）

G t u r (s) = 1 - T w s 1 + 0.5 T w s

式中：T_w为水锤效应时间常数，通常为0.5~4 s。

综上所述，水轮机调速系统的开环传递函数可以表述为

（5）

G m (s) = G g o v (s) G t u r (s)

1.2 水轮机调速系统阻尼特性分析

本文对含水轮机调速系统的Phillips-Heffron模型进行分析，模型结构图详见文献[7]。

基于发电机二阶模型，水轮机转子运动方程可表述为

（6）

T J s Δ ω = Δ P m - Δ P e - D Δ ω

其中

Δ ω = 1 ω 0 s Δ δ

式中：

T J

为惯性时间常数；

Δ P e

为原动机的电磁功率增量；D为阻尼系数；

ω 0

为基准角频率；

Δ δ

为功角的偏差值。

当系统的振荡频率为ω_d，角速度增量为

Δ ω

时，机械功率增量为

（7）

Δ P m = G m (s) (- Δ ω)

将s=jω_d代入式（7）可得：

（8）

- Δ P m = G m (j ω d) Δ ω = R e [G m (j ω d)] Δ ω + j I m [G m (j ω d)] Δ ω = R e [G m (j ω d)] Δ ω + ω d ω 0 I m [G m (j ω d)] Δ δ = K m d Δ ω + K m s Δ δ

式中：K_md为阻尼转矩系数；K_ms为电磁转矩系数。

忽略网损，原动机的电磁功率增量可直接等效为负荷的有功增量，则有

（9）

Δ P e = Δ P L = K L Δ ω

式中：

Δ P L

为负荷有功增量；K_L为负荷频率调节效应系数。

将式（8）、式（9）代入式（6）可得：

（10）

T J s 2 Δ δ + (K m d + K L + D) s Δ δ + ω 0 K m s Δ δ = 0

进而可推知，水轮机系统的阻尼比可表示为

（11）

ξ = K m d + K L + D 2 T J ω 0 K m s

调速系统为系统提供的阻尼特性取决于K_md参数取值，当K_md>0时，调速系统为系统提供正阻尼，当K_md<0时，调速系统提供负阻尼。对于常规负荷而言，K_L参数取值恒为正，对应发电机阻尼系数D亦恒大于0。

在此基础上，由式（11）可知当调速系统超低频段产生的负阻尼较大，使得K_md+K_L+D≤0时，系统呈现不稳定状态，易发生超低频振荡现象。特别是在水电高占比的电力系统，水轮机调速系统的负阻尼效应是造成电力系统发生超低频振荡的主要原因。

1.3 水轮机调速系统阻尼转矩系数求解与分析

当振荡频率为ω_d时，将s=jω_d代入式（5），所得表达式的实部即为水轮机调速系统阻尼转矩系数K_md的表达式。据此分析影响调速系统在超低频段的阻尼转矩系数K_md变化的主要因素。

基于图1所示的水轮机调速系统，参考云南典型水电站运行工况，设定调速系统参数K_p=5，K_i=3，K_d=0，B_p=0.05，K_p1=3，K_i1=K_d1=0，T_s=0.02，T_o=12，水锤效应时间常数T_w分别取1 s，2 s，3 s和4 s，分析水轮机调速系统不同的水锤效应时间常数对调速系统的阻尼转矩系数K_md的影响，具体如图2所示。

从图2可知，调速系统的阻尼转矩系数K_md的值在超低频段呈现负阻尼，且T_w的值越大，K_md值越小，负阻尼效应越严重。水电站的水锤效应是造成调速系统产生负阻尼的主要原因，且水锤效应时间常数越大，产生的负阻尼越大。

除水锤效应外，相关研究表明调速器PID的参数设置也会影响系统的稳定运行。为此，本文同时基于前文参数设置结果，在给定T_w=3 s前提下，分别选取如下三组不同的PID参数：K_p=3，K_i=1，K_d=1；K_p=6，K_i=2，K_d=1；K_p=10，K_i=3，K_d=2，以分析不同的PID参数对调速系统的阻尼转矩系数K_md的影响，统计结果如图3所示。

可见，不同的调速器PID参数设置对调速系统的阻尼转矩系数K_md的值影响较大，PID参数设置的不合理会加剧水轮机调速系统的负阻尼效应，进而引发电力系统发生超低频振荡现象。

综上所述，水轮机调速系统的水锤效应和调速器PID参数整定不合理是引发系统发生超低频振荡的主要原因。鉴于水锤效应时间常数与水电站建设环节密切相关，难以改变，故而有必要立足于调速器PID参数整定优化和加装附加控制器等方面，针对抑制电力系统超低频振荡的问题进行更深入研究。

2 调速系统的优化控制

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2.1 调速侧附加阻尼控制

本文提出一种基于相位补偿原理的调速侧附加阻尼控制策略，该策略通过增大调速系统正阻尼方式，以改善调速系统的阻尼特性。附加阻尼的传递函数如下式所示：

（12）

G 1 (s) = K s T 1 + s T (1 + s T 1 1 + s T 2) m

式中：K为增益；T，T₁，T₂为时间常数，一般控制器参数需要满足T₁>T₂>0；m为补偿环节级数。

sT/（1+sT）为高通滤波环节，可将直流分量隔离，使得阻尼控制仅在动态过程中发挥作用，保证附加控制后系统的稳定性；[（1+sT₁）/（1+sT₂）]^m为相位补偿环节，可调制阻尼控制环节在低频段处的相移，使得该环节为调速系统提供正阻尼，m根据补偿需求设置，一般取1~2。

在水轮机调速系统中引入附加阻尼控制，其系统控制模型如图4所示。

基于图1所示的水轮机调速系统，设置参数K_p=5，K_i=3，K_d=0，B_p=0.05，K_p1=3，K_i1=K_d1=0，T_s=0.02，T_o=12，T_w=3，附加阻尼控制器参数设置为K=0.8，T=1，T₁=3，T₂=2，m=2，以此来分析附加阻尼控制策略加入前、后，调速系统在超低频段的阻尼转矩系数的变化，并与文献[14-15]所采用的串联校正控制策略进行对比，串联校正策略即将控制器直接串联在调速器前，具体对比结果如图5所示。

由图5可知，无附加控制情况下，调速系统在超低频段处的阻尼转矩系数为负，产生较大的负阻尼，系统易发生超低频振荡。在采用文献[14-15]提出的串联校正附加阻尼控制策略后，相比于无附加控制系统，超低频段的调速系统负阻尼减小，系统超低频振荡发生得到了有效抑制。引入本文所提附加阻尼控制策略后，调速系统在超低频段、低频段的阻尼转矩系数均较其他工况组得到了明显提升，调速系统负阻尼得到有效削减，增强了电力系统对超低频振荡的抑制能力。

2.2 水轮机调速器PID参数整定

调速器PID参数整定与系统的稳定运行密切相关，且K_p，K_i，K_d三个参数耦合关系密切，人工整定PID参数存在困难且难以达到最佳控制效果。鉴于GWO算法通过模仿灰狼的狩猎和社会等级行为进行寻优，具有收敛快、求解精度高、稳定性强的特点^[12]，本文选用GWO算法来对水轮机调速器的PID参数进行整定。

为保证电力系统在不同的工况下均能表现出良好的调节能力，达到“稳、准、快”的控制效果，参数优化引入绝对误差乘以时间积分（integral of time-multiplied absolute value of error，ITAE）指标，即以ITAE最小化为优化目标，表达式如下：

（13）

J = ∫ 0 t s t | e (t) | d t

式中：t_s为仿真总时长；

e (t)

为频率（转速）偏差值。

式（13）所示的目标函数可以较好地反映系统的动态性能，同时兼顾系统响应速度以及控制精度两方面调控需求。在此基础上，调速系统PID参数优化模型如下式所示：

（14）

m i n J = ∫ 0 t s t e (t) d t s . t . K p m i n ≤ K p ≤ K p m a x K i m i n ≤ K i ≤ K i m a x K d m i n ≤ K d ≤ K d m a x

GWO算法优化流程如图6所示。

3 仿真分析

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3.1 单机系统仿真

本节基于Matlab/Simulink仿真平台搭建单机单负荷系统。系统包含一台装机容量为200 MV·A的水轮机组，具体参考云南典型水电站实际运行工况取定。水轮机调速系统初始参数设为K_p=3，K_i=0.865，K_d=0，B_p=0.05，K_p1=3，K_i1=K_d1=0，T_s=0.02，T_o=12，T_w=2.67。调速器PID参数整定过程中，K_p，K_i的范围设置为[0,10]，K_d的范围设置为[0,2]，算法最大迭代次数设为20。

设置仿真时间为200 s，在初始扰动下，系统出现超低频振荡现象，振荡波动幅值约为±0.025 Hz，振荡频率为0.09 Hz，不改变系统参数，在调速侧采用附加控制策略后，超低频振荡消失，系统的频率偏差曲线如图7所示，不同控制性能对比如表1所示。

据图7与表1分析可知，串联校正以及附加阻尼控制策略均能改善系统阻尼特性，有效抑制超低频振荡。串联校正策略介入后，系统最大频率偏差值为0.026 Hz，并在运行120 s后振荡消失，系统恢复稳定，全过程ITAE指标值为13.8。附加阻尼控制工况下，超低频振荡最大频率偏差值降至0.014 Hz，振荡消失时间提前至运行后80 s，全过程ITAE指标值下降7.7，附加阻尼控制工况下，系统超低频振荡抑制能力明显改善。

针对上述单机系统发生的超低频振荡现象，无附加控制的情况下，采用GWO算法对调速器PID参数进行整定，并与传统粒子群优化（particle swarm optimization，PSO）算法进行对比。优化过程中，粒子群数量和狼群数量均设为30。GWO算法参数优化结果为K_p=2.34，K_i=0.332，K_d=0，PSO算法参数优化结果为K_p=3.12，K_i=0.538，K_d=0。对应的调速器PID参数优化收敛过程及系统频率偏差统计结果分别如图8、图9所示。

上述结果表明，改善的运行参数有助于抑制系统超低频振荡现象。此外，图8结果同时显示了GWO算法收敛速度更快，较之于PSO算法迭代16次方才收敛的结果，GWO算法仅需要4次迭代即可实现参数收敛，且对应适应度取值更低，优化效果更好。

由图9可知，系统在初始扰动下，与PSO算法相比，系统在GWO算法整定参数下运行，频率的超调量更小，调节时间更短，系统稳定性更强。综上所述，单机系统中采用PSO算法和GWO算法对调速器PID参数进行整定，可以有效改善调速系统阻尼，抑制超低频振荡，仿真实验表明GWO算法的整定效果要优于PSO算法。

为探究附加控制在优化参数下的控制表现，针对GWO算法优化参数下的附加阻尼控制效果进行仿真实验。设置调速器PID参数为K_p=2.34，K_i=0.332，K_d=0，在最优参数下，系统在机组启动后分别设置10%的频率扰动、10%的负荷扰动，对分别采用串联校正和附加阻尼两种控制策略进行仿真，仿真的频率偏差如图10所示，控制性能对比如表2所示。

图10结果表明，向系统施加10%的频率扰动，较之于无附加控制工况，引入串联校正以及附加阻尼控制策略均能够有效降低系统频率偏差。如表2所示，同步引入串联校正策略后，系统的最大频率偏差降为1.22 Hz，振荡全过程ITAE指标值为208。而附加阻尼控制工况下，系统的最大频率偏差进一步降至1.05 Hz，全过程ITAE指标值亦降低至200。

向系统施加10%的负荷扰动后，随着串联校正策略的介入，系统对应最大频率偏差为0.22 Hz，全过程ITAE指标值为2 550。与之相对应的是附加阻尼控制工况下，系统的最大频率偏差进一步降至0.19 Hz，对应全过程ITAE指标值为2 500。可见，附加阻尼控制策略能够有效应对系统频率、负荷波动问题，对应系统的超调量更小，全过程ITAE指标更低，控制性能更为理想。

由此可知，通过优化调速器PID参数，并采用串联校正及附加阻尼控制，能进一步提升系统稳定性。结合图7所示结果可知，所提附加阻尼控制策略在PID参数整定前后，均能针对系统抑制超低频振荡问题，附加阻尼控制策略具有更强抑制能力。

基于上述分析可知，本文所提附加阻尼控制策略能够有效改善单机调速系统的阻尼特性，提升系统总阻尼。并通过优化调速器参数整定方式，进一步增强系统超低频振荡抑制能力。

3.2 四机两区域系统仿真

针对多机系统，本节在Matlab/Simulink中搭建四机两区域系统，该系统的拓扑图如图11所示。系统配置900 MV·A的4台水电机组，区域1向区域2输送有功功率为413 MW。4台水轮机参数设置相同，调速器系统初始参数为K_p=6.91，K_i=6，K_d=0，B_p=0.05，K_p1=3，K_i1=K_d1=0，T_s=0.02，T_o=12，T_w=2.67。4台机组的励磁系统均配置多频段电力系统稳定器（multi-band power system stabilizer，MB-PSS）。PID参数整定过程中，K_p，K_i的范围设置为[0,10]，K_d的范围设置为[0,2]，优化算法最大迭代次数设为20。

设置仿真时间为100 s，在初始扰动下，系统出现超低频振荡现象，振荡频率为0.08 Hz，4台机组均发生振荡，且振荡一致，频率偏差如图12a所示。如图12b所示，区域1传输到区域2的有功功率也发生了振荡，幅值在200~605 MW。不改变系统参数，在调速侧采用附加控制策略后，系统的阻尼特性得到改善，系统频率偏差变化曲线如图12c所示，系统在运行后，超低频振荡现象消失，频率偏差值为0，系统稳定运行。如图12d所示，区域1到区域2之间的传输有功功率振荡消失，传输有功功率保持在413.4 MW，两种附加控制性能对比如表3所示。

据图12c、图12d和表3分析可知，在多机系统中，串联校正以及附加阻尼控制策略均能提高系统正阻尼。串联校正策略介入后，系统的最大频率偏差为0.004 Hz，调节时间为50 s，全过程ITAE指标为4.75。附加阻尼工况下，系统最大频率偏差降为0.002 Hz，调节时间降为25 s，全过程ITAE指标降为0.48。串联校正以及附加阻尼控制策略均有效地抑制了超低频振荡，附加阻尼控制工况下，系统的稳定性更强。

针对多机系统发生的超低频振荡现象，在无附加控制的情况下，采用GWO算法对调速器PID参数进行整定，并与传统PSO算法进行对比，粒子群数量和狼群数量均设为30。GWO算法参数优化结果为K_p=4.51，K_i=3.12，K_d=0，PSO算法参数优化结果为K_p=5.11，K_i=3.26，K_d=0。两种优化算法下，系统参数迭代收敛过程如图13所示，对应系统运行的频率偏差如图14所示。

基于图13、图14结果可知，四机两区域系统中，采用优化算法对调速器PID参数整定后，超低频振荡现象消失，并在振荡开始30 s内恢复稳定运行，系统四台机组频率变化一致。此外，图13结果同时显示，GWO算法较之于传统PSO算法迭代次数明显下降，且对应优化结果适应度函数取值更低，优化结果更为理想。这一结果的出现与图14中GWO算法介入后，系统频率超调量以及调节时间指标进一步降低的结果相吻合，进一步验证了所提策略在提升系统稳定性方面的有效性。

进一步探究附加控制在GWO算法优化参数下的控制表现。设置调速器PID参数为K_p=4.51，K_i=3.12，K_d=0，在最优参数下，系统在节点7、节点9之间的传输线路上设置三相短路故障，分别对采用串联校正控制策略和附加阻尼控制策略两种情况进行仿真，仿真频率偏差曲线如图15所示，控制效果对比如表4所示。

据图15和表4进行分析，在GWO算法优化的参数下，无附加控制下系统以频率偏差值为0.045 Hz的方式运行。串联校正策略介入后，系统的最大频率偏差为0.22 Hz，全过程ITAE指标值为341，系统运行180 s后以频率偏差为0稳定运行。采用附加阻尼控制策略后，系统的频率偏差下降至0.17 Hz，全过程ITAE指标值下降为87.5，系统运行60 s后以频率偏差为0稳定运行。在优化参数下，串联校正和附加阻尼控制策略下系统的抗干扰能力增强，且附加阻尼控制策略下，系统的抗干扰能力更强。

综上所述，所提附加阻尼控制策略在多机系统中，亦可通过增加调速系统正阻尼的方式改善系统阻尼特性，进而有效抑制超低频振荡。此外，所提策略同时能够基于GWO算法优化调速器参数设置，进一步提升系统的抗干扰性能。

4 结论

收起

针对水轮机调速系统引发的超低频振荡问题，提出一种基于附加阻尼控制的抑制策略。所提策略在明晰系统超低频振荡诱发机理基础上，通过引入附加阻尼控制，以改善系统的阻尼特性。在此基础上，基于GWO算法优化调速器PID参数，以进一步增强系统超低频振荡抑制能力。文章所得结论概述如下：

1）调速系统产生的负阻尼效应是电力系统发生超低频振荡的主要原因，该效应与水轮机的水锤效应和调速器PID参数密切相关。

2）所提附加阻尼控制策略通过相位补偿的方法，可为调速系统提供正阻尼，改善系统阻尼特性。

3）在单机和多机系统中，附加阻尼控制策略可有效抑制超低频振荡，在此基础上，配合GWO算法对调速器PID参数进行整定，可以进一步提升系统的抗干扰能力，有利于电力系统的稳定运行。

基金

收起

中国南方电网科技项目(YNKJXM20191251)

参考文献

收起

文献

收起

参考文献引证文献

排序方式：

[1]

袁小威, 王金梅, 苗海东, 等. 基于LCC的高压直流输电换流站无功功率控制策略研究[J]. 电气传动, 2021, 51(13):14-19.

YUAN

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2024年第54卷第2期

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文章信息

doi: 10.19457/j.1001-2095.dqcd24556

接收时间：2022-08-15
首发时间：2026-01-13
出版时间：2024-02-20

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出版历史

收稿日期：2022-08-15
修回日期：2022-09-01

基金

中国南方电网科技项目(YNKJXM20191251)

作者信息

¹ 昆明理工大学电力工程学院，云南昆明 650500

² 云南电网公司电力科学研究院，云南昆明 650217

³ 云南电力调度控制中心，云南昆明 650011

通讯作者:

郭成（1978—），男，博士，教授级高工，Email：gc325@126com

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/dqcd/CN/10.19457/j.1001-2095.dqcd24556

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

控制方法	调节时间/s	最大频率偏差/Hz	ITAE
串联校正	120	0.026	13.8
附加阻尼	80	0.014	6.10

控制方法

调节时间/s

最大频率偏差/Hz

ITAE

串联校正

120

0.026

13.8

附加阻尼

0.014

6.10

扰动类型	控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE
频率扰动	串联校正	1.22	208
附加阻尼	1.05	200
负荷扰动	串联校正	0.22	2 550
附加阻尼	0.19	2 500

扰动类型

控制方法

最大频率偏差/Hz

ITAE

频率扰动

串联校正

1.22

208

附加阻尼

1.05

200

负荷扰动

串联校正

0.22

2 550

附加阻尼

0.19

2 500

控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE	调节时间/s
串联校正	0.004	4.75	50
附加阻尼	0.002	0.48	25

控制方法

最大频率偏差/Hz

ITAE

调节时间/s

串联校正

0.004

4.75

附加阻尼

0.002

0.48

控制方法	最大频率偏差/Hz	ITAE	振荡次数
串联校正	0.22	341	3
附加阻尼	0.17	87.5	0.5

控制方法

最大频率偏差/Hz

ITAE

振荡次数

串联校正

0.22

341

附加阻尼

0.17

87.5

0.5