(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210890283.6 (22)申请日 2022.07.27 (71)申请人 南京邮电大 学 地址 210023 江苏省南京市栖霞区亚 东新 城文苑路9号 (72)发明人 戴剑丰　万磊　周霞　解相朋　 (74)专利代理 机构 南京正联知识产权代理有限 公司 32243 专利代理师 张玉红 (51)Int.Cl. H02J 3/38(2006.01) H02J 3/24(2006.01) G06F 30/20(2020.01) G06N 3/00(2006.01) G06N 3/12(2006.01)G06F 113/04(2020.01) G06F 113/06(2020.01) G06F 111/06(2020.01) (54)发明名称 一种风电参与调频的PID调速器参数优化方 法 (57)摘要 本发明公开了一种风电参与调频的PID调速 器参数优化方法， 采用小信号分析法构建风电参 与调频的频率响应模型； 然后采用描述函数法对 风电和水电死区等非线性环节线性化， 构建含调 速器死区的风电参与调频频率模 型， 并根据等效 变换规则对模型进行等效化简； 再次， 根据频率 响应模型中主要参数对 频率稳定性的影 响， 构建 一次调频性能指标和系统阻尼指标， 建立多目标 优化模型； 最后采用智能优化算法搜索更新PID 调速器参数， 给出考虑死区的风电参与调频对超 低频振荡的抑制方法， 可以更有效地缩短调节时 间和抑制超低频振荡。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115085275 A 2022.09.20 CN 115085275 A 1.一种风电参与调频的PID调速器参数优化方法， 其特征在于， 所述方法包括如下步 骤： 步骤1： 采用小信号分析法构建风电参与调频的频率响应模型， 选取虚拟惯量控制策 略、 超速控制策略和桨距角控制策略， 分析风电调频对 超低频振荡的影响； 步骤2： 采用描述函数法对风电和水电死区等非线性环节线性化， 构建含调速器死区的 风电参与调频 频率模型， 并根据等效变换规则， 通过移动比较点， 对 模型进行等效化简； 步骤3： 根据步骤2所述模型中参数对频率稳定性的影响， 构建一次调频性能指标A(K) 和系统阻尼指标B(K)， 建立多目标优化模型C(K)＝a  A(K)+b B(K)； 步骤4： 采用智能优化算法搜索 更新由比例系数KP、 积分系数KI、 微分系数KD并联组成的 PID调速器参数， 给 出考虑死区的风电参与调频对 超低频振荡的抑制方法。 2.根据权利要求1所述的一种风电参与调频的PID调速器参数优化方法， 其特征在于： 所述步骤1中， 首先分析在电网实际运行中， 以火电机组和水电机组为典型的原动系统， 建 立传统机组频率响应模型， 以及水轮机、 汽轮机和发电机的传递 函数： 式中： Ght和Gst分别为水轮机和汽轮机的传递函数， Ghgov和Gsgov为其对应PID调速器的传 递函数； Δω为发电机转速变化量， Δ μ为导叶开度变化量； TW为水流惯性 时间常数， Bp为调 差系数， KP、 KI、 KD分别为调速器比例、 积分、 微分系数； FHP为高压缸稳态输出功率占汽轮机总 输出功率的百分比， TRH为中间再热蒸汽容积效应时间常数， TCH为主进气容积效应时间常 数； TG为伺服系统时间常数， R为调速器一次调频下垂系统； TJ为发电机的转动惯量， ΔPm为 机械功率变化 量， ΔPe为电磁功率变化 量， D为发电机阻尼系数； d为偏导数， s为 微分算子； 然后分析由于水电机组的水锤效应及PID调速器参数设置不合理， 而导致系统相位滞 后和阻尼恶化， 从而在高比例水电机组中出现的超低频振荡现象， 并在传统机组频率响应 模型的基础上， 考虑风电参与调 频， 采用小信号分析法构建风电参与调 频系统频率响应模 型， 风电的机 械功率变化 通过风力机模型表示： 式中， ρ 为空气密度， CP为风能捕获效率系数， λ为叶尖速比， β 为桨距角， A为桨叶风能捕 获面积， v为 风速； 并选取虚拟惯量控制、 超速控制和桨距角控制策略， 分析风电参与调频对超低频频率权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115085275 A 2振荡的影响。 3.根据权利要求1所述的一种风电参与调频的PID调速器参数优化方法， 其特征在于： 所述步骤2中， 通过分析一次调频死区特性， 选取普通型死区对死区的输入输出进 行数学建 模： 式中： x为死区的输入， 即系统的频率偏差值Δf， y为死区的输出， a为死区的临界阈值； 在原有系统模型的基础上， 分别考虑水轮机及其调速器、 风电调频模块对应的死区环 节， 建立含调速器死区系统频率模型； 鉴于超低频振荡的特征， 及所有发电机同调， 不存在局部和区域间振荡， 将所有发电机 等值为一台惯性中心的机组， 并根据等效变换规则， 将水电和风电死区进 行等效， 通过移动 比较点， 系统表示 为具有线性和非线性两 部的简化系统频率分析模型； 采用函数描述法对非线性的死区环节进行线性化， 系统的开环部分为非线性环节N(A) 和线性环 节G(s)的串联， 则系统的闭环频率特性 为： 特征方程为： 1+N(A)G(jω)＝0                          (7) 则： G(jω)＝﹣ 1/N(A)                          (8) 通过复平面上G(jω)曲线和 ‑1/N(A)曲线， 即负倒特性之间的相对位置来分析系统稳 定性， 进而分析死区对系统频率稳定性的影响。 4.根据权利要求3所述的一种风电参与调频的PID调速器参数优化方法， 其特征在于： 分析死区对系统频率稳定性的影响， 包 含以下两种情况： 1)不考虑死区的系统是稳定 的， 根据Nyquist稳定判据， 若线性系统稳定， 则G(jω)曲 线不包围点( ‑1， 0)， 则‑1/N(A)曲线始终处于G(jω)曲线的左侧， 不被G(jω)曲线包围， 则 考虑死区的非线性系统也是 稳定的； 2)不考虑死区的系统是不稳定的， G(jω)曲线包围点( ‑1， 0)， 与‑1/N(A)曲线出现一个 交点， 设交点处对应振幅为Alim， 其系统动态行为出现2种情况： a)若初始振幅A＜Alim， 则工 作点位于交点左边， 不被G(jω)曲线包围， 系统稳定， 振荡衰减使得A减小， 工作点左移， 直 至振荡平息趋于稳定； b)若初始振幅A＞Alim， 则工作点位于交点右边， 被G(jω)曲线包围， 系统不稳定， 振荡发散使得A增大， 工作点右 移， 振荡持续发散 。 5.根据权利要求1所述的一种风电参与调频的PID调速器参数优化方法， 其特征在于： 步骤3中， 根据含死区系统简化频率模 型， 分别在虚拟惯 量控制、 超速控制、 桨距角控制策略 下， 分析不同参数对系统频率稳定性的影响， 其中包括： ①风电不参与调频时， 不同风电占 比对系统频率响应部分阻尼转矩系数的影响以及风电参与调频时， 不同风电占比对系统频 率响应部分阻尼转矩系数的影响； ②不同水锤时间常数TW对风电和水轮机 阻尼特性的影 响；③风电参与调 频前后系统根轨迹的变化； ④风电参与调 频后不同风电占比系统根轨迹 的变化；⑤不同PID调速器参数， 即比例系数KP、 积分系数KI、 微分系数KD对系统频率振荡的权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115085275 A 3