自抗擾控制器應(yīng)用于水輪機調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析

要亞斌,王利杰,邵麗娜

(1. 河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊　050031；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊　050021)

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自抗擾控制器應(yīng)用于水輪機調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析

要亞斌1,王利杰2,邵麗娜1

(1. 河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊050031；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021)

摘要：針對水輪機調(diào)速系統(tǒng)的特點，提出在水輪機調(diào)速系統(tǒng)中引入自抗擾控制的策略。介紹水輪機調(diào)速系統(tǒng)的原理，分析自抗擾控制器的特點，搭建帶自抗擾控制器的仿真模型，將傳統(tǒng)PID仿真結(jié)果與帶自抗擾控制器的仿真結(jié)果進(jìn)行比對，結(jié)果表明自抗擾控制器能有效改善水輪機系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并具有工程實際價值。

關(guān)鍵詞：自抗擾控制器；水輪機；調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)速器；仿真

0引言

水力發(fā)電過程控制分為3個層次[1]：設(shè)備層級控制、電廠層級控制、電網(wǎng)層級控制。設(shè)備層級控制雖處于整個水力發(fā)電過程控制系統(tǒng)的最底層控制，而水輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)又位于機組層級控制的最高端。因此，水輪機調(diào)速器作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制器，其控制性能就顯得尤為重要和關(guān)鍵[2]。

自抗擾控制器(ADRC)自PID控制器演變過來，采取了PID誤差反饋控制的核心理念。傳統(tǒng)PID采用設(shè)定值與系統(tǒng)輸出的誤差作為其輸入信號，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的快速性和超調(diào)行之間出現(xiàn)矛盾。于是自抗擾控制器吸取了現(xiàn)代控制理論成就，發(fā)揚了PID控制技術(shù)的精髓，是不依賴于被控對象精確模型的、能夠替代PID控制技術(shù)的、新型實用數(shù)學(xué)控制技術(shù)[3]。自抗擾控制器可以通過特殊環(huán)節(jié)獲得系統(tǒng)未知擾動和不確定量的估計值，并將估計量反饋到控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)線性化，該理論思想獨特，方法簡單，不需要系統(tǒng)的精確模型，特別適合具有非線性和時變特性的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1水輪機調(diào)速系統(tǒng)原理

水輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理見圖1。

水輪機發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部分可描述為繞固定軸旋轉(zhuǎn)的剛體運動，其運動方程為[3]：

(1)

圖1　水輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

則可得出：Mt=Mg

由此可以看出，水輪機主動力矩等于發(fā)電機阻力矩是維持水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速或頻率恒定的必要條件。為了滿足這個條件，水輪機主動力矩必須跟隨發(fā)電機阻力矩變化而變化，這樣才能保證機組轉(zhuǎn)速或者頻率恒定不變。

水輪機的主動力矩由水流作用于轉(zhuǎn)輪葉片而產(chǎn)生，水輪機的主動力矩可有公式(2)表示：

(2)

式中：P為機組出力，r為水的容量，Q為水輪機的流量，H為水輪機工作水頭，η為水輪機效率。

由此可知，調(diào)節(jié)水輪機的流量可以改變水輪機的主動力矩，而水輪機的流量可以通過改變導(dǎo)葉開度或噴針開度來實現(xiàn)，這種方法較其他方法簡單，易實現(xiàn)。因此當(dāng)發(fā)電機負(fù)荷發(fā)生變化時，通過調(diào)整水輪機開度改變主動力矩的大小，使其與負(fù)載主力矩相平衡，以維持機組的轉(zhuǎn)速或頻率恒定[4]。

2自抗擾控制器的特點

自抗擾控制器主要由三部分組成：微分跟蹤器TD(tracking differentiator)，擴展?fàn)顟B(tài)觀測器ESO(extended state observer)和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律NLSEF(nonlinear state error feedback law)。

微分跟蹤器的作用是安排過渡過程，給出合理的控制信號，解決了響應(yīng)速度與超調(diào)性之間的矛盾。擴展?fàn)顟B(tài)觀測器用來解決模型未知部分和外部未知擾動綜合對控制對象的影響。雖然叫做擴展?fàn)顟B(tài)觀測器，但與普通的狀態(tài)觀測器不同。擴展?fàn)顟B(tài)觀測器設(shè)計了一個擴展的狀態(tài)量來跟蹤模型未知部分和外部未知擾動的影響。然后給出控制量補償這些擾動。將控制對象變?yōu)槠胀ǖ姆e分串聯(lián)型控制對象。設(shè)計擴展?fàn)顟B(tài)觀測器的目的就是觀測擴展出來的狀態(tài)變量，用來估計未知擾動和控制對象未建模部分，實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的反饋線性化，將控制對象變?yōu)榉e分串聯(lián)型。非線性誤差反饋控制律給出被控對象的控制策略。

自抗擾控制器可以通過特殊環(huán)節(jié)獲得系統(tǒng)未知擾動和不確定量的估計值，并將估計量反饋到控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)線性化，該理論思想獨特，方法簡單，不需要系統(tǒng)的精確模型，特別適合具有非線性和時變特性的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

根據(jù)水輪機模型，搭建的自抗擾控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　自抗擾控制器結(jié)構(gòu)

3基于自抗擾控制器的水輪機模型仿真

3.1常規(guī)PID控制

在MATLAB中建立仿真模型。

經(jīng)過簡化的具有PID調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)速器的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將對象變?yōu)榫€性傳遞函數(shù)，忽略某些小時間參數(shù)，再進(jìn)行仿真。式中重要參數(shù)為：Ty=0.1，Tw=1，en=8，Ta=1，Kp=1.5，KI=1，KD=0。仿真結(jié)果如圖3所示。

考慮到現(xiàn)場被控對象參數(shù)可能測定不準(zhǔn)確，所以設(shè)定Tw=1.1，en=8.5時，進(jìn)行二次仿真，該控制器控制效果見圖4。

由仿真結(jié)果可知，采用常規(guī)PID控制器已經(jīng)可以達(dá)到比較好的效果，響應(yīng)速度快，即使被控對象發(fā)生變化，也能有較好的調(diào)節(jié)效果，即有較強的魯棒性，調(diào)節(jié)時間快，只是超調(diào)較大。

(a) 　頻率給定擾動階躍響應(yīng)

(b) 　功率擾動階躍響應(yīng)

(a)　被控對象參數(shù)變化后頻率給定擾動階躍響應(yīng)

(b)　被控對象參數(shù)變化后功率擾動階躍響應(yīng)

3.2自抗擾控制

根據(jù)水輪機模型，搭建的帶自抗擾控制器的仿真模型如圖5所示。

重要參數(shù)為：Ty=0.1，Tw=1，en=8，Ta=1，bet1=18，bet2=10，bet3=3，bet1(1)=0.8，bet1(2)=0.8。仿真結(jié)果如圖6所示。

考慮到現(xiàn)場被控對象參數(shù)可能測定不準(zhǔn)確，所以設(shè)定Tw=1.3，en=10時，進(jìn)行二次仿真，該控制器控制效果見圖7。

圖5　帶自抗擾控制器仿真模型

(a)　帶自抗擾控制器頻率給定階躍響應(yīng)

(b)　帶自抗擾控制器功率擾動階躍響應(yīng)

PID和自抗擾數(shù)據(jù)比較分析結(jié)果見表1。

將表1結(jié)果和常規(guī)PID相比，超調(diào)降低，反調(diào)減小，雖然犧牲了少許的調(diào)節(jié)時間，但是總體調(diào)節(jié)質(zhì)量得到了大幅度地提高，證明了自抗擾調(diào)節(jié)器的先進(jìn)性，可以解決PID調(diào)節(jié)器關(guān)于信號處理上的缺陷問題，使控制達(dá)到更好的效果。

表1PID和自抗擾數(shù)據(jù)比較分析結(jié)果

項目超調(diào)量/%調(diào)節(jié)時間/s反調(diào)量/sPID403020自抗擾20708

(a)　被控對象參數(shù)變化后帶自抗擾控制器頻率給定階躍響應(yīng)

(b)　被控對象參數(shù)變化后帶自抗擾控制器功率擾動階躍響應(yīng)

4結(jié)束語

水輪發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)是一個典型的非最小相位系統(tǒng)，且電網(wǎng)負(fù)荷的變化會給水輪機調(diào)速系統(tǒng)帶來較大的擾動，從而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，使用常規(guī)PID控制方式難以保證良好的控制效果。將自抗擾控制引入水輪機調(diào)速系統(tǒng)的控制，可有效抑制系統(tǒng)的超調(diào)、減小負(fù)調(diào)并縮短調(diào)節(jié)時間，仿真結(jié)果表明：在系統(tǒng)工況發(fā)生變化時，控制效果仍然很好，具有較強的魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭源，陳德新．水輪機[M]．北京：水力水電出版社，2001.

[2]潘峰，李天智．三峽左岸電站水輪機調(diào)速器的特點和運行分析[J]．水力自動化與大壩監(jiān)測，2007，31(2):33-35.

[3]韓京清. 自抗擾控制技術(shù)[J].前沿科學(xué),2007,1(1)：24-31.

[4]張翼，邱曉燕. 水輪機調(diào)速器的模糊自適應(yīng)PID控制[J]，大視野，2008, 1(9)：118-119.

本文責(zé)任編輯：楊秀敏

Simulation Analysis on Active Disturbance Rejection Controller Applies inHydraulic Turbine Generator System

Yao Yabin1,Wang Lijie2,Shao Lina1

(1.Hebei Electric Power Design and Research Institute,Shijiazhuang 050031,China; 2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:The method of introducing active disturbance rejection control (ADRC) into hydro turbine speed governing system is proposed to cater for the governing characteristics of hydro turbine.It illustrates the theory of hydro turbine governing system, analyzes the features of ADRC,and builds simulation model with ADRC.Comparing with conventional PID simulation result,it shows that ADRC can improve the control quality of hydro turbine system effectively and is worthy of putting into practice in projects.

Key words:ADRC,hydro turbine,speed governing system,speed governor,simulation

收稿日期：2016-02-24

作者簡介：要亞斌(1979-)，男，高級工程師，主要從事電廠熱控自動化專業(yè)設(shè)計研究工作。

中圖分類號：TK730.17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)03-0053-04