水輪機(jī)調(diào)速器改進(jìn)型控制結(jié)構(gòu)結(jié)合增量式PID算法的功率調(diào)節(jié)及一次調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)

劉國(guó)富，王曉瑜，金玉成（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）；

水輪機(jī)調(diào)速器改進(jìn)型控制結(jié)構(gòu)結(jié)合增量式PID算法的功率調(diào)節(jié)及一次調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)

劉國(guó)富，王曉瑜，金玉成
（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）；

針對(duì)現(xiàn)有調(diào)速器功率調(diào)節(jié)的參數(shù)通用性低，難以滿足不同工況下功率調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻要求的問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)型功率調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)，幵在此基礎(chǔ)上采用功率偏差增量式PID算法，建立了新的水輪機(jī)調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模型。電站投運(yùn)結(jié)果表明該方法參數(shù)調(diào)整方便，通用性強(qiáng)，能夠較好的滿足水力發(fā)電廠關(guān)于功率調(diào)節(jié)及功率模式下一次調(diào)頻的要求。

調(diào)速器；功率調(diào)節(jié)；改進(jìn)型功率控制結(jié)構(gòu)；增量式PID算法；一次調(diào)頻

0　引言

水輪機(jī)調(diào)速器多采用開(kāi)度調(diào)節(jié)模式或頻率調(diào)節(jié)模式，幵網(wǎng)運(yùn)行后機(jī)組功率調(diào)節(jié)功能由電廠AGC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)頻率超過(guò)一次調(diào)頻死區(qū)，調(diào)速器投入一次調(diào)頻功能時(shí)，調(diào)速器根據(jù)頻率變化調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度，此時(shí)機(jī)組實(shí)際功率與AGC目標(biāo)不一致，如處理不當(dāng)，AGC會(huì)反向調(diào)節(jié)，導(dǎo)致機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)不能滿足要求；而且在AGC進(jìn)行功率閉環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，功率偏差較大。基于以上原因，很多大型水力發(fā)電廠要求由AGC進(jìn)行負(fù)荷分配，由水輪機(jī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)功能。

由于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性等特性，現(xiàn)有的調(diào)速器功率調(diào)節(jié)控制難以滿足不同工況的調(diào)速器功率調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻的性能要求，本文在分析當(dāng)前調(diào)速器功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及算法的基礎(chǔ)上，提出一種改型功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，幵結(jié)合增量式PID算法，建立了新的水輪機(jī)調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模型，幵采用水輪機(jī)仿真系統(tǒng)對(duì)該方法進(jìn)行模擬測(cè)試，結(jié)果表明該控制方法參數(shù)調(diào)整方便、通用性強(qiáng)、能夠較好的滿足水力發(fā)電廠關(guān)于功率調(diào)節(jié)及一次調(diào)頻的要求。

1　調(diào)速器功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)算法及特性分析

調(diào)速器功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［1］。

1.1一次調(diào)頻特性分析

水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)自身負(fù)荷或頻率的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的特性對(duì)電網(wǎng)頻率的響應(yīng)稱為一次調(diào)頻。電網(wǎng)對(duì)水電機(jī)組一次調(diào)頻有如下要求：

（1）幵網(wǎng)發(fā)電機(jī)組均應(yīng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻。

（2）對(duì)于功率調(diào)節(jié)，水輪機(jī)系統(tǒng)中的調(diào)差率Ep為4%～6%（電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則（DL/T1040—2007）規(guī)定Ep≤3%）。

（3）頻率（轉(zhuǎn)速）死區(qū)Ef=±0.05Hz。

圖1　功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)框圖

（4）響應(yīng)特性即電網(wǎng)頻率變化超過(guò)一次調(diào)頻頻率死區(qū)時(shí)，機(jī)組應(yīng)在15s內(nèi)響應(yīng)機(jī)組目標(biāo)功率，在45s內(nèi)機(jī)組實(shí)際功率與目標(biāo)功率偏差的平均值應(yīng)在其額定功率的±3%內(nèi)，穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)小于1min 。

（5）負(fù)荷變化幅度限制：水電機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度應(yīng)該不加限制，一次調(diào)頻功能為必備功能，不得由運(yùn)行人員切除，不得在開(kāi)度限制工況下運(yùn)行。

對(duì)應(yīng)功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)框圖的調(diào)速器PID調(diào)節(jié)算法：

在功率調(diào)節(jié)模式下，由于微分系數(shù)對(duì)功率沒(méi)有調(diào)節(jié)作用，一般取0，YD=0，公式（1）簡(jiǎn)化為

以上公式中Yp為比例項(xiàng)，Kp為比例系數(shù)；YI為積分項(xiàng)；KI為積分系數(shù)；ΔI為積分增量；YD為微分項(xiàng)；Δf=fc-fg。

在大網(wǎng)功率模式下，輸入量fg為電網(wǎng)頻率，由于電網(wǎng)頻率的變化十分緩慢。當(dāng)Δf超過(guò)頻率死區(qū)投入一次調(diào)頻功能時(shí)，由于一次調(diào)頻對(duì)應(yīng)的頻率變化較小，Yp值改變不大，主要是YI改變使導(dǎo)葉移動(dòng)，當(dāng)ΔI=0時(shí)，導(dǎo)葉不再變化，機(jī)組功率穩(wěn)定在一個(gè)新的值。

從上面分析可以知道，影響一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間的參數(shù)為比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)KI，KI起主要作用。

功率給定值由AGC系統(tǒng)按照二次調(diào)頻功率分配機(jī)組負(fù)荷，在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)可考慮為恒量，根據(jù)公式（4）得出一次調(diào)頻動(dòng)作功率最終的變化值為：

1.2功率調(diào)節(jié)特性分析

調(diào)速器功率調(diào)節(jié)多采用兩段式調(diào)節(jié)規(guī)律（1），如圖2所示。當(dāng)調(diào)速器接收到的AGC功率給定值PC與當(dāng)前功率給定值PC1偏差的絕對(duì)值ΔP大于ΔP0（ΔP0約為0。5%～2%的機(jī)組額定功率）時(shí)，調(diào)速器以較快的變化率K1將功率給定從當(dāng)前PC1變化到PC±ΔP0；當(dāng)偏差絕對(duì)值ΔP小于ΔP0時(shí)，調(diào)速器以較慢的變化率K2將微機(jī)內(nèi)功率給定從當(dāng)前PC1變化到PC。

圖2　功率給定值兩段調(diào)節(jié)特性

根據(jù)功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖，在積分環(huán)節(jié)引用功率給定和機(jī)組功率等參數(shù)，把功率給定與機(jī)組功率的偏差轉(zhuǎn)化為開(kāi)度給定的變化ΔYC，比例系數(shù)Kp對(duì)調(diào)節(jié)功率沒(méi)有作用，影響功率調(diào)節(jié)性能的是功率給定的變化率K1、K2，為滿足一次調(diào)頻調(diào)節(jié)時(shí)間要求，必須增大積分系數(shù)KI和比例系數(shù)Kp，然后通過(guò)減小K2來(lái)抑制KI在調(diào)節(jié)功功率時(shí)的作用。參數(shù)K1和K2的調(diào)整必須考慮導(dǎo)葉開(kāi)度與機(jī)組功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。導(dǎo)葉開(kāi)度與機(jī)組功率間關(guān)系有以下特點(diǎn)［2］：

（1）機(jī)組有功功率變化滯后導(dǎo)葉開(kāi)度變化。對(duì)于引水系統(tǒng)較長(zhǎng)的機(jī)組，有功功率滯后時(shí)間可達(dá)1s。對(duì)于軸流轉(zhuǎn)漿或燈泡貫流式機(jī)組，由于漿葉開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)間比導(dǎo)葉長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)組有功功率變化嚴(yán)重滯后導(dǎo)葉開(kāi)度變化；

（2）由于導(dǎo)葉開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)間的限制，導(dǎo)葉開(kāi)度的變化滯后PID控制輸出；

（3）對(duì)于剛性引水系統(tǒng)，在導(dǎo)葉開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，由于水錘的作用，導(dǎo)致機(jī)組有功功率反向變化；

（4）在恒定水頭下機(jī)組有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度關(guān)系非線性。在空載開(kāi)度到某一開(kāi)度之間，機(jī)組功率變化較大，且隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加，機(jī)組功率的變化率增加；在此開(kāi)度到最大開(kāi)度之間，機(jī)組有功功率變化率較小，當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度超過(guò)最大開(kāi)度時(shí)，機(jī)組有功功率會(huì)變小。

（5）在不同的機(jī)組水頭下，同一導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)應(yīng)于機(jī)組的不同功率。

上述可知，功率與導(dǎo)葉開(kāi)度是非線性關(guān)系，K1、K2參數(shù)很難調(diào)整，且在不同的水頭，這種關(guān)系會(huì)發(fā)生改變，所以對(duì)于不同的水頭，僅由K1、K2實(shí)現(xiàn)對(duì)功率給定變化率的控制很難滿足功率調(diào)節(jié)性能要求，參數(shù)的通用性較差。

2　改進(jìn)型功率調(diào)節(jié)模式

功率調(diào)節(jié)模式主要應(yīng)用于機(jī)組大網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行，需滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求。根據(jù)功率調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)，對(duì)功率調(diào)節(jié)PID結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在比例項(xiàng)、積分項(xiàng)及微分項(xiàng)均針對(duì)功率給定值與實(shí)測(cè)值的變化進(jìn)行計(jì)算，直接對(duì)功率進(jìn)行控制，且可根據(jù)實(shí)際工況通過(guò)調(diào)整微分系數(shù)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)考慮功率調(diào)節(jié)模式一次調(diào)頻要求，在積分項(xiàng)中引入頻率的變化，得到改進(jìn)型功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。

圖3　改進(jìn)型功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)框圖

圖3中，Ep為調(diào)差率，P為比例項(xiàng)，I為積分項(xiàng)。

根據(jù)上述特點(diǎn)，在改進(jìn)型功率調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用增量式PID算法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）利于調(diào)節(jié)模式的跟蹤切換；

（2）由于PID增量的限制使PID的給定值不突變，使得控制輸出的變化減慢，解決導(dǎo)葉變化滯后PID控制輸出的問(wèn)題；

（3）增量式PID算法加速了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

同時(shí)，為了保證不同水頭下功率調(diào)節(jié)的性能，采用變參數(shù)結(jié)構(gòu)，在功率給定變化階段和穩(wěn)定階段減小比例系數(shù)和積分系數(shù)，保證改進(jìn)階段的功率調(diào)節(jié)過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)較大超調(diào)，在功率偏差較大時(shí)選用正常的控制參數(shù)，保證功率調(diào)節(jié)過(guò)程的快速跟蹤性和收斂性。

改進(jìn)型功率偏差增量PID算法：

上列公式中，ΔP（k）為當(dāng)前功率偏差，ΔP（k-1）為上次功率偏差，Δ f為頻率偏差，KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)。

3　運(yùn)行試驗(yàn)

在尼日利亞凱恩吉水電站調(diào)速器中我們采用了改進(jìn)的功率調(diào)節(jié)算法，幵對(duì)功率調(diào)節(jié)性能及一次調(diào)頻性能進(jìn)行了測(cè)試。

尼日利亞凱恩吉電站安裝了12臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組功率閉環(huán)由調(diào)速器功率調(diào)節(jié)模式實(shí)現(xiàn)。機(jī)組額定功率為125MW，導(dǎo)葉開(kāi)機(jī)時(shí)間10s，第一段關(guān)機(jī)時(shí)間6.9s，第二段關(guān)機(jī)時(shí)間11s，分段拐點(diǎn)為29.6%，漿葉開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)間均為30s，調(diào)速器Bp設(shè)為6%，一次調(diào)頻死區(qū)為0.05Hz。

3.1功率調(diào)節(jié)試驗(yàn)

調(diào)速器工作于功率調(diào)節(jié)模式，Kp=1.2，Ki=0.3，漿葉處于協(xié)聯(lián)狀態(tài)，把功率給定從10突變?yōu)?6MW，負(fù)荷調(diào)整曲線如圖4所示，從試驗(yàn)錄波圖分析，負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)間80s，實(shí)現(xiàn)了功率調(diào)節(jié)的快速跟蹤性和收斂性，滿足功率調(diào)節(jié)的性能要求。

圖4　功率調(diào)節(jié)負(fù)荷調(diào)整錄波曲線

3.2一次調(diào)頻試驗(yàn)

調(diào)速器工作于功率調(diào)節(jié)模式，漿葉處于協(xié)聯(lián)狀態(tài)，機(jī)組帶60MW負(fù)荷，通過(guò)測(cè)試儀一次調(diào)頻試驗(yàn)功能，機(jī)組頻率階躍變化0.2Hz，根據(jù)理論計(jì)算機(jī)組功率變化值

圖5為一次調(diào)頻試驗(yàn)錄波曲線，從試驗(yàn)錄波圖看出，從頻率變化開(kāi)始到機(jī)組有功功率開(kāi)始響應(yīng)時(shí)間為10s，到機(jī)組功率穩(wěn)定時(shí)間為30s，滿足一次調(diào)頻的響應(yīng)速度要求。

圖5　一次調(diào)頻試驗(yàn)錄波曲線

4　結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)證明，改進(jìn)型的功率調(diào)節(jié)結(jié)合增量式PID算法，以機(jī)組功率為控制對(duì)象，程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，變參數(shù)結(jié)構(gòu)減小了負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)水錘的影響，負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)速度快，性能指標(biāo)滿足電站功率調(diào)節(jié)和一次調(diào)頻要求。

［1］魏守平， 王雅軍， 羅萍. 數(shù)字式電液調(diào)速器的功率調(diào)節(jié)［J］. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)， 2003（4）.

［2］魏守平. 現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)［M］. 武漢： 華中科技大學(xué)出版社， 2002.

劉國(guó)富（1968-），1992年畢業(yè)于華中科技大學(xué)電力工程系，本科，長(zhǎng)期從事水輪機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)與研究，工程師。

審稿人：樸秀日

The Realization of Improved Power Regulation Control Structure and The Frequency Primary Regulation for Hydraulic Turbine Governor

LIU GuoFu， WHANG Xiaoyu， JIN Yucheng
（Harbin electric machinery company limited， Harbin 150040， China）

For the existing governor power regulation parameters have low generalities and cannot meet the requirements of the power regulation and the frequency primary regulation under the different work condition， the article proposes a improved power regulation control structure， and adopts the power offset increment PID algorithm to build a new typeturbine governor power regulation model. According to running result of the power station which adopts the improved control structure， the governor parameters have high generalities and are easy to adjust， and can meet the requirements of the power regulation and the frequency primary regulation under the different condition.

governor； power regulation； improved power regulation control structure； increment PID algorithm； frequency primary regulation

TK730.4+1

A

1000-3983（2016）04-0061-04

2015-06-19