水輪發(fā)電機(jī)組復(fù)合控制綜述

葛 君

(華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引言

目前，我國(guó)電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出“超高壓、大機(jī)組、多擾動(dòng)和大容量機(jī)組”的特點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)行中，電力系統(tǒng)的功率和負(fù)荷是一直都在變化的，因此，必須每時(shí)每刻調(diào)整發(fā)電機(jī)組各個(gè)動(dòng)力機(jī)組的功率和輸出動(dòng)力，使得動(dòng)力系統(tǒng)能夠達(dá)到靜態(tài)供需平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。

但是，電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化具有一定的隨機(jī)性，靜態(tài)供需的不平衡狀態(tài)必然會(huì)發(fā)生，電力系統(tǒng)也經(jīng)常會(huì)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的一個(gè)過(guò)程，在這個(gè)平衡的過(guò)程中，電能的頻率和輸出電壓均會(huì)發(fā)生周期性的波動(dòng)。動(dòng)態(tài)的過(guò)程中，頻率的偏差如果發(fā)生得過(guò)大，必然會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)和各動(dòng)力機(jī)組自身的穩(wěn)定和正常運(yùn)行，嚴(yán)重的話甚至有可能會(huì)造成整個(gè)電網(wǎng)的系統(tǒng)解列或者崩潰。所以，想要更好地維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，頻率控制在基本電壓的誤差內(nèi)，基本電壓的恒定就尤為重要。啟動(dòng)電壓如果高于家用電器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電壓要求，電氣設(shè)備就有可能會(huì)受到損壞；反之，若家用電氣設(shè)備超過(guò)或低于啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的電壓，電氣設(shè)備將不能正常啟動(dòng)和運(yùn)行。

因此，電網(wǎng)的電壓必須維持在啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)，電網(wǎng)才能夠平穩(wěn)正常地運(yùn)行。在這種情況下，采取適當(dāng)?shù)膹?fù)合控制手段無(wú)疑是一種可以保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定以及合理、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效方式。而控制水輪機(jī)組的調(diào)速器和水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器是調(diào)速發(fā)電廠中主機(jī)組十分重要的復(fù)合控制手段和設(shè)備，對(duì)于有效保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的運(yùn)行以及提高電能的質(zhì)量具有重要的意義和作用。因此需要對(duì)水輪機(jī)組的調(diào)速器和水輪發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁復(fù)合控制進(jìn)行深入的研究。

1 水輪機(jī)調(diào)速器的研究

水輪機(jī)調(diào)速器是保證水電廠機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要水輪發(fā)電設(shè)備之一，其直接影響著發(fā)電機(jī)組的安全與運(yùn)行的穩(wěn)定。關(guān)于運(yùn)用水輪機(jī)調(diào)速器可以改善我國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的觀點(diǎn)是盧強(qiáng)于1993年首先提出的[1]。第一個(gè)描述水電廠機(jī)組動(dòng)態(tài)的非線性水錘方程式發(fā)電機(jī)組是孫元章于1994年提出，他基于描述剛性水擊，導(dǎo)出了發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉開度與機(jī)械功率的微分方程、電磁力矩的微分方程、機(jī)組調(diào)速運(yùn)動(dòng)的微分方程一起組合構(gòu)成[2]。為了設(shè)計(jì)和研究第一個(gè)具有剛性水錘調(diào)速運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的非線性水輪方程式發(fā)電機(jī)組的非線性調(diào)速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，孫郁松于1999年提出一個(gè)采用非線性化理論的微分幾何非線性化理論的導(dǎo)葉設(shè)計(jì)[3]。2000年，又進(jìn)一步深入討論了這一設(shè)計(jì)問(wèn)題[4]。為導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)問(wèn)題考慮了基于剛性水擊的有功擾動(dòng)調(diào)節(jié)控制規(guī)律，劉翔在2001年提出導(dǎo)葉采用自抗擾控制的技術(shù)[5]，而孫郁松為導(dǎo)葉設(shè)計(jì)了具有干擾抑制功能的基于導(dǎo)葉非線性反饋控制的規(guī)律，采用了非線性控制H∞的技術(shù)和基于動(dòng)態(tài)微分幾何的反饋控制非線性化的方法[6]。2002年，為了設(shè)計(jì)適用于水輪機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)導(dǎo)葉附加H∞的控制(hgahc)，董清提取了有功擾動(dòng)控制信號(hào)作為水輪機(jī)控制器的一個(gè)微分輸入控制信號(hào)，采用的方法是一個(gè)動(dòng)態(tài)微分幾何積分器[7-8]。孫立民于2003年為導(dǎo)葉設(shè)計(jì)了基于導(dǎo)葉的非線性反饋控制的規(guī)律，運(yùn)用的方法是基于動(dòng)態(tài)微分幾何反饋線性化的方法[9]。2004年，盧強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了多機(jī)遠(yuǎn)距離電力系統(tǒng)調(diào)速器中的大型水輪機(jī)兩用調(diào)速器和分散魯棒的控制器，運(yùn)用了微分方程的幾何控制理論、非線性魯棒控制和動(dòng)態(tài)反饋控制理論[10]。2005年，發(fā)表了大型水輪發(fā)電機(jī)組兩用調(diào)速器的非線性最優(yōu)gnopss的技術(shù)研究論文，并特別指出對(duì)于進(jìn)一步提高水輪機(jī)遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性，利用大型水輪發(fā)電機(jī)組非線性最優(yōu)pss(gnopss)調(diào)速器控制運(yùn)動(dòng)規(guī)律的效果是顯著的，與水輪機(jī)和facts的調(diào)速器效果同樣是迭代疊加的，且性價(jià)比遠(yuǎn)超過(guò)facts的設(shè)備[11]。

盡管大型水輪發(fā)電機(jī)組與大型汽輪機(jī)調(diào)速器發(fā)電機(jī)組控制調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)特點(diǎn)各不相同，單從發(fā)電機(jī)的角度出發(fā)，他們的發(fā)電機(jī)組控制和調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)機(jī)理仍然是相似的，因此，水輪機(jī)和大型汽輪機(jī)兩用調(diào)速器的發(fā)電機(jī)組控制調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)和理論總是相互推動(dòng)、共同進(jìn)步的，在所有水輪機(jī)調(diào)速器控制調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)和理論中完全可以相互借鑒。大型汽輪機(jī)兩用調(diào)速器是提高遠(yuǎn)距離電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)研究成果，其中有許多，如連續(xù)魯棒控制[12]、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]、分散魯棒控制[14-15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的廣義逆控制[16]等。

2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的研究

2.1 線性單變量勵(lì)磁控制方法

古典的控制系統(tǒng)理論最初是專門利用傳遞函數(shù)對(duì)現(xiàn)代控制電力系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行分析和描述的，在20世紀(jì)50年代已經(jīng)發(fā)展成熟，研究的對(duì)象被稱為采用線性定常的單輸入-單輸出控制系統(tǒng)[17]。在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一種PID調(diào)節(jié)的方式，雖然已經(jīng)有了PID調(diào)節(jié)的方式，但是也不能完全有效地克服現(xiàn)代電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜問(wèn)題。

2.2 線性多變量勵(lì)磁控制方法

因?yàn)槟壳半娏ο到y(tǒng)的勵(lì)磁控制穩(wěn)定性和快速調(diào)節(jié)勵(lì)磁控制精度之間的矛盾用上述的方法并不能完全得到改善，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼會(huì)在快速勵(lì)磁控制方式的使用時(shí)增加導(dǎo)致一些電力系統(tǒng)在使用時(shí)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的低頻振蕩，因此采用線性多變勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制的方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用起來(lái)。

2.2.1 強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式

強(qiáng)力式勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)方式采用與電力系統(tǒng)功率振蕩有關(guān)的多個(gè)參量進(jìn)行功率振動(dòng)控制，電力系統(tǒng)的功率穩(wěn)定性基本上會(huì)在高頻得到大幅度的提高，低頻電力系統(tǒng)功率的振蕩也會(huì)在高頻得到大幅度的遏制，這是前蘇聯(lián)科學(xué)家在1985年正式提出的[18]。此控制方法在當(dāng)時(shí)已經(jīng)得到了很多科研人士的支持和關(guān)注，但是因?yàn)楫?dāng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的時(shí)候，參數(shù)進(jìn)行整定的過(guò)程有時(shí)比較復(fù)雜，控制的效果并不理想，所以沒有在世界上任何國(guó)家得到推廣應(yīng)用。

2.2.2 PID+PSS 勵(lì)磁控制方式

為了研究設(shè)計(jì)一種采用PID+PSS這種結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁輸入驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的方法，將勵(lì)磁系統(tǒng)的控制由單勵(lì)磁輸入驅(qū)動(dòng)控制的系統(tǒng)逐漸發(fā)展為雙輸入驅(qū)動(dòng)控制的系統(tǒng)，1969年demello提出了對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定器控制PSS(power system stabilizer)作為輔助勵(lì)磁系統(tǒng)的控制策略[19]。此種控制方法的特點(diǎn)是：PID驅(qū)動(dòng)控制的傳遞函數(shù)的極點(diǎn)向左發(fā)生移動(dòng)，并且基本上保留了對(duì)PID的穩(wěn)定器控制，電力系統(tǒng)的勵(lì)磁阻尼控制特性的穩(wěn)定性也得到了充分保證，這種勵(lì)磁控制方法至今仍在各國(guó)的電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在，PSS的控制功能基于先進(jìn)的控制方法和理論已經(jīng)得到了很大的提升，這些控制方法主要有:免疫控制算法[20]、魯棒快速控制輸出反饋[21]、智能雙輸入[22]、遺傳算法[23]等。

2.3 非線性多變量勵(lì)磁控制方法

上述勵(lì)磁控制的方法都可能是理想的，是按照近似的線性或者是非線性控制模型來(lái)說(shuō)的，但是由于電力系統(tǒng)比較復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)行中往往是非線性的、時(shí)變的以及大擾動(dòng)的，因此，線性化控制勵(lì)磁模型的方法會(huì)在預(yù)測(cè)電力系統(tǒng)可能受到大規(guī)模擾動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生較大偏差。而利用近代勵(lì)磁偏微分方程的幾何理論為其基礎(chǔ)發(fā)展得到的非線性的勵(lì)磁控制理論，可以大大提高電力系統(tǒng)在大勵(lì)磁干擾下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

在目前電力系統(tǒng)各種不確定性的擾動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)控制的幾種方法中，魯棒控制的每一種方法實(shí)際上都是行之有效的；而由于一個(gè)電力系統(tǒng)本身上就是一個(gè)復(fù)雜且具有不確定性的擾動(dòng)控制系統(tǒng)，所以這種魯棒控制系統(tǒng)方法就是一種有效的結(jié)構(gòu)性控制系統(tǒng)方法。

魯棒控制的主要目的之一就是為了保證電力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)性擾動(dòng)中一旦出現(xiàn)不確定因素時(shí)，效率能夠始終保持最優(yōu)。把系統(tǒng)的某些具有不確定性的因素和集合視為某種類型的結(jié)構(gòu)性擾動(dòng)的因素和集合，然后對(duì)這種結(jié)構(gòu)性擾動(dòng)的因素和集合分別給予適當(dāng)?shù)碾娏ο到y(tǒng)數(shù)學(xué)和物理性質(zhì)的描述，并將其集合作為電力系統(tǒng)某些需要受到約束的基本條件，和系統(tǒng)原有的電力系統(tǒng)以及某些需要受到約束的因素和條件一起，通過(guò)理論優(yōu)化，對(duì)結(jié)構(gòu)性問(wèn)題的規(guī)律和集合進(jìn)行了分析和求解，最終可以直接得到魯棒控制的理論和實(shí)踐規(guī)律。在此基礎(chǔ)上已經(jīng)出現(xiàn)了關(guān)于H∞增益系統(tǒng)控制[24]、l2增益系統(tǒng)控制[25]和μ綜合控制理論[26]等幾種魯棒控制的方式。魯棒控制的優(yōu)點(diǎn)仍然有許多，包括良好的系統(tǒng)抗干擾性、參數(shù)偏差小以及良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性；但它也有一些缺點(diǎn)，其具有很大的技術(shù)局限性，只能用于處理非結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)不確定性的問(wèn)題、權(quán)衡函數(shù)的選取困難等。

3 調(diào)速與勵(lì)磁復(fù)合控制器的研究發(fā)展

勵(lì)磁和汽輪機(jī)聯(lián)合調(diào)速的解耦和聯(lián)合控制器的設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于大型的汽輪機(jī)和火力發(fā)電機(jī)組，國(guó)內(nèi)外的專家和學(xué)者對(duì)其控制算法都進(jìn)行了大量的深入研究，如基于反饋線性化的非線性控制算法[27-28]、遞歸自校正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法[29]、自校正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法[30]、采用變結(jié)構(gòu)控制算法[31-32]、采用多指標(biāo)非線性解耦的汽輪機(jī)復(fù)合控制[33]、逆系統(tǒng)控制的方法[34]、多機(jī)解耦復(fù)合控制在大型電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中的分散控制[35]等。2001年，唐忠健博士成功開發(fā)和設(shè)計(jì)了大型發(fā)電機(jī)組中的一種附加勵(lì)磁與汽輪機(jī)聯(lián)合調(diào)速的解耦復(fù)合控制器[36]，而其主要研究和利用的復(fù)合控制理論基礎(chǔ)就是非線性解耦復(fù)合控制狀態(tài)下的PI解耦和汽輪機(jī)復(fù)合控制的解耦理論。

勵(lì)磁和轉(zhuǎn)漿葉調(diào)速的水輪轉(zhuǎn)漿葉控制系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在水輪轉(zhuǎn)漿式水力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁和控制轉(zhuǎn)漿葉方面的實(shí)際應(yīng)用和技術(shù)研究相對(duì)較少。1995年，m.djukanovic在低水頭勵(lì)磁和調(diào)速的轉(zhuǎn)漿式水輪調(diào)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的水輪轉(zhuǎn)漿葉復(fù)合控制中，采用自適應(yīng)線性化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)漿葉控制系統(tǒng)理論，設(shè)計(jì)了勵(lì)磁和調(diào)速(轉(zhuǎn)漿葉包括勵(lì)磁導(dǎo)葉和自動(dòng)調(diào)速的水輪轉(zhuǎn)漿葉)系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)漿葉控制器[37]，能有效地控制和改善系統(tǒng)的工作暫態(tài)和運(yùn)行穩(wěn)定性。1996年，趙聞飚利用了轉(zhuǎn)漿式水力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)線性化轉(zhuǎn)漿葉神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，采用H∞控制線性化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論，并成功設(shè)計(jì)了勵(lì)磁和轉(zhuǎn)漿葉調(diào)速的水輪轉(zhuǎn)漿葉復(fù)合控制[38]。1997年，miodrag等人，采用了模糊相適應(yīng)水輪機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論重新設(shè)計(jì)了勵(lì)磁和水輪機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)漿葉綜合協(xié)調(diào)的解耦控制器[39]。1999年，djordje等項(xiàng)目負(fù)責(zé)人重新設(shè)計(jì)了一種主要適用于低水頭調(diào)速轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁和水輪機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)漿葉控制器綜合的解耦控制器，可以有效地減少和抑制在大水力擾動(dòng)的條件下水輪發(fā)電機(jī)組的振蕩[40]。2000年，肖志懷采用多變量的頻率偏差控制的方法重新研究設(shè)計(jì)了勵(lì)磁和有功水輪機(jī)調(diào)速電壓綜合的控制器，他采用勵(lì)磁水輪機(jī)有功調(diào)速電壓的頻率增量和勵(lì)磁水輪機(jī)有功調(diào)速電壓之間的頻率偏差控制信號(hào)為基礎(chǔ)的解耦電路輸入頻率控制信號(hào)，進(jìn)行解耦電路和控制器的分析和設(shè)計(jì)[41]。2002年，陳遠(yuǎn)楚博士首先提出了采用相適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論協(xié)調(diào)控制的方法重新研究分析和設(shè)計(jì)了勵(lì)磁和水輪機(jī)有功調(diào)速的綜合協(xié)調(diào)控制的規(guī)律和存在的問(wèn)題[42]。2004年，m.j.jin基于微分方程和幾何的動(dòng)力學(xué)理論重新研究了勵(lì)磁和調(diào)速多機(jī)復(fù)合電力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行的過(guò)程中，水輪機(jī)調(diào)速器和勵(lì)磁的協(xié)調(diào)控制的規(guī)律[43]。目前相關(guān)技術(shù)研究的重點(diǎn)和主流方向是在控制算法和技術(shù)層次上的勵(lì)磁調(diào)速?gòu)?fù)合控制器的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

水力發(fā)電在不斷發(fā)展，但伴隨的就是遠(yuǎn)距離輸電，因此電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和電能質(zhì)量的穩(wěn)定就顯得十分重要。水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)合控制技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，但卻是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量的重要方式，也是該領(lǐng)域目前研究的熱點(diǎn)。對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的復(fù)合控制關(guān)鍵在于選取適合的控制方式，但目前來(lái)說(shuō)相關(guān)的理論和研究還不是很充分，開展相關(guān)的數(shù)學(xué)建模和理論研究以及仿真實(shí)驗(yàn)，將為水輪機(jī)組的復(fù)合控制提供科學(xué)的依據(jù)，在行業(yè)內(nèi)會(huì)有重要的影響。