PID控制在水電廠有功調(diào)節(jié)的應(yīng)用

周小成

摘要：本文主要討論了PID控制在自動發(fā)電控制（AGC）和水輪機調(diào)速器中的應(yīng)用，簡要分析了調(diào)速器死區(qū)產(chǎn)生的原因及影響，重點闡述了脈沖調(diào)節(jié)及PID控制在水電站有功調(diào)節(jié)的具體實現(xiàn)方式。并針對大容量機組的負(fù)荷調(diào)節(jié)死區(qū)產(chǎn)生的負(fù)荷偏差提出優(yōu)化解決方案，以及機組出力優(yōu)化前后的對比。

關(guān)鍵詞：PID控制;水電廠;調(diào)節(jié);應(yīng)用

引言

水電站在電網(wǎng)生產(chǎn)運行中發(fā)揮防洪灌溉、調(diào)峰調(diào)頻的重大作用，對全廠有功調(diào)節(jié)進行優(yōu)化以提高資源利用效率至關(guān)重要，然而由于水電廠功率調(diào)節(jié)速度快，出力能在短時間大幅度增減，容易給電網(wǎng)造成安全隱患。因此必須利用高效PID控制策略對各機組出力、負(fù)荷分配、運行方式、全廠功率等參數(shù)進行處理，合理進行流域梯級水庫和發(fā)電生產(chǎn)，盡量避免棄水現(xiàn)象的發(fā)生。

一、 PID 控制在水輪機調(diào)速器中的應(yīng)用及死區(qū)的影響

水輪機調(diào)速器是水電站核心控制設(shè)備之一，它與計算機監(jiān)控系統(tǒng)相配合，承擔(dān)著機組導(dǎo)葉開度、機組頻率、機組功率等控制任務(wù)，簡單的水輪機微機調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。PLC調(diào)節(jié)器經(jīng)過 PID運算輸出脈沖序列，經(jīng)過放大后作為開關(guān)閥的輸入信號，但是開關(guān)閥只有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)，輸出的流量是斷續(xù)的，這時需采用 PWM控制技術(shù)控制高速開關(guān)閥，讓其輸出連續(xù)的流量信號并進入接力器，從而控制接力器的位移，反饋信號則取自接力器位移，經(jīng)過 V/F 轉(zhuǎn)換成頻率信號再次輸入PLC，與運算值進行綜合比較，達到調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度的目的。

目前，國際和國內(nèi)的數(shù)字式調(diào)試器都是基于 PID或以 PID為基礎(chǔ)的適應(yīng)性變參數(shù)調(diào)整規(guī)律。由于水流貫性時間常數(shù)、水頭的變化、尾水的波動以及蝸殼中不均勻流場引起的脈動，水輪機微機調(diào)速器出現(xiàn)導(dǎo)葉開度調(diào)整不到位的情況，也就是導(dǎo)葉開度控制死區(qū)。死區(qū)如果過大，實質(zhì)就是理論和自動控制的失效，具體表現(xiàn)為機組頻率擺動過大，主配抽動劇烈，壓油泵啟動頻繁，管路振動，難于并網(wǎng)等。當(dāng)然死區(qū)也不是越小越好，過于精準(zhǔn)可能會使得主配壓閥非常靈敏，這對系統(tǒng)未必是好事。事實上，系統(tǒng)中如果存在一定的死區(qū)，在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，該死區(qū)會存在于整個調(diào)節(jié)過程中，使得導(dǎo)葉反饋曲線和給定曲線并不完全一致，且形成一個相對平緩的調(diào)節(jié)過渡過程，這對有效抑制機組慣性造成的頻率反饋滯后是非常有利的。

二、電網(wǎng)對水電機組PID功率調(diào)節(jié)的要求

電網(wǎng)對水電機組PID功率調(diào)節(jié)的要求：在機組功率調(diào)節(jié)過程中，保證安全、平滑、快速地將機組有、無功負(fù)荷調(diào)整到設(shè)定的目標(biāo)值;不出現(xiàn)超調(diào)與調(diào)節(jié)振蕩;能保證機組的各項參數(shù)在允許的功偏差值內(nèi)運行。安全是指在調(diào)節(jié)過程中機組的各項參數(shù)不能超出安全范圍;平滑是指調(diào)節(jié)時機組功率不要出現(xiàn)大的超調(diào);快速是指機組能較快地響應(yīng)功率設(shè)定，在調(diào)速系統(tǒng)安全允許的情況下，盡快的將實發(fā)值調(diào)節(jié)

至目標(biāo)值死區(qū)范圍內(nèi)。

三、PID功率調(diào)節(jié)程序的保護與閉鎖條件

PID調(diào)節(jié)算法本身可以計算出功率調(diào)節(jié)控制的脈寬，但并不能保證調(diào)節(jié)的安全，所以在調(diào)節(jié)程序算法的外圍設(shè)計了相應(yīng)的閉鎖和保護程序，保證調(diào)節(jié)的安全。保護和閉鎖是兩個不同的概念，程序的具體實現(xiàn)方法也不相同。功率調(diào)節(jié)閉鎖是指當(dāng)某項電氣量達到閉鎖限定值時，功率調(diào)節(jié)程序就將相應(yīng)的輸出閉鎖，禁止其輸出;調(diào)節(jié)程序繼續(xù)執(zhí)行，一旦閉鎖電氣量條件恢復(fù)到正常值時，調(diào)節(jié)程序就自動解除其相應(yīng)的輸出閉鎖，允許其輸出。而調(diào)節(jié)保護是指邊界條件達到保護限定值時，整個功率調(diào)節(jié)程序退出。

1.PID功率調(diào)節(jié)保護

（1）PID功率調(diào)節(jié)超時保護。超時保護是指在經(jīng)過長時間對機組有功或無功功率進行調(diào)節(jié)后仍未進人設(shè)定值范圍，說明PID調(diào)節(jié)程序某-環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，調(diào)節(jié)程序自動退出，需要運行人員進行千預(yù)處理。

（2）PID功率調(diào)節(jié)負(fù)荷差保護。負(fù)荷差保護是指PID調(diào)節(jié)程序下發(fā)一次調(diào)節(jié)脈沖前后功率差過大時，調(diào)節(jié)程序自動退出。調(diào)節(jié)程序需要滿足安全平滑的調(diào)節(jié)要求，因此正常的調(diào)節(jié)過程不應(yīng)出現(xiàn)功率突變的現(xiàn)象，一旦功率突變則說明PID調(diào)節(jié)某環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，應(yīng)將調(diào)節(jié)程序退出運行。

（3）PID功率調(diào)節(jié)頻率保護。頻率保護是指頻率高于一定限值時調(diào)節(jié)程序自動退出。正常情況下機組并網(wǎng)后其頻率應(yīng)相對穩(wěn)定，如果發(fā)生頻率過高說明機組可能已脫離電網(wǎng)或電網(wǎng)自身有重大事故，這時需將調(diào)節(jié)程序退出。

2.PID功率調(diào)節(jié)閉鎖

機組在并網(wǎng)運行中各電氣參數(shù)必須在規(guī)程規(guī)定的限定值內(nèi)運行，以保證機組的安全穩(wěn)定及經(jīng)濟運行。因此，在PID調(diào)節(jié)程序中設(shè)置了電氣量閉鎖，分述如下：

（1）定子電流上限閉鎖定子電流上限閉鎖，閉鎖有功、無功增調(diào)節(jié)。防止機組定子過流引起機組定子溫度過高。

（2）轉(zhuǎn)子電壓上、下限閉鎖轉(zhuǎn)子電壓上、下限閉鎖，閉鎖無功增、或調(diào)節(jié)。

（3）定子電壓上、下限閉鎖，定子電壓上、下限閉鎖，閉鎖無功增減調(diào)節(jié)。

在水電機組中，有的機組因水輪機效率特性運行中的機組振動與汽蝕水頭變化等因素的影響，要求水輪機的導(dǎo)葉開度在規(guī)定的邊界條件下運行，以保證水輪機的安全穩(wěn)定運行。因此，有些水電機組的PID調(diào)節(jié)程序還設(shè)置了導(dǎo)葉開度閉鎖用以閉鎖有功功率。

四、PID調(diào)節(jié)在電廠AGC中應(yīng)用

從水電機組快速開、停機，增減負(fù)荷的要求上看，優(yōu)先采用比例控制是非常合理和科學(xué)的。根據(jù)設(shè)定負(fù)荷和實際負(fù)荷的差值，通過監(jiān)控系統(tǒng)機組現(xiàn)地控制單元（LCU）的PID控制程序來進行閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。具體對PID控制器而言，

在脈沖寬度調(diào)制（PWM1）中，在固定循環(huán)周期（t_period）內(nèi)輸出與模擬值X成比例的可變持續(xù)時間的“1”信號，其輸出Y_POS（增脈沖）和Y_NEG（減脈沖）的脈沖長度T_on分別為：

使用比例控制，則有YI=0，YD=0。其中PID首次調(diào)節(jié)的參數(shù)分別為：

隨后將得到的增益值輸入到控制模塊中，并通過脈沖長度計算公式（2）或（3）得到脈沖輸出長度。

五、有功調(diào)節(jié)存在的問題及原因分析

由于死區(qū)的存在，全廠有功出力實發(fā)值存在無法達到調(diào)度下發(fā)設(shè)定值的情況，偏差可能較大，有功出力調(diào)節(jié)不夠精確。所以急需對監(jiān)控系統(tǒng)有功出力調(diào)節(jié)策略進行優(yōu)化，使全廠出力實發(fā)值達到調(diào)度下發(fā)的設(shè)定值。由于機組有功功率采用有功PID調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)，根據(jù)調(diào)度下達的全廠有功出力設(shè)定值，分配至各臺機組有功PID的調(diào)節(jié)變化量不確定。機組有功PID在小幅調(diào)節(jié)時的調(diào)節(jié)能力較差，造成機組有功出力實發(fā)值低于有功設(shè)定值的情況，從而導(dǎo)致全廠機組實際出力值低于設(shè)定值。當(dāng)機組有功PID調(diào)節(jié)到位后若有功實發(fā)值低于有功設(shè)定值，則多發(fā)一次增有功脈沖，使有功實發(fā)值達到有功設(shè)定值。同時，兼顧PID與一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)關(guān)系，僅在一次調(diào)頻未動作的情況下生效，避免干擾機組一次調(diào)頻正確動作。

結(jié)束語

在發(fā)電機組的AGC有功調(diào)節(jié)過程中，水輪機組在某些負(fù)荷區(qū)域運行時會產(chǎn)生較大振動，也就是通常說的振動區(qū)，個別機組的振動區(qū)甚至出現(xiàn)在機組的高效率區(qū)，而這會大大影響機組的安全穩(wěn)定和使用壽命。因此必須合理進行有功調(diào)節(jié)及分配，將機組的運行調(diào)整在合理的區(qū)間，避開機組的振動區(qū)域，使機組有良好的工況，更好的執(zhí)行電網(wǎng)的負(fù)荷需求。

參考文獻

[1]王定一，伍永剛.水電廠用計算機實現(xiàn)自動發(fā)電控制的經(jīng)濟效益[J].水力發(fā)電，1994（1）：17-49.