時間最優(yōu)PID控制算法在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

殷召生

(南京佰思智能科技有限公司,江蘇 南京 210012)

0 引言

在水力發(fā)電廠生產(chǎn)運行中,電網(wǎng)對水電機組發(fā)電功率的質(zhì)量要求越來越高,有功和無功的調(diào)節(jié)既要快速又要穩(wěn)定。然而,水力發(fā)電是一個復(fù)雜的過程,水頭、導(dǎo)葉開度、調(diào)速器性能、勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈敏度等都直接影響著水輪機組的負荷輸出。因此水力發(fā)電機組功率調(diào)節(jié)進行研究具有重要的意義。

在水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中,需要在監(jiān)控系統(tǒng)的LCU部署PID控制功能模塊。此功能模塊實時運算,運算結(jié)果通過繼電器輸出脈沖令。此脈沖令輸出至調(diào)速器及勵磁裝置,這些裝置再對水輪機組進行控制,實現(xiàn)了機組的功率調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)的 PID 控制方法有其局限性,只有在系統(tǒng)模型參數(shù)為非時變且線性的情況下才能獲得理想的效果。當傳統(tǒng)算法應(yīng)用到水電廠功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)時,系統(tǒng)的性能會變差,甚至不穩(wěn)定。為確保水輪發(fā)電機組功率調(diào)節(jié)的迅速、穩(wěn)定及良好的控制特性,總結(jié)多個現(xiàn)場的功率調(diào)節(jié)經(jīng)驗,筆者提出在水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)中采用時間最優(yōu)控制(也稱Bang-Bang控制)和帶死區(qū)的數(shù)字PID控制相結(jié)合的分段控制算法[1]。

1 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)方式簡述

目前,國內(nèi)的水電廠基本都配備了計算機監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)的主要作用是對機組的運行監(jiān)視和控制,其中功率調(diào)節(jié)是計算機系統(tǒng)的一個重要功能。計算機監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率有兩種方式:一種方式是監(jiān)控系統(tǒng)給調(diào)速器一個功率的目標值,調(diào)速器自身通過內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)機組的負荷,以便達到目標值;另一種方式是調(diào)速器工作在開度模式下,計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過現(xiàn)地控制單元下發(fā)脈沖命令給調(diào)速器,調(diào)速器根據(jù)脈沖的寬度來調(diào)節(jié)導(dǎo)葉的開度,以實現(xiàn)機組的功率調(diào)節(jié)。

本文討論的主要是當水輪機調(diào)速器工作在開度模式時,水輪機組功率調(diào)節(jié)主要由監(jiān)控系統(tǒng)的PID控算法來實現(xiàn)。上級調(diào)度或電廠值班人員給監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定當前機組的功率值,投入功率調(diào)節(jié)程序后,計算機監(jiān)控系統(tǒng)的下位機PID程序就會實時的計算脈沖輸出值,同時把開出脈沖通過開出繼電器送至水輪機調(diào)速器的開關(guān)量輸入板。水輪機調(diào)速器根據(jù)脈沖寬度和脈沖間隔來控制機組導(dǎo)葉和槳葉的開度增加或減少,最終實現(xiàn)了水輪機組的功率調(diào)整。

國家電網(wǎng)調(diào)度部門對水輪機功率調(diào)節(jié)程序的要求是:快速、穩(wěn)定、準確?？焖偈侵改茌^快的響應(yīng)調(diào)度下發(fā)的功率設(shè)定值。根據(jù)國家電網(wǎng)“兩個細則”考核要求,需要在2分鐘內(nèi)達到設(shè)定值。穩(wěn)定是指為了保證機組本身的安全,調(diào)節(jié)時功率不要出現(xiàn)大的超調(diào)及振蕩。準確是指調(diào)節(jié)結(jié)果與設(shè)定值盡量小。

2 時間最優(yōu)帶死區(qū)PID控制策略分析

2.1 時間最優(yōu)PID算法分析

常規(guī)PID控制算法比較簡單、有效,在工業(yè)控制領(lǐng)域已普遍使用。此算法對水輪機設(shè)備模型的參數(shù)變化和各種干擾的自適應(yīng)能力比較差,很難達到電網(wǎng)對水電廠功率調(diào)節(jié)的穩(wěn)定快速的技術(shù)要求。

快速時間最優(yōu)控制原理采用的是最大值原理,它的控制模型函數(shù)可以在控制對象的邊界上進行自動切換,其作用相當于一個繼電器切換器,所以也是一種位式開關(guān)控制,這種控制方式也叫Bang-Bang控制。

在系統(tǒng)偏差大,Bang-Bang控制可加大系統(tǒng)的控制力度,調(diào)高系統(tǒng)的快速性,但Bang-Bang控制很難保證足夠高的精度。因此在水電廠功率調(diào)節(jié)的控制應(yīng)用中,宜采用Bang-Bang控制和線性控制相結(jié)合的方式。

實踐結(jié)果說明,Bang-Bang控制在隨動系統(tǒng)調(diào)轉(zhuǎn)控制能很好地滿足系統(tǒng)快速性的要求,并且結(jié)合常規(guī)PID控制方法能提高系統(tǒng)自適應(yīng)能力和控制精度,有很好的推廣價值[2]。

2.2 帶死區(qū)的PID控制算法

帶死區(qū)的PID控制系統(tǒng),即在調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)確定一個死區(qū)值,這個死區(qū)值也可以說是切換點。當偏差在死區(qū)范圍內(nèi)時,PID的輸出為零,就可以避免控制頻繁動作,減少這些動作所引起的振蕩。在計算機數(shù)字控制系統(tǒng)中,相應(yīng)的計算公式為:

其中:β為死區(qū),β是一個可調(diào)的參數(shù),其數(shù)值的大小可通過現(xiàn)場試驗確定。P(k)為輸入PID算法的誤差。

該系統(tǒng)控制類型實際上分成兩個區(qū)間來計算。即當系統(tǒng)的偏差絕對值小于等于β時P(k)設(shè)為0;當系統(tǒng)的偏差絕對值大于等于β時,P(k)輸出值以PID運算結(jié)果輸出。

3 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的時間最優(yōu)PID控制算法

3.1 時間最優(yōu)PID控制算法的水電廠應(yīng)用分析

根據(jù)上述分析,把此算法應(yīng)用到水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)中,其有功功率調(diào)節(jié)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出,計算機監(jiān)控系統(tǒng)LCU收到當?shù)鼗蚓W(wǎng)調(diào)設(shè)定的功率值后,會和LCU采樣的功率值進行比較,計算出誤差e(k)。根據(jù)比較的結(jié)果來決定是采用Bang-Bang控制還是PID控制算法,兩種控制算法輸出的都是控制增量。根據(jù)控制增量Δu(k)的正負和大小來決定輸出的哪個方向的增量和增量的大小[3-4]。

圖1 有功功率的時間最優(yōu)PID調(diào)節(jié)

在水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的PLC接到功率調(diào)節(jié)指令后,進行給定功率值和測量功率值的比較,若兩者的功率差值超過兩種模式控制切換點,則啟動Bang-Bang控制過程。在這個過程中,各個分量都是時間t的分段常值函數(shù),并在開關(guān)時間上由一個恒值到另一個恒值的跳變,這是理想的最快的調(diào)轉(zhuǎn)過程,當然要達到上述的要求必須根據(jù)實際情況正確判定兩種模式的轉(zhuǎn)換點[5]。

3.2 數(shù)字PID在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)PLC中的實現(xiàn)

根據(jù)數(shù)字PID算法,有位置型控制算法和增量型控制算法之分,在水電站計算機監(jiān)控功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,一般在PLC中實現(xiàn)此功能。根據(jù)工程的實際特點,需采用增量型控制算法,原因如下:(1)脈沖控制量增加值的確定僅與最近一次采樣值的差值有關(guān),不進行累加,本次計算誤差,對總的控制量的影響不大;這樣計算機監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制單元就容易實現(xiàn),同時調(diào)節(jié)風(fēng)險較小。(2)增量型算法得出的控制量的增量,誤動作影響小。由于增量式的PID輸出的是控制量的增量部分,如果PLC的繼電器輸出出現(xiàn)異常,誤動作的影響較小,而調(diào)速器系統(tǒng)仍保持在原位,不會嚴重影響機組系統(tǒng)功率的工作調(diào)節(jié),可以通過邏輯判斷或禁止及計算機監(jiān)控系統(tǒng)的本次輸出,不會嚴重影響水輪發(fā)電機的工作。(3)采用增量型算法,工程實施起來簡單方便,也方便實現(xiàn)控制方式的更換,如:監(jiān)控調(diào)節(jié)到調(diào)速器自身調(diào)節(jié)等。相應(yīng)的控制流程,如圖2所示。

圖2 增量型數(shù)字PID控制流程

增量型控制算式為:

上式也可以表示為Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

在計算機監(jiān)控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)中,Δu(k)的大小決定了監(jiān)控系統(tǒng)LCU內(nèi)PLC將輸出增或減的開出量和開出量的脈沖寬度。

當Δu(k)>0時,增功率開出量動作。設(shè)定總脈沖寬度為tα,Δu(k)的限定值為uα,則不同Δu(k)值下,增開出量輸出的脈沖寬度為:td=tα?Δu(k)/uα。

當Δu(k)<0時,減功率開出量動作。設(shè)定總脈沖寬度為tα,Δu(k)的限定值為uα,則不同Δu(k)值下,減開出量輸出的脈沖寬度為:td=tα?Δu(k)/uα。

3.3 帶死區(qū)的數(shù)字PID算法分析

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,所以需要在調(diào)節(jié)算法程序的外圍有相應(yīng)的死區(qū)、閉鎖保護程序,保證調(diào)節(jié)的安全。

目前,水電廠水輪發(fā)電機組大多采用了數(shù)字式調(diào)速器,負荷調(diào)節(jié)比較方便,調(diào)節(jié)范圍大寬,調(diào)節(jié)速度比較快,可在1~2分鐘內(nèi)從零功率增至滿負荷。為了使水輪發(fā)電機組持續(xù)的穩(wěn)定運行,必須設(shè)定合理的調(diào)節(jié)死區(qū)β。一般調(diào)節(jié)死區(qū)β設(shè)定為2%機組功率額定值。 在保證進入機組的功率調(diào)節(jié)死區(qū)或閉鎖后能不產(chǎn)生震蕩,可以根據(jù)現(xiàn)場的試驗情況,減少調(diào)節(jié)死區(qū)β的值,以保證水輪發(fā)電機功率調(diào)節(jié)的精度,提高功率調(diào)節(jié)的品質(zhì)。

在實際的運行過程中,為了保證機組的安全運行,還需要控制調(diào)節(jié)過程中,增加閉鎖保護程序,如負荷超限、電流越限、頻率異常等情況,系統(tǒng)能自動的停止調(diào)節(jié)過程。

4 結(jié)語

本文討論的時間最優(yōu)PID控制算法已應(yīng)用到很多個水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)項目的功率調(diào)節(jié)中。實踐效果表明,水輪機組負荷調(diào)節(jié)采用時間最優(yōu)帶死區(qū)數(shù)字PID控制的最大特點在于不需要建立精確的水輪機組控制模型,能夠根據(jù)功率的給定值和采樣值的偏差和偏差變化量來分段進行調(diào)節(jié)。在水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試過程中,可充分利用此算法的特點進行水力發(fā)電機組的功率控制,通過現(xiàn)場試驗來整定定值參數(shù),提高水輪機組快速、準確、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)性能,滿足國家電網(wǎng)并網(wǎng)運行管理的功率調(diào)節(jié)要求。