水電機(jī)組開(kāi)度模式的復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)方法

郭俊鑫，周宇陽(yáng)，方云飛，李 鎮(zhèn)，郭 波，盧 喬，黃愛(ài)平

(1.國(guó)家能源集團(tuán)新疆吉林臺(tái)水電開(kāi)發(fā)有限公司，新疆 伊寧 835000；2.上海樸宜實(shí)業(yè)有限公司，上海 200240；3.新華控制工程有限公司，上海 200240)

0 引 言

水電機(jī)組并網(wǎng)后調(diào)速器一般處于功率模式或開(kāi)度調(diào)節(jié)模式。功率模式下，調(diào)速器接收來(lái)自計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的4～20 mA電流信號(hào)，一旦此信號(hào)受到其他裝置的干擾，或者因端子松動(dòng)、斷線等引起信號(hào)波動(dòng)甚至消失，勢(shì)必造成有功功率的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生溜負(fù)荷、甩負(fù)荷的情況；而且有功的經(jīng)常性波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備動(dòng)作過(guò)多，磨損頻繁，減少設(shè)備使用壽命。相比較而言，開(kāi)度控制模式下的脈沖信號(hào)是穩(wěn)定而可靠的，因此在實(shí)際控制中經(jīng)常采用。

開(kāi)度調(diào)節(jié)模式中常用的PI調(diào)節(jié)器在機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)快速響應(yīng)的運(yùn)行環(huán)境下響應(yīng)慢、易超調(diào)等缺點(diǎn)。何常勝等[1]從PID典型控制策略出發(fā)，對(duì)開(kāi)度模式下的邏輯關(guān)系進(jìn)行了探討，給出了斜坡函數(shù)和變參數(shù)的建議；邵宜祥等[2]通過(guò)混合仿真實(shí)驗(yàn)指出，非線性魯棒控制在水電機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)中能起到較好的作用，蔡衛(wèi)江[3]則在提升水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)能力的技術(shù)研究中明確提出了“慢-快-慢”的控制策略以適應(yīng)AGC控制的快速性和穩(wěn)定性要求，折線均涉及到復(fù)雜的參數(shù)整定和邏輯切換。此外，近年來(lái)人工智能漸次引入到水電機(jī)組調(diào)節(jié)領(lǐng)域，程遠(yuǎn)楚等[4]提出了仿人智能控制策略與規(guī)則，基于對(duì)控制誤差的識(shí)別來(lái)調(diào)整控制策略和控制參數(shù)，付維圣等[5]提出用遺傳算法對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組特性進(jìn)行模糊設(shè)計(jì)等，揭示了當(dāng)前技術(shù)條件下具備水電機(jī)組特性實(shí)時(shí)而全面把握的能力，為復(fù)合脈沖的精準(zhǔn)實(shí)施提供了基礎(chǔ)。

基于此，開(kāi)度模式中復(fù)合脈沖的調(diào)節(jié)方法被發(fā)掘、引入并且逐步得到完善。本文闡述了持續(xù)長(zhǎng)脈沖和連續(xù)短脈沖的設(shè)計(jì)原理和估算方法，以此形成的脈沖調(diào)節(jié)器功能與PID調(diào)節(jié)器有機(jī)結(jié)合，可以充分體現(xiàn)柔性控制的思想，達(dá)到水電有功調(diào)節(jié)快速而穩(wěn)定的效果。

1 脈沖調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)

1.1 PI調(diào)節(jié)的弊端

在快速性的要求下，PI參數(shù)整定較弱則調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，整定較強(qiáng)則超調(diào)量嚴(yán)重；而隨著水庫(kù)庫(kù)容的變化，機(jī)組最大水頭與最小水頭之間的差別較大，導(dǎo)致固定參數(shù)PI控制下的調(diào)節(jié)差異更為明顯，如圖1所示。

圖1 PI調(diào)節(jié)器與脈沖調(diào)節(jié)器的實(shí)控過(guò)程

此外，水輪機(jī)組的導(dǎo)葉開(kāi)度與有功功率呈現(xiàn)出一定的非線性，如圖2所示，大數(shù)據(jù)顯示某水電站4臺(tái)機(jī)組存在不同程度的非線性。不同的開(kāi)度范圍內(nèi)有功功率控制回路的增益不同，這加劇了PI調(diào)節(jié)的困難，在拐點(diǎn)處容易出現(xiàn)調(diào)節(jié)振蕩。

圖2 導(dǎo)葉開(kāi)度的非線性特性

導(dǎo)葉開(kāi)度的控制取決于調(diào)速器驅(qū)動(dòng)的接力器活塞位移，接力器油壓下產(chǎn)生的力矩遠(yuǎn)大于靜水頭下的移動(dòng)力矩，故接力器移動(dòng)速度與水錘動(dòng)態(tài)過(guò)程無(wú)關(guān)[6]，不計(jì)接力器行程的初始段和末段，其與導(dǎo)葉開(kāi)度為線性關(guān)系，導(dǎo)葉開(kāi)度的變化量與接力器動(dòng)作時(shí)間成正比，故而，通過(guò)控制脈沖長(zhǎng)度即可線性地獲得導(dǎo)葉開(kāi)度，稱為脈沖調(diào)節(jié)。

在機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)的AGC調(diào)度與一次調(diào)頻成為常態(tài)化運(yùn)行工況時(shí)，復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)具有的速度優(yōu)勢(shì)、電量控制優(yōu)勢(shì)以及彈性控制的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。

1.2 復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)的速度優(yōu)勢(shì)

PID調(diào)節(jié)器本質(zhì)上是一種反饋調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程中需要根據(jù)過(guò)程量的變化來(lái)調(diào)整被調(diào)量的幅度，調(diào)節(jié)方式是被動(dòng)的，過(guò)程是非均勻的，導(dǎo)葉的最終位置在摸索中獲得；相比較而言，復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)則是主動(dòng)式的，在調(diào)節(jié)過(guò)程開(kāi)始前導(dǎo)葉需要到達(dá)的位置已經(jīng)明確，通過(guò)預(yù)定的脈沖驅(qū)動(dòng)接力器均勻地到達(dá)，具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)，從圖1中可以看出。水輪機(jī)調(diào)節(jié)作為典型的非最小相位系統(tǒng)，速度優(yōu)勢(shì)相當(dāng)于加強(qiáng)了控制器增益，系統(tǒng)的反向響應(yīng)與延遲能夠被快速度過(guò)。

在大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的支撐下，通過(guò)智能算法及其并行處理方法[7-8]對(duì)水電機(jī)組的水力特征進(jìn)行全方位的跟蹤與分析，快速得到目標(biāo)有功對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉終端位置，為復(fù)合脈沖提供準(zhǔn)確的定位，使其發(fā)揮速度優(yōu)勢(shì)成為可能。

1.3 復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)的電量?jī)?yōu)勢(shì)

復(fù)合脈沖的調(diào)節(jié)過(guò)程可以做到可控的快升慢降，即有功調(diào)升時(shí)快速達(dá)標(biāo)，調(diào)降時(shí)貼邊達(dá)標(biāo)，從而充分地利用網(wǎng)調(diào)的調(diào)節(jié)裕量，獲取更多的積分電量，如圖3所示。

圖3 柔性控制方式示意

由于脈沖量的精準(zhǔn)可控，使得這種快速貼邊式調(diào)節(jié)同樣可行。以汛期為例，一天之內(nèi)單臺(tái)機(jī)組貢獻(xiàn)十次乃至上百次調(diào)節(jié)頻次，機(jī)組的機(jī)械損耗不容忽視，充分利用網(wǎng)調(diào)裕量進(jìn)行快速貼邊調(diào)節(jié)是完全合理的。

1.4 復(fù)合脈沖的柔性調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)

水輪機(jī)調(diào)節(jié)過(guò)程中由于水流慣性導(dǎo)致的引水系統(tǒng)壓力反向變化，即水錘效應(yīng)帶來(lái)的功率反調(diào)不可忽視，需要在減少功率反調(diào)的同時(shí)又保證有功調(diào)節(jié)的快速性，主流思路從優(yōu)化導(dǎo)葉變動(dòng)速率為切入點(diǎn)，采用柔性控制方式，這對(duì)PID調(diào)節(jié)器帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)，參數(shù)整定時(shí)需要兼顧快慢轉(zhuǎn)折的時(shí)機(jī)、水頭的變化、以及導(dǎo)葉行程的非線性，過(guò)程極為復(fù)雜。相比較而言，復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)在精準(zhǔn)獲知調(diào)節(jié)終端位置時(shí)，通過(guò)脈沖的占空比以及脈沖長(zhǎng)度的控制，可以從容地實(shí)現(xiàn)折線控制，從而充分體現(xiàn)柔性調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，如圖3所示。

2 復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法

通過(guò)設(shè)計(jì)持續(xù)長(zhǎng)脈沖與連續(xù)短脈沖相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式，使得脈沖控制易于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)基本目標(biāo)，并且整體可控地逼近柔性控制。

2.1 持續(xù)長(zhǎng)脈沖

有功指令變化時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度的變化具有近似線性的特征，持續(xù)長(zhǎng)脈沖可以快速地完成這個(gè)導(dǎo)葉開(kāi)度變化過(guò)程，其前提在于基于水輪機(jī)能量特性預(yù)置脈沖長(zhǎng)度。

脈沖的總調(diào)節(jié)量Tovr為

(1)

式中，G為導(dǎo)葉開(kāi)度；UMD為機(jī)組有功指令；fT()為水輪機(jī)能量特性實(shí)時(shí)數(shù)學(xué)模型；Gps為導(dǎo)葉每秒開(kāi)度；下標(biāo)1和2分別為調(diào)節(jié)始態(tài)和終態(tài)；ps為每秒單位。

根據(jù)AGC調(diào)節(jié)的要求，水電機(jī)組必需達(dá)到50%MCR/min的速率，其中MCR為機(jī)組額定出力，考慮到指令從調(diào)度-集控-機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)-調(diào)速器的信號(hào)傳遞的耗時(shí)且為計(jì)算簡(jiǎn)便，將該速率設(shè)為50%MCR/50s，即1%MCR/s，則導(dǎo)葉每秒開(kāi)度Gps有

Gps×MCR/100≥1%MCR

(2)

即至少有Gps≥1才可以滿足基本調(diào)節(jié)需求。由于脈沖調(diào)節(jié)的可預(yù)測(cè)性，在接力器速率限和死區(qū)的范圍內(nèi)，按照持續(xù)長(zhǎng)脈沖的調(diào)節(jié)方式，如圖4中CuCd段所示，調(diào)速器若設(shè)定Gps為N則具備了N倍的調(diào)節(jié)速率。

圖4 脈沖方式實(shí)現(xiàn)的柔性控制

gps=(Tadhff(Touv，Tadh)+fm(Tovr，Tadh))Gps/

[Tadhff(Tovr，Tadh)+Tadh(ff(Tovr，Tadh)-1)+

fm(Tovr，Tadh)]

(3)

式中，ff(Tovr，Tadh)為求商取整；fm(Tovr，Tadh)為求商取余函數(shù)。

由于Titv?Tadh，故有g(shù)ps較為接近Gps。

2.2 連續(xù)短脈沖

持續(xù)長(zhǎng)脈沖可以達(dá)到快速調(diào)節(jié)的目的，為了實(shí)現(xiàn)柔性控制方式，需要設(shè)置連續(xù)短脈沖達(dá)到慢控制的效果，如圖4中UCu或CdD段所示。

連續(xù)脈沖的占空比D定義為

(4)

式中，Ton為脈沖循環(huán)內(nèi)有效的高電平脈寬；Tcyc為脈沖循環(huán)時(shí)間。

繼而有連續(xù)短脈沖的等效導(dǎo)葉每秒開(kāi)度gps為

(5)

常用短脈沖設(shè)置如表1所示，Ton一般小于Tcyc，則連續(xù)短脈沖明顯有g(shù)ps

表1 常用短脈沖設(shè)置

2.3 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組態(tài)

執(zhí)行水電機(jī)組的過(guò)程控制時(shí)，通過(guò)持續(xù)長(zhǎng)脈沖與連續(xù)短脈沖(本文合成為脈沖調(diào)節(jié)器邏輯功能塊)的復(fù)合構(gòu)建柔性調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)PID調(diào)節(jié)器與脈沖調(diào)節(jié)器的有機(jī)結(jié)合，如圖5所示，保留了PID調(diào)節(jié)器以備脈沖回路故障時(shí)控制模式切換的需要，同時(shí)當(dāng)脈沖回路調(diào)節(jié)失當(dāng)時(shí)，還可以通過(guò)PID調(diào)節(jié)器完成調(diào)節(jié)補(bǔ)位。圖中，UL為機(jī)組實(shí)際有功，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Sp和Pv分別表示設(shè)定值與過(guò)程變量實(shí)測(cè)值，G為導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度，inc和dec分別為增減脈沖輸出，其余見(jiàn)文中說(shuō)明。

圖5 基于復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)的水電機(jī)組控制邏輯結(jié)構(gòu)示意

原則上，脈沖調(diào)節(jié)器兼?zhèn)鋸?fù)合脈沖調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)執(zhí)行器的功能，當(dāng)信號(hào)ovr置位時(shí)，脈沖調(diào)節(jié)器執(zhí)行復(fù)合脈沖功能，當(dāng)ovr復(fù)位時(shí)脈沖調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)變?yōu)镻ID調(diào)節(jié)器的執(zhí)行器。信號(hào)ovr的判決條件包括：①脈沖執(zhí)行回路是否健康；②平行控制器集群是否健康，即是否可靠地獲取Tovr參數(shù)；③脈沖調(diào)節(jié)周期完成后是否調(diào)節(jié)目標(biāo)仍未達(dá)成等。

邏輯結(jié)構(gòu)中，PID調(diào)節(jié)器的比例項(xiàng)Kp、積分項(xiàng)Ti，脈沖調(diào)節(jié)器的Tcyc、Titv等均為變參數(shù)，邏輯設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)UMD以及G的實(shí)際值向目標(biāo)值的逼近程度而整定；此外，Tadh和Titv一般為常數(shù)。

組態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮組態(tài)頁(yè)面掃描周期(執(zhí)行周期)與脈沖執(zhí)行回路中脈寬之間的協(xié)同性，避免出現(xiàn)脈沖實(shí)際有效長(zhǎng)度被截?cái)嗷蛘咛摮涞默F(xiàn)象，這與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)速器的具體設(shè)置有關(guān)，不再贅述。

3 復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)過(guò)程最大水錘

復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)過(guò)程中，導(dǎo)葉開(kāi)度的變化速度明顯超過(guò)常規(guī)PID控制，為了保證調(diào)節(jié)過(guò)程中最大壓力上升率在規(guī)定的范圍內(nèi)，需要進(jìn)行最大水錘的理論試算。

某水電單元機(jī)組設(shè)計(jì)流量為119.44 m3/s，額定水頭117 m，管道直徑4.6 m，取行波速度1 000 m/s，則管道特性系數(shù)

(6)

管道總長(zhǎng)500 m，水錘單相時(shí)長(zhǎng)Tr=2L/a=1。

顯然有ρτ0>1，為末項(xiàng)水錘。根據(jù)水錘壓力計(jì)算通式并取泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中第n相末的水錘壓力為

(7)

整理得

(8)

分別取Gps為5、3、2，試算瞬態(tài)過(guò)程最大水錘如圖6所示。在取最大值Gps=5時(shí)，最大水錘壓力增幅不超過(guò)18%。根據(jù)GB/T 5186—2004《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》之規(guī)定，該機(jī)組蝸殼最大允許壓力上升率不得大于25%～30%，故而在安全裕度之內(nèi)。

圖6 最大水錘壓力試算

4 基于復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)的工程實(shí)踐

某水電站裝有4臺(tái)單機(jī)125 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，參數(shù)規(guī)格同前例。

現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)了共水力單元平行控制系統(tǒng)，將調(diào)速器開(kāi)度模式下計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)功能轉(zhuǎn)移至該系統(tǒng)中，并納入PID調(diào)節(jié)器與脈沖調(diào)節(jié)器相結(jié)合的控制方式，形成基于復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)的水電機(jī)組開(kāi)度模式優(yōu)化控制方法，在各臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了長(zhǎng)期試驗(yàn)。

系統(tǒng)間切換和脈沖指令由繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器采用了較為可靠的固態(tài)繼電器，系統(tǒng)通過(guò)增、減繼電器向調(diào)速器發(fā)脈沖指令，通過(guò)兩個(gè)切換繼電器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和共水力單元平行控制系統(tǒng)的控制權(quán)切換。

繼電器邏輯設(shè)置如圖7所示，圖中，K3為共水力單元平行控制系統(tǒng)增有功繼電器；K4為共水力單元平行控制系統(tǒng)減有功繼電器；K5為增有功切換繼電器；K6為減有功切換繼電器；KO1為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)增有功繼電器；KO2為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)減有功繼電器。

圖7 繼電器邏輯設(shè)置

選擇持續(xù)長(zhǎng)脈沖方式進(jìn)行AGC條件下的單機(jī)調(diào)節(jié)，某日連續(xù)經(jīng)歷6次有功指令變動(dòng)，其過(guò)程如圖8所示，其中UL為機(jī)組實(shí)際有功。圖中分別標(biāo)出了90%與50%的MCR/min參考線，當(dāng)UL落在UMD與50%MCR/min參考線的包絡(luò)之內(nèi)則為調(diào)節(jié)合格。圖中顯見(jiàn)，調(diào)節(jié)過(guò)程基本控制在90%MCR/min包絡(luò)之內(nèi)，調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)秀。不過(guò)，在小幅度有功變化時(shí)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)并不明顯，這是由于此時(shí)復(fù)合脈沖與PID調(diào)節(jié)器的執(zhí)行曲線(即導(dǎo)葉開(kāi)度的實(shí)際變化過(guò)程曲線)相差無(wú)幾的原因。

圖8 基于復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)的單機(jī)調(diào)節(jié)過(guò)程實(shí)錄

由于復(fù)合脈沖的執(zhí)行曲線起步快，其引起的水錘效應(yīng)顯著于PID調(diào)節(jié)過(guò)程，不過(guò)由于后繼執(zhí)行曲線保持了這種快速性，水錘引起的功率反調(diào)被快速拉回，期間產(chǎn)生的積分電量也會(huì)快速?gòu)?fù)歸，因此復(fù)合脈沖能夠更好地滿足AGC快速調(diào)節(jié)的要求，工程中的長(zhǎng)期實(shí)踐也證實(shí)了這一點(diǎn)。

非單機(jī)運(yùn)行，尤其一洞多機(jī)同時(shí)受控于AGC調(diào)節(jié)時(shí)[9]，AGC考核目標(biāo)為機(jī)組組合的總體出力，此時(shí)調(diào)節(jié)初期的水錘效應(yīng)不可忽視，此外，共水力單元機(jī)組之間的水力干擾也容易加劇這個(gè)過(guò)程，需要實(shí)施持續(xù)基于長(zhǎng)脈沖+連續(xù)短脈沖模式的柔性控制并且考慮到水力干擾的不利影響，本文不再展開(kāi)。

5 結(jié) 論

作為水電機(jī)組調(diào)節(jié)的常用模式，導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)具有穩(wěn)定可靠的特質(zhì)，但是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)品質(zhì)欠佳，有功調(diào)節(jié)的變載率、超調(diào)量、衰減率等指標(biāo)也較難達(dá)到理想的平衡，尤其在機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)快速響應(yīng)的要求下，機(jī)組有功調(diào)節(jié)較難滿足“兩個(gè)細(xì)則”要求，其原因在于脈沖調(diào)節(jié)的潛質(zhì)沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。本文通過(guò)持續(xù)長(zhǎng)脈沖與連續(xù)短脈沖的結(jié)合，形成了執(zhí)行曲線的快慢速率控制，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉開(kāi)度柔性調(diào)節(jié)，當(dāng)水輪機(jī)的能量特性被實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地獲取時(shí)，基于復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)的開(kāi)度模式可以取得足夠優(yōu)秀的調(diào)節(jié)特性，體現(xiàn)在以下方面：

(1)復(fù)合脈沖調(diào)節(jié)下的執(zhí)行曲線具有近似線性的特性，簡(jiǎn)單直觀，可以大大簡(jiǎn)化柔性控制的理論計(jì)算難度和實(shí)現(xiàn)難度，尤其在共水力干擾條件下考慮控制策略解耦與優(yōu)化時(shí)。

(2)在并行計(jì)算、超實(shí)時(shí)計(jì)算等新技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的背景下，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以充分掌握水輪機(jī)的實(shí)時(shí)能量特性，使得復(fù)合脈沖的控制終點(diǎn)清晰、過(guò)程明確，從而保證了調(diào)節(jié)的快速性。

(3)復(fù)合脈沖的實(shí)施較為簡(jiǎn)單，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改造是增量式的，并不影響原有功能，并且能夠與PID調(diào)節(jié)器有機(jī)地結(jié)合在一起。