水輪機監(jiān)控系統(tǒng)導葉開度分段開環(huán)控制結構和方法研究

涂 勇，張橋峰

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 引 言

水力發(fā)電過程中，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要精準完成機組的轉速調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)及功率調(diào)節(jié)等重要核心任務［1-3］，其通過控制接力環(huán)旋轉動作來控制水輪機導葉開度，實現(xiàn)調(diào)節(jié)通過水輪機蝸殼水流流量的目標，最終使被控對象的電能質(zhì)量關鍵指標，即頻率和有功輸出滿足電網(wǎng)要求［4］。機組調(diào)節(jié)性能好壞與電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運行密切相關。特別是單機大容量機組，一旦水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳，將嚴重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。監(jiān)控系統(tǒng)如何與水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一起協(xié)調(diào)配合，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，保障巨型機組安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運行是一個值得關注和研究的課題［5，6］。

傳統(tǒng)水輪發(fā)電機組開度模式下的監(jiān)控系統(tǒng)往往采用功率閉環(huán)常規(guī)脈沖調(diào)節(jié)方式輸出開度增減脈沖給水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以實現(xiàn)控制水輪發(fā)電機組開度控制［6，7］。文獻［7］提出的插值算法和修正比例算法可改善水電站機組在開度調(diào)節(jié)模式下有功脈沖調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的時效性和可靠性［7］。文獻［8］介紹了調(diào)速器開度控制模式及功率閉環(huán)控制模式的控制策略［8］。但上述研究大多采取的是閉環(huán)比例脈寬調(diào)制方式，依然存在導葉開度和有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響等問題。

1 導葉開度功率閉環(huán)控制

1.1 閉環(huán)控制結構

水輪機監(jiān)控系統(tǒng)開度模式功率閉環(huán)控制結構圖如圖1所示。

1.2 閉環(huán)控制方法

開度模式下，功率閉環(huán)在監(jiān)控系統(tǒng)側實現(xiàn)，調(diào)速器根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的脈沖增減指令信號，控制導葉的開關動作。監(jiān)控系統(tǒng)有功功率給定值與有功功率反饋值進行差值計算后，經(jīng)比例環(huán)節(jié)作用，轉換為寬度不等的脈沖增減指令下發(fā)給調(diào)速器，直接作用于調(diào)速器開度給定信號。其中，脈沖寬度取決于功率偏差的大小，功率偏差較大時，脈寬越大，功率偏差較小時，脈寬越小，功率偏差為正時發(fā)出增脈沖，功率偏差為負時發(fā)出減脈沖。在監(jiān)控系統(tǒng)機組LCU 與調(diào)速器開度給定信號之間，相當于有一個積分器，在有功功率逼近給定值時，其輸出越小，最終消除偏差，開度給定和開度反饋達到穩(wěn)定狀態(tài)［8］。

1.3 建模仿真

將開度模式導葉開度閉環(huán)控制方法及結構應用于水電站監(jiān)控系統(tǒng)開度模式導葉開度控制過程建模仿真。

模擬水電站監(jiān)控系統(tǒng)開度模式導葉開度閉環(huán)控制過程，監(jiān)控系統(tǒng)在1 s 時，AGC 下發(fā)一個新的有功功率給定值（標幺值，后同）G給定=0.8，導葉開度反饋D=0，功率反饋G=0。根據(jù)本控制方法及結構，基于matlab，對監(jiān)控系統(tǒng)控制結構和受控對象進行建模仿真。本仿真采用的是引水管道和水輪機理想剛性水錘模型，開環(huán)控制仿真結構模型如圖2所示。

圖2 閉環(huán)控制仿真結構模型Fig.2 Close-loop control simulation structure model

當積分系數(shù)Ki=0.37時，閉環(huán)控制matlab仿真結果波形如圖3所示。從圖3中可以看出導葉開度從0變化到0.8整個調(diào)節(jié)過程中，從有功功率給定由0開始變化到導葉開度穩(wěn)定在0.8的時長為7.255 s。

圖3 閉環(huán)控制matlab仿真結果波形（Ki=0.37）Fig.3 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.37）

當Ki=0.35 時，閉環(huán)控制matlab 仿真結果波形如圖4 所示。從圖4 中可以看出導葉開度從0 變化到0.8 整個調(diào)節(jié)過程中，從有功功率給定由0 開始變化到導葉開度穩(wěn)定在0.8 的時長為11.550 s。

圖4 閉環(huán)控制matlab仿真結果波形（Ki=0.35）Fig.4 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.35）

當Ki=0.39 時，閉環(huán)控制matlab 仿真結果波形如圖5 所示。從圖5 中可以看出導葉開度從0 變化到0.8 整個調(diào)節(jié)過程中，從有功功率給定由0 開始變化到導葉開度穩(wěn)定在0.8 的時長為7.855s。

圖5 閉環(huán)控制matlab仿真結果波形（Ki=0.39）Fig.5 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.39）

由圖3、4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，當Ki=0.37時，導葉開度波動幅值最小，調(diào)節(jié)速度也最快。增大積分系數(shù)，會導致超調(diào)變大，導葉開度波動幅值變大，調(diào)節(jié)時間變長；減小積分系數(shù)，也會導致調(diào)節(jié)時間變長，導葉開度波動幅值變大。仿真效果顯示，采用閉環(huán)控制結構及方法，導葉開度和有功功率調(diào)節(jié)速度慢，控制過程不可避免受到引水管道和水輪機水錘反作用和機組慣性作用的影響，整個控制系統(tǒng)有小幅波動，控制參數(shù)選取不當甚至有發(fā)散振蕩的風險。

2 開環(huán)控制

為解決上述技術問題，需探索研究一種水輪機監(jiān)控系統(tǒng)開度模式下，導葉開度模擬量開環(huán)控制結構及方法，旨在解決開度模式下，采用功率閉環(huán)常規(guī)脈沖調(diào)節(jié)方式，有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響等問題，提高調(diào)節(jié)過程速動性，實現(xiàn)機組導葉開度和有功功率的快速穩(wěn)定控制，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.1 開環(huán)控制結構

開環(huán)控制結構圖如圖6 所示，主要由查表計算模塊1、循環(huán)自加模塊2和限幅模塊3組成。

圖6 開環(huán)控制結構圖Fig.6 Open-loop control structure diagram

其中，查表計算模塊1 采集有功功率給定G給定和機組水頭W，查水頭、有功功率與導葉開度一一對應表并計算，輸出計算結果D表給限幅模塊3。循環(huán)自加模塊2監(jiān)測有功功率給定G給定變化使能信號，并采集導葉開度信號D。當使能信號動作時，D0賦初值D。循環(huán)自加模塊2 不斷對Dn循環(huán)自加控制參數(shù)步長ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。限幅模塊3 采集查表計算模塊1 輸出的D表和循環(huán)自加模塊2 輸出的Dn，對Dn進行限幅輸出，最大值為D表。限幅模塊3將導葉開度模擬量控制信號D'n輸出給調(diào)速器電控系統(tǒng)。

2.2 開環(huán)控制方法

水輪機監(jiān)控系統(tǒng)開度模式導葉開度模擬量開環(huán)控制方法是一種基于水頭、有功功率與導葉開度對應數(shù)據(jù)表，在開度模式下，采取查對應數(shù)據(jù)表的方式，對機組有功功率進行快速精準調(diào)節(jié)，輸出導葉開度模擬量控制信號的全新方法，旨在解決開度模式下采用功率閉環(huán)常規(guī)脈沖調(diào)節(jié)方式，有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響等問題，提高調(diào)節(jié)過程速動性，實現(xiàn)機組導葉開度和有功功率的快速穩(wěn)定控制，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)［9］。導葉開度開環(huán)控制尤其適用于機組導葉開度和有功功率的大幅度快速調(diào)整的情形。開環(huán)控制可以有效避免水輪發(fā)電機組調(diào)節(jié)過程中受到引水管路水錘反作用和機組慣性作用的影響，降低整個控制系統(tǒng)出現(xiàn)導葉開度和有功功率發(fā)散振蕩的風險。

水頭、有功功率與導葉開度對應數(shù)據(jù)如表1 所示。表中p、q、x、y都為正整數(shù)，1＜x≤p，1＜y≤q，Dx，y為Wx水頭Gy有功功率對應的導葉開度。

表1 水頭、有功功率與導葉開度對應數(shù)據(jù)表Tab.1 Data sheet for head， active power and guide vane opening

若Wx-1≤w≤Wx，Gy-1≤G給定≤Gy，則有:

開環(huán)控制方法流程圖如圖7所示。

圖7 開環(huán)控制方法流程圖Fig.7 Flow chart of open loop control method

2.3 建模仿真

在水電站監(jiān)控系統(tǒng)開度模式下，將開環(huán)控制方法及結構應用于導葉開度控制過程建模仿真。

模擬水電站監(jiān)控系統(tǒng)開度模式，導葉開度控制過程中，0.5 s 時監(jiān)控系統(tǒng)AGC 下發(fā)一個新的有功功率給定值G給定，查表計算D表=0.8，導葉開度反饋D=0。根據(jù)本控制方法及結構，基于matlab，對監(jiān)控系統(tǒng)控制結構和受控對象進行建模仿真，開環(huán)控制仿真結構模型如圖8所示。

圖8 開環(huán)控制仿真結構模型Fig.8 Open-loop control simulation structure model

仿真模型用斜坡函數(shù)模型Ramp 實現(xiàn)圖6 中循環(huán)自加模塊2的功能，實現(xiàn)0.5 s開始自加，自加速度每秒增加1。

仿真模型用限幅函數(shù)模型Saturation 實現(xiàn)圖6 中限幅模塊3功能，輸出給調(diào)速器電控系統(tǒng)，限制輸出最大值0.8。

調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)由電液轉換元件、液壓控制元件和執(zhí)行元件等組成［10］。為了使控制系統(tǒng)的表示既簡單又明了，在控制工程中一般繪制控制系統(tǒng)的框圖進行分析研究［11］。水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，水輪機控制系統(tǒng)自身也是一個閉環(huán)系統(tǒng)［12］。采用閉環(huán)控制的調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)框圖如圖9所示［13］。

圖9 液壓隨動系統(tǒng)框圖Fig.9 Block diagram of hydraulic servo system

根據(jù)圖9 建立調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)仿真結構模型，模擬調(diào)速器電控系統(tǒng)及液壓隨動系統(tǒng)。如圖10所示，其Yc通道接口采集導葉開度模擬量控制信號D'n，Y通道接口輸出導葉開度反饋D，Y1通道接口輸出主配位置反饋。

圖10 調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)仿真結構模型Fig.10 Structural model of hydraulic servo system simulation for governor

開環(huán)控制matlab 仿真結果波形如圖11 所示。從圖11 中可以看出導葉開度從0變化到0.8整個調(diào)節(jié)過程中，從導葉開度模擬量控制信號D'n由0開始變化到導葉開度穩(wěn)定在0.8的時長為2.703 2 s，超調(diào)量4.362 5%。

圖11 開環(huán)控制matlab仿真結果波形Fig.11 Open-loop control matlab simulation results waveform

3 分段開環(huán)控制

為了進一步提高調(diào)節(jié)過程速動性，同時避免調(diào)節(jié)速度過快導致的超調(diào)量過大的問題，在導葉開度模擬量開環(huán)控制方法及結構的基礎上進行優(yōu)化改良，實現(xiàn)分段開環(huán)控制，形成一種水輪機監(jiān)控系統(tǒng)開度模式下，導葉開度模擬量分段開環(huán)控制方法及結構。

3.1 分段開環(huán)控制結構

分段開環(huán)控制結構圖如圖12 所示，主要由查表計算模塊1，循環(huán)自加模塊2，限幅1 模塊3，循環(huán)自減模塊4，限幅2 模塊5，選擇器模塊6組成。

圖12 分段開環(huán)控制結構圖Fig.12 Sectional open loop control structure diagram

查表計算模塊1 采集有功功率給定G給定和機組水頭W，查水頭、有功功率與導葉開度一一對應表并計算，輸出計算結果D表給限幅1模塊3和限幅2模塊5。

循環(huán)自加模塊2監(jiān)測有功功率給定G給定變化且|D表-D|≥ΔD1使能信號，并采集導葉開度信號D。當使能信號初次動作時，D0賦初值D。循環(huán)自加模塊2 不斷對Dn循環(huán)自加控制參數(shù)步長ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。

限幅模塊3 采集查表計算模塊1 輸出的D表和循環(huán)自加模塊2輸出的Dn，對Dn進行限幅輸出，最大值為K1D表，K1＞1。輸出導葉開度模擬量控制信號D'n給選擇器模塊6通道0。

循環(huán)自減模塊4 監(jiān)測|D表-D|＜ΔD1使能信號，并采集導葉開度信號D。當使能信號初次動作時，D0賦初值D。循環(huán)自減模塊4 不斷對Dn循環(huán)自減控制參數(shù)步長ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。

限幅模塊5 采集查表計算模塊1 輸出的D表和循環(huán)自減模塊4 輸出的Dn，對Dn進行限幅輸出，最小值為D表。輸出導葉開度模擬量控制信號D'n給選擇器模塊6通道1。

選擇器模塊6監(jiān)測|D表-D|＜ΔD1選擇信號，并采集限幅模塊3 和限幅模塊5 輸出給選擇器模塊6 的導葉開度模擬量控制信號D'n。當|D表-D|＜ΔD1不滿足時，選擇器模塊6 選擇通道0，輸出限幅模塊3 輸出給選擇器模塊6 的導葉開度模擬量控制信號D'n；當|D表-D|＜ΔD1滿足時，選擇器模塊6 選擇通道1，輸出限幅模塊5 輸出給選擇器模塊6 的導葉開度模擬量控制信號D'n。選擇器模塊6 將導葉開度模擬量控制信號D'n輸出給調(diào)速器電控系統(tǒng)。

3.2 分段開環(huán)控制方法

該方法基于水頭、有功功率與導葉開度對應數(shù)據(jù)表，在開度模式下，采取查對應數(shù)據(jù)表的方式，對機組導葉開度進行分段快速精準調(diào)節(jié)，輸出導葉開度模擬量控制信號的全新方法，旨在解決開度模式下采用功率閉環(huán)常規(guī)脈沖調(diào)節(jié)方式，有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響等問題，提高調(diào)節(jié)過程速動性，同時抑制調(diào)節(jié)速度過快產(chǎn)生嚴重超調(diào)現(xiàn)象，實現(xiàn)機組導葉開度和有功功率的快速穩(wěn)定控制，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)［14］。

導葉開度分段開環(huán)控制尤其適用于機組導葉開度和有功功率的大幅度快速調(diào)整的情形，通常分為兩段，前一段增益系數(shù)K1通常大于1，目的是提高機組導葉開度和有功功率調(diào)節(jié)的速度，后一段增益系數(shù)通常等于1，目的是防止機組導葉開度和有功功率調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)嚴重超調(diào)，提高改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。分段切換條件為查表計算導葉開度D表與導葉開度D差值絕對值小于ΔD1。

分段開環(huán)控制方法流程圖如圖13所示。

圖13 分段開環(huán)控制方法Fig.13 Sectional open loop control method

3.3 建模仿真

在水電站監(jiān)控系統(tǒng)開度模式下，將分段開環(huán)控制方法及結構應用于導葉開度控制過程建模仿真。

模擬水電站監(jiān)控系統(tǒng)開度模式，導葉開度控制過程中，0.5 s 時監(jiān)控系統(tǒng)AGC 下發(fā)一個新的有功功率給定值G給定，查表計算D表=0.8，導葉開度反饋D=0，控制參數(shù)K1=1.3，ΔD1=0.55。根據(jù)分段開環(huán)控制方法及結構，基于matlab，對監(jiān)控系統(tǒng)控制結構和受控對象進行建模仿真，分段開環(huán)控制仿真結構模型如圖14所示。

圖14 分段開環(huán)控制仿真結構模型Fig.14 Sectional open loop control simulation structure model

仿真模型用斜坡函數(shù)模型Ramp1 實現(xiàn)圖12 中循環(huán)自加模塊2的功能，實現(xiàn)0.5 s開始自加，自加速度每秒增加2。

仿真模型用限幅函數(shù)模型Saturation1 實現(xiàn)圖12 中限幅模塊3 功能，輸出給選擇器模塊6 的通道1，限制輸出最大值K1D表為1.04。

仿真模型用斜坡函數(shù)模型Ramp2 實現(xiàn)圖12 中循環(huán)自減模塊4的功能，實現(xiàn)|D表-D|＜0.55時，1.081 s開始自減，自減速度每秒減少1。

仿真模型用限幅函數(shù)模型Saturation2 實現(xiàn)圖12 中限幅模塊5功能，輸出給選擇器模塊6的通道2，限制輸出最小值1。

仿真模型用限幅函數(shù)模型Switch 實現(xiàn)圖12 中選擇器模塊6，實現(xiàn)|D表-D|≥0.55時，輸出通道1采集的數(shù)據(jù)給調(diào)速器電控系統(tǒng)；|D表-D|＜0.55時，輸出通道2采集的數(shù)據(jù)給調(diào)速器電控系統(tǒng)。

分段開環(huán)控制matlab 仿真結果波形如圖15 所示。從圖15中可以看出導葉開度從0變化到0.8整個調(diào)節(jié)過程中，從導葉開度模擬量控制信號D'n由0開始變化到導葉開度穩(wěn)定在0.8的時長為2.51 s，超調(diào)量4.625%。調(diào)節(jié)時間減小0.193 2 s，減小率7.15%，超調(diào)量僅增加0.262 5%，抑制效果明顯。

圖15 分段開環(huán)控制matlab仿真結果波形Fig.15 Sectional Open-loop control matlab simulationresults waveform

將圖15與圖3～5、11進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn):

（1）閉環(huán)控制調(diào)節(jié)速度慢，控制過程不可避免受到引水管道和水輪機的水錘反作用和機組慣性作用影響，整個控制系統(tǒng)有小幅波動，控制參數(shù)選取不當甚至有發(fā)散振蕩的風險。

（2）開環(huán)控制方法可通過開環(huán)控制避免調(diào)節(jié)過程中受到水錘反作用和機組慣性作用的影響，降低整個控制系統(tǒng)發(fā)散振蕩的風險，同時具有速動性好的特點。

（3）分段開環(huán)控制方法控制調(diào)節(jié)品質(zhì)最好，不僅具有開環(huán)控制優(yōu)點，而且調(diào)節(jié)速度更快，但超調(diào)量變化不大，抑制效果明顯，仿真效果明顯優(yōu)于非分段開環(huán)控制和閉環(huán)控制方法。

綜上所述，水輪機監(jiān)控系統(tǒng)開度模式導葉開度模擬量分段開環(huán)控制方法既有開環(huán)控制快速的特點，又有分段開環(huán)控制超調(diào)量抑制效果較好的優(yōu)勢，從而同時滿足了調(diào)節(jié)過程速動性好、超調(diào)量小的要求，提高了動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。

4 結 語

針對水輪機開度模式下，導葉開度傳統(tǒng)閉環(huán)控制的問題和不足，對控制模型結構進行逐步研究優(yōu)化，最終提出了一種水輪機監(jiān)控系統(tǒng)開度模式導葉開度模擬量分段開環(huán)控制方法，解決了水輪發(fā)電機組在開度模式下導葉開度和有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響問題，可有效提高調(diào)節(jié)過程速動性，實現(xiàn)機組導葉開度和有功功率的快速穩(wěn)定控制，進一步保證在負荷調(diào)整過程中機組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運行。