水電站一次控制系統(tǒng)的孤立模型分析

楊弓

（國(guó)能德宏發(fā)電有限公司，云南 德宏 679300）

0 引言

小型水電站的使用具有環(huán)保、高效率的特點(diǎn)，水電站可以將水能轉(zhuǎn)換為電能，此過(guò)程不涉及燃料問(wèn)題，沒(méi)有污染，并且維護(hù)成本相對(duì)較低。與其他類型的發(fā)電廠相比，水力發(fā)電廠的運(yùn)營(yíng)成本最低，使用壽命最長(zhǎng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，水電站自身也存在許多問(wèn)題，通過(guò)分析前人文獻(xiàn)，總結(jié)出水電站在運(yùn)行過(guò)程中存在水位不穩(wěn)定、電網(wǎng)接入困難、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題。其中，水電站控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)穩(wěn)定性差、控制策略不合理、數(shù)據(jù)通信和傳輸延遲、故障診斷及容錯(cuò)控制性較差的問(wèn)題［1-2］。

為解決上述水電站運(yùn)行中存在的系統(tǒng)容錯(cuò)問(wèn)題，本文以大盈江水電站為例，提出小型水電站一次控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制方案。容錯(cuò)控制是指對(duì)小型水電站的控制系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)分析和設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。容錯(cuò)控制系統(tǒng)主要包括硬件容錯(cuò)、軟件容錯(cuò)、數(shù)據(jù)容錯(cuò)、通信容錯(cuò)等。控制的主要信號(hào)為產(chǎn)生的實(shí)際功率和IMG（孤島微電網(wǎng)）頻率。其中，孤島微電網(wǎng)是指一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電力系統(tǒng)，通常是在地理上一個(gè)相對(duì)孤立的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，能夠自主地生成、分配和消耗電能，不必完全依賴大型中央電力網(wǎng)絡(luò)。這種微電網(wǎng)通常由多種能源資源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、發(fā)電機(jī)等）及能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)（如電池、儲(chǔ)熱設(shè)備等）組成，以滿足特定地區(qū)的電力需求［3-4］。

1 原理過(guò)程分析

1.1 蝶閥驅(qū)動(dòng)原理

大盈江一級(jí)電站主閥為新型的重錘式液壓控制蝴蝶閥，全稱為希斯威系列水輪機(jī)進(jìn)水自動(dòng)保壓重錘式液控蝶閥。該蝶閥采用液壓驅(qū)動(dòng)，油壓可達(dá)14 MPa，減小了接力器的體積，開(kāi)啟過(guò)程中能夠同時(shí)舉起2 個(gè)重錘，利用舉起的重錘蓄能進(jìn)行關(guān)閉操作，取消了蓄能罐。蝶閥開(kāi)啟后鎖定自動(dòng)投入，液壓系統(tǒng)自動(dòng)保壓，重錘不下掉，蝶板不抖動(dòng)；蝶閥關(guān)閉時(shí)不需要?jiǎng)恿τ驮矗詣?dòng)解除鎖定，按預(yù)定程序關(guān)閉蝶閥，極大地簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)。該蝶閥采用雙偏心板，水平安裝的閥軸在管道中心線上移一定距離，使閥板下半部迎水面積大于上半部，利用動(dòng)水力的作用幫助組閥門(mén)關(guān)閉，以減少重錘的重量。該蝶閥將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的壓油裝置、蝴蝶閥控制柜、電氣自動(dòng)控制箱、接力器、控制油管緊湊地集聚在一起，實(shí)現(xiàn)了就地控制、遠(yuǎn)方控制及聯(lián)動(dòng)控制。

蝶閥控制系統(tǒng)主要由油泵、油泵電機(jī)、溢流閥、調(diào)速閥、手動(dòng)閥、電磁閥等各種控制閥組成，各閥之間的控制與配合動(dòng)作如圖1所示。

（1）蝶閥開(kāi)閥流程：手閥1（SDF1）關(guān)閉→手閥2（SDF2）關(guān)閉→手閥3（SDF3）開(kāi)啟→開(kāi)啟命令→蝶閥啟動(dòng)主油泵→鎖定電磁閥得電動(dòng)作→壓力油經(jīng)高壓膠管2 到達(dá)鎖定油缸→拔出蝶閥鎖定→電磁閥2 關(guān)閉→電磁閥1 關(guān)閉→壓力油經(jīng)高壓膠管1 到達(dá)蝶閥接力器并對(duì)蓄能器沖壓儲(chǔ)能→蝶閥接力器動(dòng)作開(kāi)啟蝶閥并將重錘舉起→蝶閥全開(kāi)后鎖定電磁閥失電投入蝶閥鎖定→蝶閥開(kāi)啟結(jié)束→油泵停止運(yùn)行。

book=30,ebook=36

（2）蝶閥關(guān)閥流程：手閥1（SDF1）關(guān)閉→手閥2（SDF2）關(guān)閉→手閥3（SDF3）開(kāi)啟→蝶閥關(guān)閉命令→鎖定電磁閥得電動(dòng)作→壓力油經(jīng)高壓膠管2 到達(dá)鎖定油缸→拔出蝶閥鎖定→鎖定電磁閥得電動(dòng)作→電磁閥1 得電開(kāi)啟→蝶閥在重錘作用下關(guān)閉→蝶閥關(guān)閉后鎖定電磁閥得電動(dòng)作投入鎖定→電磁閥1 失電關(guān)閉→蝶閥關(guān)閉完成。當(dāng)蓄能器壓力足夠時(shí)，油泵不會(huì)啟動(dòng)。

1.2 電能產(chǎn)生過(guò)程

能量生產(chǎn)過(guò)程的建模包括確定輸入信號(hào)［渦輪機(jī)室中的輸入流量F（t）累積每個(gè)渦輪機(jī)葉片上釋放的輸入流量］和主輸出信號(hào)［兩個(gè)同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的總實(shí)際功率P（t）之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系］。實(shí)際上，能源生產(chǎn)過(guò)程的建模代表了2 個(gè)渦輪機(jī)同步發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)整體的動(dòng)力學(xué)建模。由于小型水電站運(yùn)行過(guò)程中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可以采集的，為確定數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，本研究應(yīng)用實(shí)驗(yàn)識(shí)別。水電站運(yùn)行一天出現(xiàn)3 個(gè)輸入流量的過(guò)渡狀態(tài)，表1 列出了3 種過(guò)渡狀態(tài)（序號(hào)1～3，4～5，6～8）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 過(guò)程識(shí)別相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

前2 個(gè)過(guò)渡狀態(tài)是遞減的（序號(hào)1～3，4～5），并且分別通過(guò)輸入信號(hào)值從1.34 m3/s下降至0.93 m3/s、通過(guò)輸入信號(hào)數(shù)值從0.93 m3/s連續(xù)下降至0.91 m3/s。從表1 可以看出，在這2 種情況下，過(guò)渡狀態(tài)持續(xù)時(shí)間都低于58 s?？紤]到2 種類型的設(shè)備參與建模過(guò)程的結(jié)構(gòu)（渦輪機(jī)和同步發(fā)電機(jī)），可以突出顯示2個(gè)時(shí)間常數(shù)，它們的總和略小于10 s。此外，建模過(guò)程的結(jié)構(gòu)中包含1 個(gè)電氣子過(guò)程和1 個(gè)機(jī)械子過(guò)程，2 個(gè)時(shí)間常數(shù)中的一個(gè)（與機(jī)械子過(guò)程相關(guān)的）始終高于另一個(gè)。因此，確定值T1＝1.6 s 和T2＝8 s。該過(guò)程的比例常數(shù)也使用表1中給出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

2 容錯(cuò)控制策略

本文提出的容錯(cuò)控制策略如圖2所示。孤島微電網(wǎng)（IMG）中輸送的實(shí)際功率使用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，該級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)包含主控制器（MRPC）和輔助控制器（SFC）。使用有功功率傳感器（RPS）和流量傳感器（FS），獲得2 個(gè)控制器的反饋信號(hào)r1（t）和r2（t）。來(lái)自內(nèi)部回路的子過(guò)程由閥門(mén)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（VAS）和閥門(mén)（V）組成并共同進(jìn)行建模。元件RPS、FS 和VAS+V 的傳遞函數(shù)由它們的技術(shù)規(guī)范獲得，需要注意的是VAS 結(jié)構(gòu)中使用的液壓伺服電機(jī)是PI類型的伺服電機(jī)。因此，流量F（t）是連接2個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)子過(guò)程（來(lái)自內(nèi)環(huán)的VAS+V 和來(lái)自外環(huán)的T+SG）的中間信號(hào)。實(shí)際功率設(shè)定點(diǎn)信號(hào)為Psp（t），控制器產(chǎn)生的2 個(gè)控制信號(hào)為c1（t）和c2（t），SFC 的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)a1（t）、a2（t）分別為2 個(gè)控制器的誤差信號(hào)。此外，流量擾動(dòng)信號(hào)是Fd（t），這2 個(gè)控制器可以通過(guò)信號(hào)fC（t）=0，c3（t）=0 和Fd（t）=0調(diào)諧。

圖2 一次控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)

首先，使用來(lái)自內(nèi)環(huán)的元件的數(shù)學(xué)模型并應(yīng)用對(duì)稱性準(zhǔn)則（用于在跟蹤狀態(tài)中獲得良好性能）調(diào)諧SFC。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到的SFC傳遞函數(shù)：

book=31,ebook=37HSFC（s）具有一階濾波器的PID（比例-積分-微分）類型。使用HSFC（s）傳遞函數(shù)和模塊準(zhǔn)則對(duì)MRPC控制器進(jìn)行調(diào)諧（以在穩(wěn)定狀態(tài)下獲得良好性能）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到的MRPC的傳遞函數(shù)：

公式（1）和公式（2）是PI 型的傳遞函數(shù)。IMG 的數(shù)學(xué)模型將輸送功率P（t）與微電網(wǎng)頻率f（t）聯(lián)系起來(lái)，可以表示為二階模型。適用于略微降低F（t）信號(hào)值的直接解決方案是修改SFC 的初始形式，將其替換為分?jǐn)?shù)階形式，如公式（3）所示：

其中：α參數(shù)的增加是正的，意味著控制器導(dǎo)數(shù)分量微分階數(shù)的降低在應(yīng)用該程序之后，獲得值α=0.11。

與T+SG+RPS元件相關(guān)聯(lián)的過(guò)程是三階方程，在輸入信號(hào)和反饋信號(hào)上都使用3 條延遲線。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，獲得高質(zhì)量的神經(jīng)模型，其響應(yīng)高精度地疊加在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕稀M1的輸出信號(hào)rN1（k）如下：

其中：k是與當(dāng)前時(shí)刻相關(guān)聯(lián)的序列；Wl是連接隱藏層和輸出神經(jīng)元的權(quán)重的向量；Wi是輸入權(quán)重的矩陣；Bl是包含隱層神經(jīng)元的偏置值的向量；IV是以轉(zhuǎn)置形式寫(xiě)入的輸入矢量；bo是信號(hào)輸出神經(jīng)元偏置值常數(shù)。

其次，為量化Fd（t）擾動(dòng)效應(yīng)，應(yīng)用與故障識(shí)別情況類似的程序。使用生成輸出信號(hào)rN2（t）的INM2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)串行結(jié)構(gòu)VAS+V+FS 的動(dòng)力學(xué)，誤差信號(hào)a4（t）=r2（t）-rN2（t）表示Fd（t）值的測(cè)量值。這些擾動(dòng)補(bǔ)償是利用前饋控制結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行的，因此補(bǔ)償器由INM3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)串行結(jié)構(gòu)FS+VAS+V+SFC的濾波逆模型。

最后，通過(guò)使用微調(diào)控制元件（FACE）對(duì)初始補(bǔ)償信號(hào)c3i（t）進(jìn)行微調(diào)，該微調(diào)控制元件是用于獲得最佳干擾效果抑制的比例元件（P）。FACE 產(chǎn)生的補(bǔ)償信號(hào)c3（t）修改了SFC的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)，SFC的誤差信號(hào)由a2（t）=c1（t）-r2（t）c3（t）給出。

3 仿真試驗(yàn)分析

本文的仿真試驗(yàn)在MATLAB/Simulink 軟件中進(jìn)行，為測(cè)試在啟動(dòng)階段使用級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)的效率，考慮用于水電站控制的不同控制結(jié)構(gòu)，即簡(jiǎn)單反饋控制結(jié)構(gòu)、級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)和IMC（內(nèi)部模型控制）結(jié)構(gòu)的階躍響應(yīng)（如圖3所示）。在不考慮系統(tǒng)故障或受其他因素干擾的情況下，F(xiàn)d（t）=0和fd（t）=0，呈現(xiàn)了IMG頻率與時(shí)間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

圖3 不同控制策略之間的比較

從圖3 可以看出，使用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，它產(chǎn)生的穩(wěn)定時(shí)間ts1=25.82 s，顯著低于其他2 種研究的控制結(jié)構(gòu)，并保持超調(diào)σ=0%。此外，如圖4 所示，渦輪機(jī)葉片水流響應(yīng)狀態(tài)是在F（t）信號(hào)未達(dá)到飽和極限的情況下獲得的，圖4中的F（t）信號(hào)的最大值為2.76 m3/s，值略低于標(biāo)準(zhǔn)頻率（f）。

圖4 與系統(tǒng)響應(yīng)相關(guān)的F（t）信號(hào)變化

本仿真試驗(yàn)的一個(gè)重要部分是研究故障發(fā)生的運(yùn)行機(jī)制，在本文的研究中，如果電廠在運(yùn)行開(kāi)始100 s 后發(fā)生故障，意味著實(shí)際功率突然下降100 kW，使用與不使用故障識(shí)別器和補(bǔ)償器的控制系統(tǒng)響應(yīng)之間的比較結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看出，使用故障補(bǔ)償器相比不使用故障補(bǔ)償器，能更有效地抑制故障效應(yīng)。本試驗(yàn)考慮的故障是一個(gè)平均值故障，可以被控制系統(tǒng)作為效應(yīng)抑制，故障分析器生成的決策是繼續(xù)進(jìn)行操作。

圖5 在補(bǔ)償和不補(bǔ)償故障影響的情況下F（t）信號(hào)的變化

控制策略也在系統(tǒng)發(fā)生Fd（t）擾動(dòng)（流量擾動(dòng)）的情況下進(jìn)行測(cè)試。信號(hào)Fd（t）＝-0.15 m3/s 在工廠操作book=32,ebook=38開(kāi)始的150 s 之后被引入。在使用本文提出的策略后，獲得對(duì)干擾效應(yīng)更有效的抑制，但并不明顯優(yōu)于不使用NM2 元件的情況，其原因是使用了級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)后，該結(jié)構(gòu)能高效地抑制內(nèi)環(huán)中發(fā)生的所有擾動(dòng)的影響。系統(tǒng)中輸送的實(shí)際功率隨時(shí)間的變化而變化（如圖6 所示）。圖6 中的大橢圓圈內(nèi)顯示的是斷層效應(yīng)，小橢圓圈內(nèi)顯示的是流動(dòng)擾動(dòng)的影響。由于容錯(cuò)控制效果，在具備故障識(shí)別器、無(wú)故障識(shí)別器2種情況下，實(shí)際功率值在小的變化后施加值達(dá)到1 717 kW。實(shí)際上，在流量擾動(dòng)的情況下，過(guò)渡狀態(tài)并不重要，在發(fā)生故障時(shí)，過(guò)渡狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間僅為3.1 s，證明了所提出的控制策略具有高性能。此外，所有呈現(xiàn)的高性能都是在未達(dá)到閥門(mén)V 的飽和極限的情況下獲得的。由此可以得出結(jié)論，所提出的容錯(cuò)控制策略具有可行性。

圖6 F（t）信號(hào)變化

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的用于小型水電站（以大盈江水電站為例）一次控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制策略，是一種具備高控制性能的原始解決方案。通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)論是在啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)還是在故障影響抑制狀態(tài)，所提出的控制策略均能獲得高性能，并且允許水電站在故障模式下運(yùn)行，直到故障（廣義故障）達(dá)到影響無(wú)法消除的極限值，即水電廠運(yùn)行中斷的時(shí)刻。本文提出的能源生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型實(shí)效性高，能利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障識(shí)別。為實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和補(bǔ)償機(jī)制，還在建模的過(guò)程使用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確保了模型的高精度，并且易于在計(jì)算設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。該控制系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用于水電站實(shí)際生產(chǎn)中，為同類小型水電站系統(tǒng)建設(shè)提供了參考。