唐立軍，劉友寬，杜景琦，羅恩博

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

水電機組導葉非線性自適應校正控制方法

唐立軍，劉友寬，杜景琦，羅恩博

(云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

水輪發(fā)電機組是一個典型的非線性系統(tǒng)，不同的導葉開度下其簡化線性模型不同。本文分析了水電機組功率波動的原因，提出一種針對不同導葉開度下簡化線性模型的自適應校正PID比例增益的控制方法，給出了導葉開度非線性自適應校正控制方法的參數(shù)整定方法，并在石門坎水電廠#2機組進行了現(xiàn)場實施，現(xiàn)場實施和試驗表明：該方法實施后機組靜態(tài)調節(jié)誤差、功率波動周期、功率波動幅度、調節(jié)穩(wěn)定時間明顯改善，有效的提高了機組的調節(jié)性能。

水電機組；自適應校正控制；功率波動

0 前言

水輪發(fā)電機組是一個典型的非線性系統(tǒng)，其線性化數(shù)學模型的各系數(shù)在不同的工作點相差較大水輪機組[1]。文獻 [2]指出水輪發(fā)電機調速系統(tǒng)是一個高階系統(tǒng)，而水輪機及引水系統(tǒng)的固有特點又決定了該調速系統(tǒng)具有非線性、時變特性。對于簡化線性化模型而言，主要體現(xiàn)在模型的參數(shù)隨著工況的變化而改變，不同的導葉開度下簡化線性化模型不同[3]。導葉開度與機組有功功率存在著非線性對應關系，采用傳統(tǒng)PID控制器對非線性對象進行控制，易導致機組功率發(fā)生波動，機組功率的波動易引起電網(wǎng)低頻振蕩[4]。文獻 [5]指出良好的導葉開度控制不僅對電力系統(tǒng)大干擾穩(wěn)定性的改善有很大的作用，而且對系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性的提高及抑制系統(tǒng)低頻振蕩也非常有效。因此，有必要研究一種可以在PLC中實現(xiàn)的導葉開度自適應校正PID控制器的參數(shù)控制方法，可以有效抑制由于水輪發(fā)電機由于控制對象模型變化而引起的功率波動。

某水電廠#2機組自投運后發(fā)現(xiàn)機組功率在45 MW～60 MW區(qū)間，有功功率波動 (即靜態(tài)偏差)超過3.8 MW(5.8%額定功率)、波動頻率較為頻繁，機組靜態(tài)偏差無法滿足規(guī)程[6]中規(guī)定要求。為此，本文結合機組功率波動實際情況，通過采用導葉非線性自適應校正控制方法，對#2機組原有功率閉環(huán)控制回路進行優(yōu)化改進，成功解決了#2機組功率波動問題。采用本文控制方法后，有功功率波動小于1 MW，波動頻率大幅加長，功率曲線趨于平滑。

1 水電機組功率振蕩原因分析

引起水電機組有功功率振蕩的原因有以下幾個方面：一是功率測量源測量不準確，存在跳變，導致調速器功率控制器反復調節(jié)；二是PSS控制器內(nèi)部模型配置錯誤引起功率振蕩[7]；三是水輪機組引水或尾水管道設計不合理或施工不到位引起蝸殼壓力或尾水管壓力存在脈動，導致水輪機導葉未動，功率振蕩的情況。通過查看歷史數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)分析，引起水電廠功率波動的原因是水輪機組引水或尾水管道蝸殼壓力或尾水管壓力存在脈動。

2 導葉非線性自適應校正控制原理

目前，水電機組監(jiān)控系統(tǒng)與調速系統(tǒng)之間功率控制配合方式有兩種：脈寬方式和通訊方式[8]。脈寬調節(jié)方式下監(jiān)控系統(tǒng)PID控制器根據(jù)功率設定值和功率輸出PWM脈沖至調速系統(tǒng)調節(jié)導葉開度；通訊調節(jié)方式下監(jiān)控系統(tǒng)只是將監(jiān)控系統(tǒng)的功率設定值通過電流信號 (4～20 mA)或其他通訊方式轉發(fā)給調速系統(tǒng)，由調速系統(tǒng)PID實現(xiàn)功率調節(jié)。

文中針對脈寬調節(jié)方式下進行導葉非線性自適應校正控制方法介紹。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)導葉開度自適應校正PID控制器的比例參數(shù)，實現(xiàn)導葉開度和機組有功功率之間的線性化，可以有效改善機組有功功率調節(jié)性能。其實現(xiàn)原理圖如圖1所示。圖中虛線框內(nèi)為監(jiān)控系統(tǒng)功率閉環(huán)及導葉非線性校正控制方法框圖，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)導葉開度，自適應修正PID控制器的比例增益，實現(xiàn)不同導葉開度和不同工況下的自適應控制，其中Kp0為原系統(tǒng)比例增益或經(jīng)過試驗整定的比例增益初始值；F(x)為導葉開度非線性校正函數(shù)，限幅模塊用于限制比例增益的過大或過小引起功率調節(jié)速率的超調和過慢，實現(xiàn)空載以上導葉開度恒速率控制。監(jiān)控系統(tǒng)與調速系統(tǒng)通過PWM脈寬進行接口。

圖1 導葉非線性自適應校正控制原理框圖

導葉開度非線性校正函數(shù) F(x)可表示如下：

式中，a1(x)～an(x)為PID模塊的比例增益修正系統(tǒng)，x1～xn為不同的導葉開度區(qū)間 (x1為空載開度)，a1(x)～an(x)、x1～xn需要通過現(xiàn)場試驗確定。

根據(jù)圖1可知，監(jiān)控系統(tǒng)PID模塊的比例增益Kp可表示為：

由式1和式2可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)導葉開度自適應修正監(jiān)控PID模塊的比例增益，對不同導葉開度區(qū)間不同比例控制增益以適應控制對象變化，從而達到抑制功率波動的目的。

3 控制方法實施

3.1 水電廠概述

水電站裝機容量為兩臺額定65 MW的機組，共130 MW，年發(fā)電量5.964億kW.h。計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用H9000監(jiān)控系統(tǒng)，機組LCU采用GE 90-30 PLC作為LCU的主控制器，GE 90-30 PLC的CPU采用的是586/133 MHz微處理器，支持梯形圖和IL指令表編程。本文采用Proficy Machine Edition 8.5軟件的梯形圖進行開發(fā)。

3.2控制方法實現(xiàn)

控制方法實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 控制方法實現(xiàn)框圖

導葉開度非線性校正方法只有在機組并網(wǎng)后才運行，根據(jù)導葉開度的不同自適應計算當前導葉開度下的比例增益。

3.3 控制方法參數(shù)整定

為了得到不同導葉開度下對應的控制器比例增益，進行導葉開度/負荷試驗；試驗在機組并網(wǎng)條件下，進行負荷升降試驗，每次升、降的幅度為5 MW，最后將機組功率和對應的導葉開度數(shù)據(jù)導出，計算不同功率下對應的導葉開度平均值，記錄于表1。從表1可看出單位導葉開度對應的負荷變化是不同的，斜率k反應出單位導葉開度對應的功率變化值，k越大說明導葉的變化對功率的影響越大。

對原系統(tǒng)進行負荷變動試驗，整定Kp0使其滿足控制性能要求。

表1 同負荷下導葉開度對應關系表

根據(jù)表1可得，導葉開度非線性校正函數(shù)F (x)可表示為：

4 控制方法實施效果

實施導葉非線性校正控制方法后，在機組振動區(qū)以上，對機組進行變負荷試驗對加入控制方法前后功率調節(jié)靜態(tài)和動態(tài)性能進行了比較。

4.1 靜態(tài)性能對比

圖1為優(yōu)化前機組在55 WM的靜態(tài)性能。可以看出功率在55 MW時波動幅度較大、波動周期較短。圖2為優(yōu)化后55 MW時機組的靜態(tài)性能。圖2中綠色的曲線為設定值為55 MW時的實發(fā)功率曲線，對比圖1可以看出，優(yōu)化后，55 MW時功率波動頻率和波動幅度 (靜態(tài)偏差)都大幅降低，性能得到明顯提高。

表1 優(yōu)化前后靜態(tài)性能對比表

表1為加入導葉前后靜態(tài)性能比較 (功率設定值為55 MW)，可以看出加入導葉非線性自適應校正控制后靜態(tài)偏差減小了5倍，功率波動最大最小之間的幅度減小了3倍，波動周期加大了10倍 (即周期越大說明功率曲線更加平滑了)。

4.2 動態(tài)性能對比

在投入機組功率閉環(huán)控制，改變機組設定值對機組的動態(tài)響應性能進行測試。圖3為優(yōu)化前測試曲線，圖4為優(yōu)化后測試曲線。表2是為優(yōu)化前后動態(tài)性能比較。通過對比可以看到，優(yōu)化后超調量較之前較小，調節(jié)速率有可能會降低但是在遠高于規(guī)范中要求的大于60%額定功率每分鐘，優(yōu)化之后改善較為明顯的是穩(wěn)定時間，以65 MW～55 MW變動為例，穩(wěn)定時間從優(yōu)化前的24 s優(yōu)化為4 s，即監(jiān)控系統(tǒng)調節(jié)的次數(shù)和品質得到了明顯的提升。

圖1 優(yōu)化前負荷變動曲線

表2 優(yōu)化前后動態(tài)性能對比表

圖2 優(yōu)化后負荷變動曲線

5 結束語

綜上所述，機組現(xiàn)場靜態(tài)和動態(tài)試驗表明：導葉非線性校正邏輯能夠有效的提升機組的靜態(tài)調節(jié)性能，靜態(tài)調節(jié)誤差由 4.1%額定功率(Pe)優(yōu)化至0.8%Pe、機組功率波動周期由原來的4 s優(yōu)化至40 s、機組功率波動幅度由原來的5.6%Pe優(yōu)化至2%Pe、機組功率波動周期從原來的24 s優(yōu)化至4 s，有效的改善機組的調節(jié)性能；動態(tài)性能方面，在不降低機組調節(jié)速率的情況下，減小機組的超調，縮短機組調節(jié)的穩(wěn)定時間。

可見，文中提出的導葉非線性自適應校正控制方法能夠有效改善機組的動態(tài)和靜態(tài)性能。

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Research and Implementation of Nonlinear Adaptive Correction Control Method of the Hydropower Unit Guide Vane

TANG Lijun，LIU Youkuan，DU Jinqi，LUO Enbo
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Hydro generating plant is a typical nonlinear system，the simplified linear model is different under different guide glade opening.This paper analyzes the cause of power oscillation of hydropower plant and proposes an adaptive control method of PID proportional gain correction for simplified linear model under different guide glade opening.A parameter setting method of the nonlinear adaptive control method for the guide glade opening is then present and has conducted in field implementation in#2 unit of Shimenkan hydropower plant.The results of the field implementation indicate that this method has effectively enhanced the regulating performance of units and the static regulation error，power oscillation cycle，power fluctuations，adjusting and stabilizing time of units has significantly improved.

hydropower plant；adaptive correction control；power oscillation

TM73

B

1006-7345(2014)05-0053-04

2014-07-07

唐立軍 (1985)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)電力研究院，從事水、火電廠自動控制、智能變電站等方面研究 (e-mail) tlijun＠foxmail.com。

劉友寬 (1973)，男，碩士，教授級高級工程師，云南電網(wǎng)電力研究院，從事火電、水電自動化的控制、測量與保護等方面的現(xiàn)場調試、試驗等技術及研究工作。

杜景琦 (1980)，男，碩士，工程師，云南電網(wǎng)電力研究院，從事火電、水電自動化的控制的現(xiàn)場調試、試驗等技術及研究工作。