陳　艷，李學(xué)禮（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

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基于自適應(yīng)PID控制的水電站有功功率調(diào)節(jié)

陳艷，李學(xué)禮
（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

[摘要]隨著電網(wǎng)運行需要，對有功功率的調(diào)節(jié)品質(zhì)要求也不斷提高，而水電站機(jī)組的有功功率調(diào)節(jié)主要通過控制機(jī)組的調(diào)速器系統(tǒng)來實現(xiàn)，本文將以鏡泊湖水電站為列，討論如何安全、平滑，快速的將機(jī)組有功功率調(diào)整到設(shè)定的目標(biāo)值，不出現(xiàn)超調(diào)與調(diào)節(jié)震蕩。

[關(guān)鍵詞]調(diào)速器；有功功率調(diào)節(jié)；PID調(diào)節(jié)；變參數(shù)

0　工程概況

鏡泊湖發(fā)電廠位于黑龍江省牡丹江市西南方110公里的牡丹江上游，是黑龍江省電網(wǎng)主要調(diào)峰電站之一，主要擔(dān)負(fù)系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。電站共裝機(jī)6臺，其中地下廠房裝機(jī)為4×15MW，地上廠房2×18MW，總裝機(jī)容量為96MW。

由于電站擔(dān)負(fù)系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，因此對電站有功功率的調(diào)整要求較高，電站最初采用監(jiān)控控制調(diào)速器的方式來進(jìn)行有功功率的調(diào)節(jié)，即監(jiān)控那個系統(tǒng)通過脈沖增減的方式控制調(diào)速器進(jìn)行功率的增減，但由于受到水輪機(jī)、水利條件等不確定因素的影響，往往無法精確快速穩(wěn)定的將有功功率調(diào)整至設(shè)定值，因此功率調(diào)節(jié)改由調(diào)速器完成，具體方式為，監(jiān)控通過通訊設(shè)備改變有功功率目標(biāo)值，并且下達(dá)功率調(diào)節(jié)開始及結(jié)束命令，調(diào)速器獨立完成調(diào)節(jié)任務(wù)。

1　電網(wǎng)對PID功率調(diào)節(jié)的要求

電網(wǎng)對水電機(jī)組PID功率調(diào)節(jié)的要求，在機(jī)組功率調(diào)節(jié)過程中，保證安全、平滑，快速的將機(jī)組有功功率調(diào)整到設(shè)定的目標(biāo)值內(nèi)，不出現(xiàn)超調(diào)與調(diào)節(jié)震蕩，能保證機(jī)組的各項參數(shù)在允許的功率死區(qū)內(nèi)運行。

典型的PID調(diào)節(jié)過程如圖1所示。

圖1　典型的PID調(diào)節(jié)過程圖

2　水輪機(jī)PID功率調(diào)節(jié)的構(gòu)成

水電機(jī)組的PID調(diào)節(jié)是一個典型的工業(yè)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)，一個傳統(tǒng)的工業(yè)閉環(huán)控制包括控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口、被控對象。

以鏡泊湖水電站調(diào)速系統(tǒng)為例，PLC為核心控制器，A/D模塊、定位模塊及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成輸入及輸出接口，步進(jìn)電機(jī)及液壓系統(tǒng)組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)速系統(tǒng)硬件配置及控制原理框圖，如圖2～圖3所示。

圖2　調(diào)速系統(tǒng)硬件配置

圖3　調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

3　軟件設(shè)計

由于水輪機(jī)的巨大慣性及調(diào)節(jié)過程中水流所產(chǎn)生的波動，功率反饋具有一定的遲滯性，因此對于常規(guī)的PID控制，很難達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果，如果參數(shù)過小，會延長調(diào)節(jié)時間，如果參數(shù)過大，則會造成較大的超調(diào)及震蕩，很難達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果，針對這種情況，采用自適應(yīng)PID的控制方式，是一個較理想的解決方式，即在不同的狀態(tài)下采用不同的PID參數(shù)，可兼顧超調(diào)及調(diào)節(jié)時間，以鏡泊湖功率調(diào)節(jié)為列，當(dāng)實時功率與功率設(shè)定差值小于3000KW時，PID參數(shù)為：KP=2.0，KI=0.15，KD=0當(dāng)實時功率與功率設(shè)定差值大于3000KW時，PID參數(shù)為：KP=1.5，KI=0.1，KD=0，試驗結(jié)果表明，采用這種變參數(shù)調(diào)節(jié)方式，機(jī)組可在40s內(nèi)達(dá)到且穩(wěn)定在額定功率，相對于常規(guī)PID控制環(huán)方式，上升時間短，上升速率穩(wěn)定，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短且無震蕩。功率調(diào)整流程圖如圖4所示。

4　實驗數(shù)據(jù)及波形

試驗數(shù)據(jù)與波形見表1及圖5所示。

圖4　鏡泊湖電站功率調(diào)節(jié)流程圖

表1　機(jī)組有功功率隨時間變化表

圖5　機(jī)組有功功率隨時間變化曲線

5　結(jié)論

經(jīng)過電站長期的運行觀察，基于自適應(yīng)PID控制方式所設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)操作簡單，調(diào)節(jié)穩(wěn)定，運行可靠，完全滿足電網(wǎng)的運行要求。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]鄧家祺. 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的根軌跡校正與PI、PID調(diào)速器的參數(shù)選擇[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1982(2): 53-63.

[2]周兆瑞, 張志勇. 鏡泊湖發(fā)電廠水輪機(jī)氣蝕改造對策[J]. 黑龍江科技信息, 2008(33): 35-48.

陳艷（1976-），1997年7月畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)電氣系電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，1997-2012

在天津電氣科學(xué)研究院有限公司從事水輪機(jī)調(diào)速器的研究與設(shè)計，2012年開始至今從事水電站電氣設(shè)計工作，高級工程師。

審稿人：樸秀日

Active Power Regulation Based On Self Adapting PID Controller

CHEN Yan, LI Xueli
(Tianjin Research Institute of Electric Science Company Ltd., Tianjin 300180, China)

Abstract:As important control equipment in hydraulic power station, turbine governor provides high-quality, reliable power protection for the industrial production and people's daily lives. The regulation performance will affect the power quality, power plant safety and economic operation. A special regulation model for generating units active power has been introduced in this article through the Jingbohu Station on-site testing.

Key words:governor; active power regulation; PID regulation; changeable parameter

[作者簡介]

[收稿日期]2015-01-20

[中圖分類號]TK730.4+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1000-3983(2016)01-0062-03