潘道明

（湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司達(dá)岱項(xiàng)目部，柬埔寨戈公?。?/p>

柬埔寨達(dá)岱電廠基于自適應(yīng)控制策略的調(diào)速器系統(tǒng)分析

潘道明

（湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司達(dá)岱項(xiàng)目部，柬埔寨戈公省）

通過長距離壓力隧洞引水的水輪發(fā)電機(jī)組，往往具有較大的水力時(shí)間常數(shù)，在引水隧洞后半段設(shè)置調(diào)壓井是減小水力時(shí)間常數(shù)的方法。在高水頭的水電站中，機(jī)組在甩負(fù)荷時(shí)，必然會引起轉(zhuǎn)速和蝸殼壓力超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律可以改善轉(zhuǎn)速和蝸殼壓力上升率，也是一種最直接、最經(jīng)濟(jì)的方法。調(diào)速器針對不同的工況，選擇最優(yōu)的PID參數(shù)，就能提高機(jī)組的動態(tài)性能，文中還詳細(xì)敘述了自適應(yīng)控制策略和操作方法。

調(diào)速器；自適應(yīng)；水錘效應(yīng)；導(dǎo)葉分段關(guān)閉；參數(shù)優(yōu)化

柬埔寨達(dá)岱電廠位于柬埔寨戈公省境內(nèi)，電廠裝機(jī)容量246MW，安裝3臺82MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年發(fā)電量8.49億kW·h。機(jī)組采用一管三岔引水隧洞方式，引水隧洞全長9982.414m，在引水隧洞末端設(shè)置有調(diào)壓井。水錘效應(yīng)是影響水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)的一個(gè)重要因素，調(diào)速器不同關(guān)閉規(guī)律對調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能有著重要影響，改變導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律是解決水電站甩負(fù)荷時(shí)壓力鋼管壓力上升率和混流式水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率矛盾的重要措施［1］。

目前水輪機(jī)調(diào)速器的控制基本還是PID控制系統(tǒng)，PID參數(shù)的設(shè)置往往只是在機(jī)組投運(yùn)時(shí)，通過現(xiàn)場調(diào)試結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)置一組參數(shù)［2］，當(dāng)機(jī)組的工況改變時(shí)，固定參數(shù)的PID控制很難滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需求［3］。變參數(shù)變結(jié)構(gòu)的調(diào)速器通過判斷機(jī)組的不同工況，相應(yīng)改變PID參數(shù)，使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。文中探討了調(diào)速器自動適應(yīng)工況的變參數(shù)變結(jié)構(gòu)控制策略，以及實(shí)現(xiàn)變參數(shù)調(diào)結(jié)構(gòu)的方法。發(fā)電機(jī)參數(shù)如下：

單臺發(fā)電機(jī)容量：P=82MW；

額定水頭：HP=188m；

額定轉(zhuǎn)速：n=375r/min；

飛逸轉(zhuǎn)速：nr=650r/min；

轉(zhuǎn)輪直徑：D=2.5m；

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量：GD2=1800t·m2；

調(diào)速器型號：SAFR-2000H。

1　調(diào)速器結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的調(diào)速器系統(tǒng)參數(shù)主要是以PID結(jié)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)，而調(diào)速器的PID參數(shù)通過理論計(jì)算給出參數(shù)范圍，再經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，找到最優(yōu)的參數(shù)，以作為機(jī)組運(yùn)行的最佳參數(shù)。一般調(diào)速器只有一組固定的PID參數(shù)，不能根據(jù)不同的工況來調(diào)節(jié)參數(shù)，傳統(tǒng)的PID傳遞函數(shù)如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)PID傳遞函數(shù)方框圖

由圖1可以求出調(diào)速器PID傳遞函數(shù)如下：

達(dá)岱電廠的調(diào)速系統(tǒng)型號為SAFR-2000H，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定改進(jìn)，將傳統(tǒng)的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)的輸入由PID綜合輸出，改為由積分環(huán)節(jié)輸出，稱為改進(jìn)型PID結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還在結(jié)構(gòu)上單獨(dú)將導(dǎo)葉反饋單獨(dú)成立一個(gè)閉環(huán)，稱為副環(huán)，而PID環(huán)節(jié)稱為主環(huán)。即頻率環(huán)為主環(huán)，導(dǎo)葉環(huán)為副環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示［4］。

圖2　SAFR-2000H調(diào)速器改進(jìn)型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖2可以求出調(diào)速器的主環(huán)的PID傳遞函數(shù)如下：

比較式（1）和式（2）兩個(gè)傳遞函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)式（2）的傳遞函數(shù)的分子與式（1）的相同，則傳遞函數(shù)的零點(diǎn)相同，而分母則少了一階，也就是改進(jìn)型PID結(jié)構(gòu)在傳遞函數(shù)上比傳統(tǒng)PID傳遞函數(shù)少了一個(gè)極點(diǎn)。-bpKI為主導(dǎo)閉環(huán)極點(diǎn)，主導(dǎo)閉環(huán)極點(diǎn)對系統(tǒng)的動態(tài)性能具有主導(dǎo)作用［5］，效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)，這使得改進(jìn)型PID結(jié)構(gòu)擁有更好的調(diào)節(jié)性能，穩(wěn)定域也更寬。在Matlab中對兩個(gè)傳遞函數(shù)做階躍響應(yīng)仿真，響應(yīng)圖形如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖調(diào)速器的運(yùn)行方式主要有：頻率方式、開度方式和功率方式，由于功率閉環(huán)已經(jīng)在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，在調(diào)速器本身就取消了功率閉環(huán)方式，所以，調(diào)速器正常運(yùn)行時(shí)，只有頻率方式和開度方式。在機(jī)組并網(wǎng)前采用頻率方式，機(jī)組頻率跟蹤電網(wǎng)頻率；機(jī)組并網(wǎng)之后采用開度方式，機(jī)組開度維持在給定開度。

2　系統(tǒng)分析

2.1水利因素分析

水利因素是影響機(jī)組穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，通過分析水利因素的大小來確定對機(jī)組運(yùn)行的影響。電廠采用長距離隧洞引水方式，在引水隧洞后半段設(shè)置有溢流式調(diào)壓井，壓力鋼管末端設(shè)計(jì)為“一主三岔”方式，三路支管分別對應(yīng)三臺機(jī)組，引水隧洞結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

計(jì)算水力時(shí)間常數(shù)TW。

式中，TW為水力時(shí)間常數(shù)；LV∑為調(diào)壓井后引水隧洞的每段長度與水的流速的乘積之和，4341m2/s［6］；g為重力加速度，9.81m/s2；HP為設(shè)計(jì)水頭，188m。

由于水力時(shí)間常數(shù)計(jì)算值小于2.5s，在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，機(jī)組可以正常運(yùn)行。

2.2過渡過程分析

機(jī)組的過渡過程是指水力機(jī)組由一種穩(wěn)定工況或狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一工況或狀態(tài)的瞬時(shí)或短時(shí)間的變動過程［7］。引起機(jī)組過渡過程的原因主要有：增減負(fù)荷，電力系統(tǒng)振蕩等。機(jī)組的過渡過程會導(dǎo)致水錘的變化，將水錘的變化率控制在一定安全范圍之內(nèi)，這就需要對系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算，從而找到合適的解決方法。下面對電廠的機(jī)組過渡過程進(jìn)行理論分析。

圖4　引水隧洞結(jié)構(gòu)圖

機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉快速關(guān)閉，加劇蝸殼末端的水錘效應(yīng)，在較大的水流力矩的情況下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會急速升高，而機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高必然會威脅到機(jī)組及水工建筑物的安全，所以，必須將機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升率控制在安全的范圍之內(nèi)。

以下對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算［8］

壓力鋼管的平均流速

式中，Q為壓力鋼管設(shè)計(jì)流量，147.4m3/s；D為壓力鋼管直徑，8m。

壓力鋼管常數(shù)

式中，a為水壓波在壓力鋼管中的傳播速度，取1000m/s；H為額定水頭，188m。

由于ρτ＜1（τ為導(dǎo)葉開度大小，取100%），故該水錘類型為首相水錘。

壓力鋼管的特征系數(shù)

式中，LV∑為壓力鋼管長度與平均流速的乘積，取4341m2/s；sT′為接力器直線關(guān)閉規(guī)律運(yùn)動所需時(shí)間，取8s。

水錘波往返時(shí)間

式中，L為從調(diào)壓井到最遠(yuǎn)機(jī)組1號機(jī)進(jìn)水蝶閥距離，1179.68m。

水錘波從調(diào)壓井到機(jī)組往返的次數(shù)

在管導(dǎo)葉過程中水錘波從機(jī)組到調(diào)壓井有三次回波。

機(jī)組甩負(fù)荷后機(jī)組轉(zhuǎn)速上升計(jì)算

由摩根史密斯化簡公式可得

式中，N為水輪機(jī)出力，82000kW；GD2為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，1800t·m2；n為發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，375r/min。

考慮效率下降修正系數(shù)

式中，nk為發(fā)電機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速，650r/min。

由上式計(jì)算可知，水錘類型為間接首相水錘，則水壓上升率

考慮水擊的修正系數(shù)

則轉(zhuǎn)速上升率可以計(jì)算

由上式的計(jì)算可知，三臺機(jī)組同時(shí)甩額定負(fù)荷時(shí)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升了53.3%，水錘壓力上升了39.3%，超過了標(biāo)準(zhǔn)要求（標(biāo)準(zhǔn)要求β＜0.5）。以上計(jì)算是基于導(dǎo)葉一段關(guān)閉規(guī)律計(jì)算的，而導(dǎo)葉采用兩段關(guān)閉規(guī)律可以對壓力升高ξp和轉(zhuǎn)速升高β 進(jìn)行相對調(diào)整［9］，將導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間sT′由8s，調(diào)整為15.8s，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)葉兩段關(guān)閉規(guī)律

圖5中，T0為導(dǎo)葉不動時(shí)間：T0=0.2s；τ0為甩負(fù)荷時(shí)對應(yīng)的導(dǎo)葉開度；Yg為導(dǎo)葉分段關(guān)閉的拐點(diǎn)：Yg=65%Ymax；Tg1為第一段關(guān)閉時(shí)間：Tg1=2.8s，TS1=8s；Tg2為第二段關(guān)閉時(shí)間：Tg2=13s，Ts2=20s。

經(jīng)過調(diào)整導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律之后，重新用式（4）至式（13）式對參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

對單臺機(jī)組進(jìn)行了甩100%負(fù)荷試驗(yàn)（不具備三臺機(jī)同時(shí)甩額定負(fù)荷條件），機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升了35.4%，與計(jì)算結(jié)果結(jié)果接近（試驗(yàn)水頭低于額定水頭），如圖6所示。

圖6　單臺機(jī)組甩100%負(fù)荷曲線

表1　機(jī)組甩負(fù)荷參數(shù)計(jì)算

3　自適應(yīng)控制方法

目前，調(diào)速器控制系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化，所有的PID運(yùn)算都能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，調(diào)速器有幾種不同的運(yùn)行工況，不同的參數(shù)和結(jié)構(gòu)又對機(jī)組的動態(tài)性能有很大的影響［1］，所以要讓系統(tǒng)達(dá)到性能最優(yōu)化，必須要根據(jù)不同的工況調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)［10］。

調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行的工況主要有：開機(jī)、空載、發(fā)電、停機(jī)和手動。每種工況的參數(shù)設(shè)置都不相同，下面對各個(gè)工況進(jìn)行分析。

3.1開機(jī)

調(diào)速器接收到監(jiān)控系統(tǒng)的開機(jī)令后，在10s之內(nèi)將頻率給定值設(shè)定為50Hz，參數(shù)為空載PID參數(shù)，人工失靈區(qū)為0，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)為0，電氣開限為空載開限加10%。在整個(gè)開機(jī)過程中，系統(tǒng)一直跟蹤機(jī)組頻率，采用多段導(dǎo)葉開度控制方法，如圖7所示。

圖7　開機(jī)過程曲線

由圖7可以看出，機(jī)組開機(jī)過程，采用了多段導(dǎo)葉控制方法，轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，無沖擊現(xiàn)象。在控制的每個(gè)拐點(diǎn)都以機(jī)組轉(zhuǎn)速為標(biāo)準(zhǔn)，該方法能有效縮短開機(jī)時(shí)間，滿足快速并網(wǎng)的要求，又可減小超調(diào)量。

3.2空載

在開機(jī)完成，轉(zhuǎn)速達(dá)到95%以后或機(jī)組出口開關(guān)斷開之后，發(fā)電機(jī)進(jìn)入空載狀態(tài)，參數(shù)為空載PID參數(shù)，人工失靈區(qū)為0，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)為0，電氣開限為空載開限加10%。機(jī)組轉(zhuǎn)速=網(wǎng)頻+滑差，自動跟蹤電網(wǎng)頻率。

3.3發(fā)電

發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘之后，機(jī)組進(jìn)入發(fā)電態(tài)，頻率給定值為50Hz，參數(shù)為發(fā)電PID參數(shù)，人工失靈區(qū)和永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)為設(shè)定值。

3.4停機(jī)

調(diào)速器收到停機(jī)令后，系統(tǒng)直接將開度給定值設(shè)為0，導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，直到轉(zhuǎn)速為0。

3.5手動

調(diào)速器切到手動狀態(tài)時(shí)，調(diào)速器處于開度模式，反饋信號只有導(dǎo)葉開度，調(diào)速器只跟蹤當(dāng)前的導(dǎo)葉開度。

針對以上5種不同的工況，調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化前會選擇一組經(jīng)驗(yàn)PID參數(shù)，在現(xiàn)場進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)調(diào)試時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來逐步優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，參數(shù)優(yōu)化流程如圖8所示。

圖8　參數(shù)優(yōu)化流程圖

選定一組最優(yōu)參數(shù)，并將其保存到PLC的寄存器中，最后通過做擾動試驗(yàn)檢驗(yàn)參數(shù)的最優(yōu)性，見表2。

表2　空載擾動試驗(yàn)檢驗(yàn)參數(shù)最優(yōu)性

從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，最終優(yōu)化的參數(shù)超調(diào)量很小，完全能滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。再通過對機(jī)組開機(jī)運(yùn)行來檢驗(yàn)在各個(gè)工況下系統(tǒng)性能，如圖9所示，即為機(jī)組開機(jī)、停機(jī)及并網(wǎng)各個(gè)工況切換的過程。

圖9 機(jī)組工況切換過程

圖9中包括了發(fā)電機(jī)組所有的運(yùn)行工況，分別為：工況（1）發(fā)電態(tài)；工況（2）停機(jī)過程；工況（3）停機(jī)態(tài)；工況（4）開機(jī)過程，其中開機(jī)過程和停機(jī)過程都包括了空載態(tài)。在幾個(gè)工況轉(zhuǎn)換的過程中未發(fā)生突變情況，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，而超調(diào)量又非常小，系統(tǒng)性能達(dá)到了最優(yōu)化。

在調(diào)速器運(yùn)行過程中，經(jīng)常會遇到某個(gè)測量元器件故障的情況，一旦發(fā)生此種情況，必須將故障信號切除，這就是該型號的調(diào)速器具有的適應(yīng)式變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在系統(tǒng)中配置了容錯(cuò)策略。所謂適應(yīng)式變結(jié)構(gòu)算法就是通過改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)可靠性和提高調(diào)解品質(zhì)［4］。所以調(diào)速器在遇到故障信號時(shí)，會自動將故障信號回路切除。

如：頻率反饋總共有三路信號，即殘壓測頻、齒盤測頻和系統(tǒng)頻率。在系統(tǒng)中的優(yōu)先級依次由高到低，當(dāng)殘壓測頻故障時(shí)，調(diào)速器自動切換到齒盤測頻，依次類推。當(dāng)一路測頻回路出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)速器會自動改變主環(huán)結(jié)構(gòu)，選擇正常的測頻信號替代故障的測頻信號，這樣就不會影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

4　結(jié)論

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)［11］，系統(tǒng)的過渡過程容易受到水錘效應(yīng)的影響，改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和水壓的上升率，這也是最有效最經(jīng)濟(jì)解決的途徑［1］。經(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)分析，柬埔寨達(dá)岱電廠在調(diào)整導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律之后，轉(zhuǎn)速上升率和水壓上升率得到了有效控制，可以滿足實(shí)際運(yùn)行要求。改進(jìn)型調(diào)速器系統(tǒng)突出了積分環(huán)節(jié)作用，有利于改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定域度。

由于柬埔寨國家電網(wǎng)的容量小，負(fù)荷不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，SAFR-2000H型調(diào)速器能自動適應(yīng)當(dāng)前工況，調(diào)取最優(yōu)的參數(shù)配置，達(dá)到系統(tǒng)性能的最優(yōu)化，在電廠并網(wǎng)運(yùn)行之后，達(dá)岱電廠承擔(dān)了柬埔寨電網(wǎng)的大量負(fù)荷，到目前為止，調(diào)速器已經(jīng)連續(xù)滿負(fù)荷不間斷運(yùn)行半年，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，電網(wǎng)的低頻振蕩次數(shù)與2014年相比有明顯減小，穩(wěn)定性有了很大提高，自動適應(yīng)式調(diào)速器系統(tǒng)為穩(wěn)定柬埔寨國家電網(wǎng)起到了至關(guān)重要的作用。

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The Governor Systems Analysis based on Adaptive Control Strategy in DadaiHydropower Station of Cambodia

Pan Daoming
（Dadai Project Department of Hubei Qingjiang Hydropower Development Co.， Ltd，KohKong Province. Cambodia）

Over longpressure tunneldiversion， the hydro-generating unittend to have a largerhydraulic time constant， setting surge shaft in the second half of diversion tunnel is the method to reduce the hydraulic time constant. Inhighwater headhydropower station， generator load rejecting，inevitably leads to speed and volute pressure exceeds the standard value， adjusting the guide vanes closing regularity can improve the speed and volute pressure rising rate， it is one of the most direct and most economical way. Governor according todifferent operating conditions， selects the optimum PID parameters， can improve the dynamic performance of the unit.，the paper details the adaptive control strategies and methods of operation.

governor； adaptive； water hammer effect； vane segment closed； parameter optimization

潘道明（1978-），男，廣西永?？h人，碩士研究生，高級工程師，主要從事水電站自動化控制系統(tǒng)維護(hù)工作。