周小成

摘要：本文主要討論了PID控制在自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）和水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用，簡要分析了調(diào)速器死區(qū)產(chǎn)生的原因及影響，重點(diǎn)闡述了脈沖調(diào)節(jié)及PID控制在水電站有功調(diào)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)方式。并針對大容量機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)死區(qū)產(chǎn)生的負(fù)荷偏差提出優(yōu)化解決方案，以及機(jī)組出力優(yōu)化前后的對比。

關(guān)鍵詞：PID控制;水電廠;調(diào)節(jié);應(yīng)用

引言

水電站在電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)揮防洪灌溉、調(diào)峰調(diào)頻的重大作用，對全廠有功調(diào)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化以提高資源利用效率至關(guān)重要，然而由于水電廠功率調(diào)節(jié)速度快，出力能在短時(shí)間大幅度增減，容易給電網(wǎng)造成安全隱患。因此必須利用高效PID控制策略對各機(jī)組出力、負(fù)荷分配、運(yùn)行方式、全廠功率等參數(shù)進(jìn)行處理，合理進(jìn)行流域梯級(jí)水庫和發(fā)電生產(chǎn)，盡量避免棄水現(xiàn)象的發(fā)生。

一、 PID 控制在水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用及死區(qū)的影響

水輪機(jī)調(diào)速器是水電站核心控制設(shè)備之一，它與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相配合，承擔(dān)著機(jī)組導(dǎo)葉開度、機(jī)組頻率、機(jī)組功率等控制任務(wù)，簡單的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。PLC調(diào)節(jié)器經(jīng)過 PID運(yùn)算輸出脈沖序列，經(jīng)過放大后作為開關(guān)閥的輸入信號(hào)，但是開關(guān)閥只有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)，輸出的流量是斷續(xù)的，這時(shí)需采用 PWM控制技術(shù)控制高速開關(guān)閥，讓其輸出連續(xù)的流量信號(hào)并進(jìn)入接力器，從而控制接力器的位移，反饋信號(hào)則取自接力器位移，經(jīng)過 V/F 轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)再次輸入PLC，與運(yùn)算值進(jìn)行綜合比較，達(dá)到調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度的目的。

目前，國際和國內(nèi)的數(shù)字式調(diào)試器都是基于 PID或以 PID為基礎(chǔ)的適應(yīng)性變參數(shù)調(diào)整規(guī)律。由于水流貫性時(shí)間常數(shù)、水頭的變化、尾水的波動(dòng)以及蝸殼中不均勻流場引起的脈動(dòng)，水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器出現(xiàn)導(dǎo)葉開度調(diào)整不到位的情況，也就是導(dǎo)葉開度控制死區(qū)。死區(qū)如果過大，實(shí)質(zhì)就是理論和自動(dòng)控制的失效，具體表現(xiàn)為機(jī)組頻率擺動(dòng)過大，主配抽動(dòng)劇烈，壓油泵啟動(dòng)頻繁，管路振動(dòng)，難于并網(wǎng)等。當(dāng)然死區(qū)也不是越小越好，過于精準(zhǔn)可能會(huì)使得主配壓閥非常靈敏，這對系統(tǒng)未必是好事。事實(shí)上，系統(tǒng)中如果存在一定的死區(qū)，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，該死區(qū)會(huì)存在于整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，使得導(dǎo)葉反饋曲線和給定曲線并不完全一致，且形成一個(gè)相對平緩的調(diào)節(jié)過渡過程，這對有效抑制機(jī)組慣性造成的頻率反饋滯后是非常有利的。

二、電網(wǎng)對水電機(jī)組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、快速地將機(jī)組有、無功負(fù)荷調(diào)整到設(shè)定的目標(biāo)值;不出現(xiàn)超調(diào)與調(diào)節(jié)振蕩;能保證機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)在允許的功偏差值內(nèi)運(yùn)行。安全是指在調(diào)節(jié)過程中機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)不能超出安全范圍;平滑是指調(diào)節(jié)時(shí)機(jī)組功率不要出現(xiàn)大的超調(diào);快速是指機(jī)組能較快地響應(yīng)功率設(shè)定，在調(diào)速系統(tǒng)安全允許的情況下，盡快的將實(shí)發(fā)值調(diào)節(jié)

至目標(biāo)值死區(qū)范圍內(nèi)。

三、PID功率調(diào)節(jié)程序的保護(hù)與閉鎖條件

PID調(diào)節(jié)算法本身可以計(jì)算出功率調(diào)節(jié)控制的脈寬，但并不能保證調(diào)節(jié)的安全，所以在調(diào)節(jié)程序算法的外圍設(shè)計(jì)了相應(yīng)的閉鎖和保護(hù)程序，保證調(diào)節(jié)的安全。保護(hù)和閉鎖是兩個(gè)不同的概念，程序的具體實(shí)現(xiàn)方法也不相同。功率調(diào)節(jié)閉鎖是指當(dāng)某項(xiàng)電氣量達(dá)到閉鎖限定值時(shí)，功率調(diào)節(jié)程序就將相應(yīng)的輸出閉鎖，禁止其輸出;調(diào)節(jié)程序繼續(xù)執(zhí)行，一旦閉鎖電氣量條件恢復(fù)到正常值時(shí)，調(diào)節(jié)程序就自動(dòng)解除其相應(yīng)的輸出閉鎖，允許其輸出。而調(diào)節(jié)保護(hù)是指邊界條件達(dá)到保護(hù)限定值時(shí)，整個(gè)功率調(diào)節(jié)程序退出。

1.PID功率調(diào)節(jié)保護(hù)

（1）PID功率調(diào)節(jié)超時(shí)保護(hù)。超時(shí)保護(hù)是指在經(jīng)過長時(shí)間對機(jī)組有功或無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)后仍未進(jìn)人設(shè)定值范圍，說明PID調(diào)節(jié)程序某-環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，調(diào)節(jié)程序自動(dòng)退出，需要運(yùn)行人員進(jìn)行千預(yù)處理。

（2）PID功率調(diào)節(jié)負(fù)荷差保護(hù)。負(fù)荷差保護(hù)是指PID調(diào)節(jié)程序下發(fā)一次調(diào)節(jié)脈沖前后功率差過大時(shí)，調(diào)節(jié)程序自動(dòng)退出。調(diào)節(jié)程序需要滿足安全平滑的調(diào)節(jié)要求，因此正常的調(diào)節(jié)過程不應(yīng)出現(xiàn)功率突變的現(xiàn)象，一旦功率突變則說明PID調(diào)節(jié)某環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，應(yīng)將調(diào)節(jié)程序退出運(yùn)行。

（3）PID功率調(diào)節(jié)頻率保護(hù)。頻率保護(hù)是指頻率高于一定限值時(shí)調(diào)節(jié)程序自動(dòng)退出。正常情況下機(jī)組并網(wǎng)后其頻率應(yīng)相對穩(wěn)定，如果發(fā)生頻率過高說明機(jī)組可能已脫離電網(wǎng)或電網(wǎng)自身有重大事故，這時(shí)需將調(diào)節(jié)程序退出。

2.PID功率調(diào)節(jié)閉鎖

機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行中各電氣參數(shù)必須在規(guī)程規(guī)定的限定值內(nèi)運(yùn)行，以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，在PID調(diào)節(jié)程序中設(shè)置了電氣量閉鎖，分述如下：

（1）定子電流上限閉鎖定子電流上限閉鎖，閉鎖有功、無功增調(diào)節(jié)。防止機(jī)組定子過流引起機(jī)組定子溫度過高。

（2）轉(zhuǎn)子電壓上、下限閉鎖轉(zhuǎn)子電壓上、下限閉鎖，閉鎖無功增、或調(diào)節(jié)。

（3）定子電壓上、下限閉鎖，定子電壓上、下限閉鎖，閉鎖無功增減調(diào)節(jié)。

在水電機(jī)組中，有的機(jī)組因水輪機(jī)效率特性運(yùn)行中的機(jī)組振動(dòng)與汽蝕水頭變化等因素的影響，要求水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度在規(guī)定的邊界條件下運(yùn)行，以保證水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有些水電機(jī)組的PID調(diào)節(jié)程序還設(shè)置了導(dǎo)葉開度閉鎖用以閉鎖有功功率。

四、PID調(diào)節(jié)在電廠AGC中應(yīng)用

從水電機(jī)組快速開、停機(jī)，增減負(fù)荷的要求上看，優(yōu)先采用比例控制是非常合理和科學(xué)的。根據(jù)設(shè)定負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷的差值，通過監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）的PID控制程序來進(jìn)行閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。具體對PID控制器而言，

在脈沖寬度調(diào)制（PWM1）中，在固定循環(huán)周期（t_period）內(nèi)輸出與模擬值X成比例的可變持續(xù)時(shí)間的“1”信號(hào)，其輸出Y_POS（增脈沖）和Y_NEG（減脈沖）的脈沖長度T_on分別為：

使用比例控制，則有YI=0，YD=0。其中PID首次調(diào)節(jié)的參數(shù)分別為：

隨后將得到的增益值輸入到控制模塊中，并通過脈沖長度計(jì)算公式（2）或（3）得到脈沖輸出長度。

五、有功調(diào)節(jié)存在的問題及原因分析

由于死區(qū)的存在，全廠有功出力實(shí)發(fā)值存在無法達(dá)到調(diào)度下發(fā)設(shè)定值的情況，偏差可能較大，有功出力調(diào)節(jié)不夠精確。所以急需對監(jiān)控系統(tǒng)有功出力調(diào)節(jié)策略進(jìn)行優(yōu)化，使全廠出力實(shí)發(fā)值達(dá)到調(diào)度下發(fā)的設(shè)定值。由于機(jī)組有功功率采用有功PID調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)，根據(jù)調(diào)度下達(dá)的全廠有功出力設(shè)定值，分配至各臺(tái)機(jī)組有功PID的調(diào)節(jié)變化量不確定。機(jī)組有功PID在小幅調(diào)節(jié)時(shí)的調(diào)節(jié)能力較差，造成機(jī)組有功出力實(shí)發(fā)值低于有功設(shè)定值的情況，從而導(dǎo)致全廠機(jī)組實(shí)際出力值低于設(shè)定值。當(dāng)機(jī)組有功PID調(diào)節(jié)到位后若有功實(shí)發(fā)值低于有功設(shè)定值，則多發(fā)一次增有功脈沖，使有功實(shí)發(fā)值達(dá)到有功設(shè)定值。同時(shí)，兼顧PID與一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)關(guān)系，僅在一次調(diào)頻未動(dòng)作的情況下生效，避免干擾機(jī)組一次調(diào)頻正確動(dòng)作。

結(jié)束語

在發(fā)電機(jī)組的AGC有功調(diào)節(jié)過程中，水輪機(jī)組在某些負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，也就是通常說的振動(dòng)區(qū)，個(gè)別機(jī)組的振動(dòng)區(qū)甚至出現(xiàn)在機(jī)組的高效率區(qū)，而這會(huì)大大影響機(jī)組的安全穩(wěn)定和使用壽命。因此必須合理進(jìn)行有功調(diào)節(jié)及分配，將機(jī)組的運(yùn)行調(diào)整在合理的區(qū)間，避開機(jī)組的振動(dòng)區(qū)域，使機(jī)組有良好的工況，更好的執(zhí)行電網(wǎng)的負(fù)荷需求。

參考文獻(xiàn)

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