五凌電力有限公司株溪口水電站 劉 禹 申潘威 錢 程 張 培 莫建安 五凌電力科技有限公司 張 培

水輪機調(diào)速系統(tǒng)一般采用PID控制規(guī)律，根據(jù)經(jīng)驗或現(xiàn)場反復試驗獲取PID參數(shù)往往不易獲得最佳參數(shù)。雖然調(diào)速器廠家給出了調(diào)速器PID控制參數(shù)的可調(diào)范圍，但大部分均是給出一組PID參數(shù)，此組控制參數(shù)的選取需大量試驗驗證得到，在實際的水電機組上進行長時間、多工況及大規(guī)模試驗是不現(xiàn)實、也是不允許的。但如進行更真實的仿真，不能忽略水輪機和隨動系統(tǒng)部分的非線性因素，建立以神經(jīng)網(wǎng)絡算法的水輪機非線性模型并對隨動系統(tǒng)加入限速、飽和等非線性環(huán)節(jié)，將大大提高仿真的真實性和可靠性。

優(yōu)化調(diào)速器的速度控制環(huán)和功率控制環(huán)并給出最優(yōu)控制器參數(shù)，結(jié)合引水系統(tǒng)、水輪機非線性模型、調(diào)速器模型、發(fā)電機模型、負荷模型、隨動系統(tǒng)模型，建立完整的非線性水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，以合理的分段線性化的水輪發(fā)電機組模型為基礎，以MATLAB計算機仿真為基本工具對速度控制環(huán)和功率控制環(huán)進行了優(yōu)化，并給出了可供參考的最優(yōu)控制器參數(shù)。

1 調(diào)速器運行參數(shù)尋優(yōu)方法

1.1 調(diào)速器調(diào)節(jié)模式分析

在大多數(shù)情況下，機組并網(wǎng)后調(diào)速器的速度控制模式基本處于開環(huán)狀態(tài)，靠調(diào)整導葉開度(改變開度設定值)或通過監(jiān)控系統(tǒng)LCU的AGC功能實現(xiàn)機組負荷的自動調(diào)整。在機組并網(wǎng)運行時，以上調(diào)節(jié)方式難以滿足電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)、暫態(tài)和靜態(tài)調(diào)節(jié)要求。從系統(tǒng)動態(tài)特性的角度講，若不采用特定的調(diào)節(jié)器控制參數(shù)，機組調(diào)整導葉開度將需很長時間的過渡調(diào)節(jié)過程。從系統(tǒng)靜態(tài)特性看，需不斷地設定導葉開度，而導葉開度與機組有功功率并不存在一一對應關系，所以要實現(xiàn)機組輸出某一期望的有功功率，通常要經(jīng)多次試驗才能得到調(diào)速器的相關調(diào)節(jié)參數(shù)，在很大程度上依賴于調(diào)度運行人員個人經(jīng)驗。速度控制模式在并網(wǎng)運行的這些缺陷，不滿足電力系統(tǒng)水輪機調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻性能要求。

1.2 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)方法

當給定有功功率變化時，機組須以較快速度和期望的軌跡過渡到有功功率給定值，就可節(jié)約加速調(diào)節(jié)過程的調(diào)節(jié)時間，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。所以要找到“最優(yōu)”的調(diào)節(jié)器參數(shù)并與機組的運行工況相匹配，其實就是PID調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化問題。由于機組處于不同的實際工作水頭、不同的空載開度，其帶孤網(wǎng)負荷的調(diào)節(jié)性質(zhì)不同，機組調(diào)速器PLC有不同的調(diào)節(jié)參數(shù)。所以機組在某一工況下的“最優(yōu)”PID參數(shù)在另一工況就可能不是最優(yōu)的參數(shù)。

為解決這一問題一般有二方面措施：為滿足系統(tǒng)對調(diào)速器調(diào)節(jié)動態(tài)品質(zhì)的需求，采用自適應控制的邏輯思路，機組配置連續(xù)的變參數(shù)調(diào)節(jié)，當機組運行工況變化時調(diào)速器的PID調(diào)節(jié)參數(shù)也需連續(xù)變化。用一般的可編程序控制器難以實現(xiàn)這樣算法復雜的控制方法，需在線辨識機組的調(diào)節(jié)特性，在實現(xiàn)路徑上存在一定的困難；基于魯棒控制的基本思路，可找到一個基于結(jié)構(gòu)奇異值理論的水輪機調(diào)速器參數(shù)設計方法，該方法同時考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與跟蹤性能，尋找這樣一組PID參數(shù)，當機組運行工況參數(shù)變化時能保證調(diào)速器系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)滿足要求。當機組參數(shù)發(fā)生大范圍變化時不一定存在這樣的PID參數(shù)。

結(jié)合上述兩種方法將機組運行工況劃分若干工況，在不同的運行工況下尋找一組“最優(yōu)”的PID調(diào)節(jié)參數(shù)與之對應。既克服了第一種方法難以實現(xiàn)的困難，也解決了第二種方法難以找到“最優(yōu)”PID調(diào)節(jié)參數(shù)問題，這也是目前株溪口電廠調(diào)速器采用的方法。在充分考慮各種因素的前提下，對于株溪口電廠調(diào)速器的功率控制器模式，在不同的工況下控制器采用可變最優(yōu)PI調(diào)節(jié)參數(shù)以獲得盡可能快的調(diào)節(jié)時間。其優(yōu)點在于不可能出現(xiàn)前饋失調(diào)現(xiàn)象，且一般情況下調(diào)節(jié)時間也可控制在更短時間以內(nèi)。對于機組不同工況，最優(yōu)PID調(diào)節(jié)參數(shù)獲取采用的主要工具為生物地理學算法。

通過以上分析，結(jié)合水輪機模型綜合特性曲線和飛逸特性曲線作為研究基礎，并輔以相應的運行參數(shù)，如在特定水頭下機組開度與出力的運行關系、機組甩負荷過程曲線等，用可變采樣頻率的特征線法模擬引水系統(tǒng)，運用神經(jīng)網(wǎng)絡算法模擬水輪機組的流量特性、力矩特性，建立非線性仿真模型，為調(diào)速系統(tǒng)的仿真儀器提供研究基礎。株溪口電站現(xiàn)有調(diào)速器主要有速度控制模式和開度控制模式，據(jù)此研究調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)，包括：調(diào)節(jié)系統(tǒng)在原有調(diào)節(jié)器參數(shù)、額定水頭下的動態(tài)品質(zhì)仿真研究；水頭在全部可能的工作范圍內(nèi)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)在原有調(diào)節(jié)器參數(shù)的動態(tài)品質(zhì)仿真研究，并給出相應評價；在水頭全部可能的工作范圍內(nèi)，利用生物地理學算法找到一組“最優(yōu)”PID參數(shù)，給出相應動態(tài)過程仿真并做出相應的評價，電站應用利用尋優(yōu)參數(shù)整定后，在試驗過程中得出仿真與真機對比結(jié)論。

2 調(diào)速器實時仿真試驗及真機試驗對比分析

2.1 試驗風險分析

利用電站新改造的調(diào)速器在現(xiàn)場安裝完畢后的功能投運機會，把真實調(diào)速器和株溪口電站水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)仿真測試儀進行連接，通過水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程的實時仿真和離線仿真，避免真機試驗對機組造成的損壞。在無水情況下進行所有工況下各種故障進行模擬試驗（如調(diào)速器在功率控制模式下功率反饋故障模擬），查找新改造的調(diào)速器軟件和硬件上存在的問題并進行必要調(diào)整，減少有水情況下故障模擬的安全風險。

在無水情況下進行了各種動態(tài)特性試驗，通過設置調(diào)速器不同工作水頭和控制模式來整定調(diào)速器在各種工況下的調(diào)節(jié)器參數(shù)（包括一次調(diào)頻PID參數(shù)等），節(jié)約真機有水情況下進行大量試驗的時間，只需在有水情況下對優(yōu)選的參數(shù)進行驗證即可，減少了對真機多次進行階躍擾動試驗帶來的破壞性風險。對于定PID參數(shù)的調(diào)速器，針對優(yōu)選出來的PID參數(shù)在不同的水頭下進行仿真驗證，避免出現(xiàn)機組在不同工況下PID參數(shù)設置不當導致調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

在無水情況下進行了甩負荷試驗，對真機甩負荷頻率上升情況和蝸殼水壓上升情況進行預估，提前判斷機組關機規(guī)律是否合理，避免真機甩負荷出現(xiàn)頻率過高、蝸殼進口水壓上升過高對機組造成巨大的損害。對電站可能出現(xiàn)的調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)異常故障（如負荷反調(diào)、負荷波動）進行事故重演，有利于現(xiàn)場專業(yè)人員方便查出故障原因。仿真測試儀集成了調(diào)速系統(tǒng)測試儀的功能，可對調(diào)速系統(tǒng)進行各種動、靜態(tài)試驗，并進行各種指標分析。

2.2 實時仿真方法

由電站已安裝完畢的真實調(diào)速器（北京中水科技有限公司研制的調(diào)速器）和本實時仿真裝置一起構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了一系列的實時仿真測試。布置測點儀器測量信號：導葉接力器行程；仿真儀器輸出信號：機組頻率、機組有功、發(fā)電機出口斷路器開關狀態(tài)。通過機組上位機監(jiān)控系統(tǒng)下“開機令”至“調(diào)速器”，用調(diào)速系統(tǒng)綜合測試仿真儀記錄導葉開度及仿真模型輸出的機組頻率變化情況。在流道無水完成自動開機仿真試驗、空載擾動試驗、負荷調(diào)節(jié)試驗，在流道有水條件下進行負載工況開度控制模式的負荷調(diào)節(jié)試驗和甩負荷試驗，并經(jīng)多次仿真試驗篩選，得出機組調(diào)速器最優(yōu)空載調(diào)節(jié)參數(shù)和負載調(diào)節(jié)參數(shù)。

在整個試驗過程中需隨時記錄仿真機組在甩負荷時機組頻率、導葉接力器行程、蝸殼水壓的變化情況，檢驗調(diào)節(jié)控制參數(shù)的試驗結(jié)果是否滿足調(diào)保計算及閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)要求。

比較表1中真機和仿真機數(shù)據(jù)和圖1易知，在機組甩負荷后，兩者機頻上升曲線與蝸殼壓力變化曲線存在略微差異，但趨勢基本一致，對于不同水頭的甩負荷試驗，真機與仿真模型的過渡過程差異表現(xiàn)是不相同的。

表1 機組甩負荷頻率上升表

圖1 參數(shù)尋優(yōu)后機組甩負荷過程圖

當真機做甩負荷試驗時，首先甩25%負荷，模型與真機的過渡過程幾乎一致；然后甩50%負荷，模型與真機轉(zhuǎn)速差最大是在轉(zhuǎn)速上升的最高點，之后的調(diào)速器反映的過渡過程表現(xiàn)一致；再甩75%負荷，模型與真機的轉(zhuǎn)速上升最大值誤差明顯偏大，最大差異有10%。由此可見，機組甩負荷過程中的轉(zhuǎn)速模型相近程度更好。甩負荷過程中，仿真機與真機調(diào)節(jié)的過渡過程存在差異，其根本原因是機組的運行工況(主要指導葉開度、流量和轉(zhuǎn)速)經(jīng)歷了大幅變化，暫時無法獲得此過程中機組所穿越的工況區(qū)的準確力矩或流量樣本，如大轉(zhuǎn)速、小開度、高水頭、低負荷等。所以在此區(qū)域內(nèi)，依據(jù)不真實的機組樣本訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡算法無法準確輸出符合機組自身的調(diào)節(jié)特性。

3 結(jié)語

通過調(diào)速器仿真裝置可離線進行調(diào)速器的控制規(guī)律、控制算法、控制邏輯和調(diào)節(jié)參數(shù)的尋優(yōu)，避免在實際水輪機上進行長時間、大規(guī)模的試驗，提高電站水輪發(fā)電機組的可靠性、安全性。同時可通過離線仿真能再現(xiàn)機組負荷調(diào)整等過渡過程，便于過渡過程分析與評價，每次大修均可通過仿真儀器進行甩負荷試驗對比分析，維持了電站機組安全生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的穩(wěn)定局面。