涂 勇，張橋峰

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 引 言

水力發(fā)電過(guò)程中，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要精準(zhǔn)完成機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、開(kāi)度調(diào)節(jié)及功率調(diào)節(jié)等重要核心任務(wù)［1-3］，其通過(guò)控制接力環(huán)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作來(lái)控制水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)通過(guò)水輪機(jī)蝸殼水流流量的目標(biāo)，最終使被控對(duì)象的電能質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)，即頻率和有功輸出滿足電網(wǎng)要求［4］。機(jī)組調(diào)節(jié)性能好壞與電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行密切相關(guān)。特別是單機(jī)大容量機(jī)組，一旦水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳，將嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。監(jiān)控系統(tǒng)如何與水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一起協(xié)調(diào)配合，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)，保障巨型機(jī)組安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行是一個(gè)值得關(guān)注和研究的課題［5，6］。

傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組開(kāi)度模式下的監(jiān)控系統(tǒng)往往采用功率閉環(huán)常規(guī)脈沖調(diào)節(jié)方式輸出開(kāi)度增減脈沖給水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)控制水輪發(fā)電機(jī)組開(kāi)度控制［6，7］。文獻(xiàn)［7］提出的插值算法和修正比例算法可改善水電站機(jī)組在開(kāi)度調(diào)節(jié)模式下有功脈沖調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的時(shí)效性和可靠性［7］。文獻(xiàn)［8］介紹了調(diào)速器開(kāi)度控制模式及功率閉環(huán)控制模式的控制策略［8］。但上述研究大多采取的是閉環(huán)比例脈寬調(diào)制方式，依然存在導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過(guò)程易受水錘反作用和機(jī)組慣性作用的影響等問(wèn)題。

1 導(dǎo)葉開(kāi)度功率閉環(huán)控制

1.1 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

水輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式功率閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 閉環(huán)控制方法

開(kāi)度模式下，功率閉環(huán)在監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)實(shí)現(xiàn)，調(diào)速器根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的脈沖增減指令信號(hào)，控制導(dǎo)葉的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。監(jiān)控系統(tǒng)有功功率給定值與有功功率反饋值進(jìn)行差值計(jì)算后，經(jīng)比例環(huán)節(jié)作用，轉(zhuǎn)換為寬度不等的脈沖增減指令下發(fā)給調(diào)速器，直接作用于調(diào)速器開(kāi)度給定信號(hào)。其中，脈沖寬度取決于功率偏差的大小，功率偏差較大時(shí)，脈寬越大，功率偏差較小時(shí)，脈寬越小，功率偏差為正時(shí)發(fā)出增脈沖，功率偏差為負(fù)時(shí)發(fā)出減脈沖。在監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU 與調(diào)速器開(kāi)度給定信號(hào)之間，相當(dāng)于有一個(gè)積分器，在有功功率逼近給定值時(shí)，其輸出越小，最終消除偏差，開(kāi)度給定和開(kāi)度反饋達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)［8］。

1.3 建模仿真

將開(kāi)度模式導(dǎo)葉開(kāi)度閉環(huán)控制方法及結(jié)構(gòu)應(yīng)用于水電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式導(dǎo)葉開(kāi)度控制過(guò)程建模仿真。

模擬水電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式導(dǎo)葉開(kāi)度閉環(huán)控制過(guò)程，監(jiān)控系統(tǒng)在1 s 時(shí)，AGC 下發(fā)一個(gè)新的有功功率給定值（標(biāo)幺值，后同）G給定=0.8，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋D=0，功率反饋G=0。根據(jù)本控制方法及結(jié)構(gòu)，基于matlab，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和受控對(duì)象進(jìn)行建模仿真。本仿真采用的是引水管道和水輪機(jī)理想剛性水錘模型，開(kāi)環(huán)控制仿真結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 閉環(huán)控制仿真結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Close-loop control simulation structure model

當(dāng)積分系數(shù)Ki=0.37時(shí)，閉環(huán)控制matlab仿真結(jié)果波形如圖3所示。從圖3中可以看出導(dǎo)葉開(kāi)度從0變化到0.8整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，從有功功率給定由0開(kāi)始變化到導(dǎo)葉開(kāi)度穩(wěn)定在0.8的時(shí)長(zhǎng)為7.255 s。

圖3 閉環(huán)控制matlab仿真結(jié)果波形（Ki=0.37）Fig.3 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.37）

當(dāng)Ki=0.35 時(shí)，閉環(huán)控制matlab 仿真結(jié)果波形如圖4 所示。從圖4 中可以看出導(dǎo)葉開(kāi)度從0 變化到0.8 整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，從有功功率給定由0 開(kāi)始變化到導(dǎo)葉開(kāi)度穩(wěn)定在0.8 的時(shí)長(zhǎng)為11.550 s。

圖4 閉環(huán)控制matlab仿真結(jié)果波形（Ki=0.35）Fig.4 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.35）

當(dāng)Ki=0.39 時(shí)，閉環(huán)控制matlab 仿真結(jié)果波形如圖5 所示。從圖5 中可以看出導(dǎo)葉開(kāi)度從0 變化到0.8 整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，從有功功率給定由0 開(kāi)始變化到導(dǎo)葉開(kāi)度穩(wěn)定在0.8 的時(shí)長(zhǎng)為7.855s。

圖5 閉環(huán)控制matlab仿真結(jié)果波形（Ki=0.39）Fig.5 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.39）

由圖3、4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ki=0.37時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度波動(dòng)幅值最小，調(diào)節(jié)速度也最快。增大積分系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致超調(diào)變大，導(dǎo)葉開(kāi)度波動(dòng)幅值變大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)；減小積分系數(shù)，也會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)葉開(kāi)度波動(dòng)幅值變大。仿真效果顯示，采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及方法，導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率調(diào)節(jié)速度慢，控制過(guò)程不可避免受到引水管道和水輪機(jī)水錘反作用和機(jī)組慣性作用的影響，整個(gè)控制系統(tǒng)有小幅波動(dòng)，控制參數(shù)選取不當(dāng)甚至有發(fā)散振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

2 開(kāi)環(huán)控制

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，需探索研究一種水輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式下，導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)及方法，旨在解決開(kāi)度模式下，采用功率閉環(huán)常規(guī)脈沖調(diào)節(jié)方式，有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過(guò)程易受水錘反作用和機(jī)組慣性作用的影響等問(wèn)題，提高調(diào)節(jié)過(guò)程速動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率的快速穩(wěn)定控制，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2.1 開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示，主要由查表計(jì)算模塊1、循環(huán)自加模塊2和限幅模塊3組成。

圖6 開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Open-loop control structure diagram

其中，查表計(jì)算模塊1 采集有功功率給定G給定和機(jī)組水頭W，查水頭、有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度一一對(duì)應(yīng)表并計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果D表給限幅模塊3。循環(huán)自加模塊2監(jiān)測(cè)有功功率給定G給定變化使能信號(hào)，并采集導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)D。當(dāng)使能信號(hào)動(dòng)作時(shí)，D0賦初值D。循環(huán)自加模塊2 不斷對(duì)Dn循環(huán)自加控制參數(shù)步長(zhǎng)ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。限幅模塊3 采集查表計(jì)算模塊1 輸出的D表和循環(huán)自加模塊2 輸出的Dn，對(duì)Dn進(jìn)行限幅輸出，最大值為D表。限幅模塊3將導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n輸出給調(diào)速器電控系統(tǒng)。

2.2 開(kāi)環(huán)控制方法

水輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量開(kāi)環(huán)控制方法是一種基于水頭、有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表，在開(kāi)度模式下，采取查對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表的方式，對(duì)機(jī)組有功功率進(jìn)行快速精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，輸出導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)的全新方法，旨在解決開(kāi)度模式下采用功率閉環(huán)常規(guī)脈沖調(diào)節(jié)方式，有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過(guò)程易受水錘反作用和機(jī)組慣性作用的影響等問(wèn)題，提高調(diào)節(jié)過(guò)程速動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率的快速穩(wěn)定控制，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)［9］。導(dǎo)葉開(kāi)度開(kāi)環(huán)控制尤其適用于機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率的大幅度快速調(diào)整的情形。開(kāi)環(huán)控制可以有效避免水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)過(guò)程中受到引水管路水錘反作用和機(jī)組慣性作用的影響，降低整個(gè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率發(fā)散振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

水頭、有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如表1 所示。表中p、q、x、y都為正整數(shù)，1＜x≤p，1＜y≤q，Dx，y為Wx水頭Gy有功功率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度。

表1 水頭、有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表Tab.1 Data sheet for head， active power and guide vane opening

若Wx-1≤w≤Wx，Gy-1≤G給定≤Gy，則有:

開(kāi)環(huán)控制方法流程圖如圖7所示。

圖7 開(kāi)環(huán)控制方法流程圖Fig.7 Flow chart of open loop control method

2.3 建模仿真

在水電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式下，將開(kāi)環(huán)控制方法及結(jié)構(gòu)應(yīng)用于導(dǎo)葉開(kāi)度控制過(guò)程建模仿真。

模擬水電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式，導(dǎo)葉開(kāi)度控制過(guò)程中，0.5 s 時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)AGC 下發(fā)一個(gè)新的有功功率給定值G給定，查表計(jì)算D表=0.8，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋D=0。根據(jù)本控制方法及結(jié)構(gòu)，基于matlab，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和受控對(duì)象進(jìn)行建模仿真，開(kāi)環(huán)控制仿真結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。

圖8 開(kāi)環(huán)控制仿真結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Open-loop control simulation structure model

仿真模型用斜坡函數(shù)模型Ramp 實(shí)現(xiàn)圖6 中循環(huán)自加模塊2的功能，實(shí)現(xiàn)0.5 s開(kāi)始自加，自加速度每秒增加1。

仿真模型用限幅函數(shù)模型Saturation 實(shí)現(xiàn)圖6 中限幅模塊3功能，輸出給調(diào)速器電控系統(tǒng)，限制輸出最大值0.8。

調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)由電液轉(zhuǎn)換元件、液壓控制元件和執(zhí)行元件等組成［10］。為了使控制系統(tǒng)的表示既簡(jiǎn)單又明了，在控制工程中一般繪制控制系統(tǒng)的框圖進(jìn)行分析研究［11］。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，水輪機(jī)控制系統(tǒng)自身也是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)［12］。采用閉環(huán)控制的調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖9所示［13］。

圖9 液壓隨動(dòng)系統(tǒng)框圖Fig.9 Block diagram of hydraulic servo system

根據(jù)圖9 建立調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型，模擬調(diào)速器電控系統(tǒng)及液壓隨動(dòng)系統(tǒng)。如圖10所示，其Yc通道接口采集導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n，Y通道接口輸出導(dǎo)葉開(kāi)度反饋D，Y1通道接口輸出主配位置反饋。

圖10 調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型Fig.10 Structural model of hydraulic servo system simulation for governor

開(kāi)環(huán)控制matlab 仿真結(jié)果波形如圖11 所示。從圖11 中可以看出導(dǎo)葉開(kāi)度從0變化到0.8整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，從導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n由0開(kāi)始變化到導(dǎo)葉開(kāi)度穩(wěn)定在0.8的時(shí)長(zhǎng)為2.703 2 s，超調(diào)量4.362 5%。

圖11 開(kāi)環(huán)控制matlab仿真結(jié)果波形Fig.11 Open-loop control matlab simulation results waveform

3 分段開(kāi)環(huán)控制

為了進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)過(guò)程速動(dòng)性，同時(shí)避免調(diào)節(jié)速度過(guò)快導(dǎo)致的超調(diào)量過(guò)大的問(wèn)題，在導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量開(kāi)環(huán)控制方法及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改良，實(shí)現(xiàn)分段開(kāi)環(huán)控制，形成一種水輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式下，導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量分段開(kāi)環(huán)控制方法及結(jié)構(gòu)。

3.1 分段開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

分段開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖12 所示，主要由查表計(jì)算模塊1，循環(huán)自加模塊2，限幅1 模塊3，循環(huán)自減模塊4，限幅2 模塊5，選擇器模塊6組成。

圖12 分段開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Sectional open loop control structure diagram

查表計(jì)算模塊1 采集有功功率給定G給定和機(jī)組水頭W，查水頭、有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度一一對(duì)應(yīng)表并計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果D表給限幅1模塊3和限幅2模塊5。

循環(huán)自加模塊2監(jiān)測(cè)有功功率給定G給定變化且|D表-D|≥ΔD1使能信號(hào)，并采集導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)D。當(dāng)使能信號(hào)初次動(dòng)作時(shí)，D0賦初值D。循環(huán)自加模塊2 不斷對(duì)Dn循環(huán)自加控制參數(shù)步長(zhǎng)ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。

限幅模塊3 采集查表計(jì)算模塊1 輸出的D表和循環(huán)自加模塊2輸出的Dn，對(duì)Dn進(jìn)行限幅輸出，最大值為K1D表，K1＞1。輸出導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n給選擇器模塊6通道0。

循環(huán)自減模塊4 監(jiān)測(cè)|D表-D|＜ΔD1使能信號(hào)，并采集導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)D。當(dāng)使能信號(hào)初次動(dòng)作時(shí)，D0賦初值D。循環(huán)自減模塊4 不斷對(duì)Dn循環(huán)自減控制參數(shù)步長(zhǎng)ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。

限幅模塊5 采集查表計(jì)算模塊1 輸出的D表和循環(huán)自減模塊4 輸出的Dn，對(duì)Dn進(jìn)行限幅輸出，最小值為D表。輸出導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n給選擇器模塊6通道1。

選擇器模塊6監(jiān)測(cè)|D表-D|＜ΔD1選擇信號(hào)，并采集限幅模塊3 和限幅模塊5 輸出給選擇器模塊6 的導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n。當(dāng)|D表-D|＜ΔD1不滿足時(shí)，選擇器模塊6 選擇通道0，輸出限幅模塊3 輸出給選擇器模塊6 的導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n；當(dāng)|D表-D|＜ΔD1滿足時(shí)，選擇器模塊6 選擇通道1，輸出限幅模塊5 輸出給選擇器模塊6 的導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n。選擇器模塊6 將導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n輸出給調(diào)速器電控系統(tǒng)。

3.2 分段開(kāi)環(huán)控制方法

該方法基于水頭、有功功率與導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表，在開(kāi)度模式下，采取查對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表的方式，對(duì)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行分段快速精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，輸出導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)的全新方法，旨在解決開(kāi)度模式下采用功率閉環(huán)常規(guī)脈沖調(diào)節(jié)方式，有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過(guò)程易受水錘反作用和機(jī)組慣性作用的影響等問(wèn)題，提高調(diào)節(jié)過(guò)程速動(dòng)性，同時(shí)抑制調(diào)節(jié)速度過(guò)快產(chǎn)生嚴(yán)重超調(diào)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率的快速穩(wěn)定控制，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)［14］。

導(dǎo)葉開(kāi)度分段開(kāi)環(huán)控制尤其適用于機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率的大幅度快速調(diào)整的情形，通常分為兩段，前一段增益系數(shù)K1通常大于1，目的是提高機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率調(diào)節(jié)的速度，后一段增益系數(shù)通常等于1，目的是防止機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)嚴(yán)重超調(diào)，提高改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。分段切換條件為查表計(jì)算導(dǎo)葉開(kāi)度D表與導(dǎo)葉開(kāi)度D差值絕對(duì)值小于ΔD1。

分段開(kāi)環(huán)控制方法流程圖如圖13所示。

圖13 分段開(kāi)環(huán)控制方法Fig.13 Sectional open loop control method

3.3 建模仿真

在水電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式下，將分段開(kāi)環(huán)控制方法及結(jié)構(gòu)應(yīng)用于導(dǎo)葉開(kāi)度控制過(guò)程建模仿真。

模擬水電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式，導(dǎo)葉開(kāi)度控制過(guò)程中，0.5 s 時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)AGC 下發(fā)一個(gè)新的有功功率給定值G給定，查表計(jì)算D表=0.8，導(dǎo)葉開(kāi)度反饋D=0，控制參數(shù)K1=1.3，ΔD1=0.55。根據(jù)分段開(kāi)環(huán)控制方法及結(jié)構(gòu)，基于matlab，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和受控對(duì)象進(jìn)行建模仿真，分段開(kāi)環(huán)控制仿真結(jié)構(gòu)模型如圖14所示。

圖14 分段開(kāi)環(huán)控制仿真結(jié)構(gòu)模型Fig.14 Sectional open loop control simulation structure model

仿真模型用斜坡函數(shù)模型Ramp1 實(shí)現(xiàn)圖12 中循環(huán)自加模塊2的功能，實(shí)現(xiàn)0.5 s開(kāi)始自加，自加速度每秒增加2。

仿真模型用限幅函數(shù)模型Saturation1 實(shí)現(xiàn)圖12 中限幅模塊3 功能，輸出給選擇器模塊6 的通道1，限制輸出最大值K1D表為1.04。

仿真模型用斜坡函數(shù)模型Ramp2 實(shí)現(xiàn)圖12 中循環(huán)自減模塊4的功能，實(shí)現(xiàn)|D表-D|＜0.55時(shí)，1.081 s開(kāi)始自減，自減速度每秒減少1。

仿真模型用限幅函數(shù)模型Saturation2 實(shí)現(xiàn)圖12 中限幅模塊5功能，輸出給選擇器模塊6的通道2，限制輸出最小值1。

仿真模型用限幅函數(shù)模型Switch 實(shí)現(xiàn)圖12 中選擇器模塊6，實(shí)現(xiàn)|D表-D|≥0.55時(shí)，輸出通道1采集的數(shù)據(jù)給調(diào)速器電控系統(tǒng)；|D表-D|＜0.55時(shí)，輸出通道2采集的數(shù)據(jù)給調(diào)速器電控系統(tǒng)。

分段開(kāi)環(huán)控制matlab 仿真結(jié)果波形如圖15 所示。從圖15中可以看出導(dǎo)葉開(kāi)度從0變化到0.8整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，從導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量控制信號(hào)D'n由0開(kāi)始變化到導(dǎo)葉開(kāi)度穩(wěn)定在0.8的時(shí)長(zhǎng)為2.51 s，超調(diào)量4.625%。調(diào)節(jié)時(shí)間減小0.193 2 s，減小率7.15%，超調(diào)量?jī)H增加0.262 5%，抑制效果明顯。

圖15 分段開(kāi)環(huán)控制matlab仿真結(jié)果波形Fig.15 Sectional Open-loop control matlab simulationresults waveform

將圖15與圖3～5、11進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn):

（1）閉環(huán)控制調(diào)節(jié)速度慢，控制過(guò)程不可避免受到引水管道和水輪機(jī)的水錘反作用和機(jī)組慣性作用影響，整個(gè)控制系統(tǒng)有小幅波動(dòng)，控制參數(shù)選取不當(dāng)甚至有發(fā)散振蕩的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）開(kāi)環(huán)控制方法可通過(guò)開(kāi)環(huán)控制避免調(diào)節(jié)過(guò)程中受到水錘反作用和機(jī)組慣性作用的影響，降低整個(gè)控制系統(tǒng)發(fā)散振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具有速動(dòng)性好的特點(diǎn)。

（3）分段開(kāi)環(huán)控制方法控制調(diào)節(jié)品質(zhì)最好，不僅具有開(kāi)環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)，而且調(diào)節(jié)速度更快，但超調(diào)量變化不大，抑制效果明顯，仿真效果明顯優(yōu)于非分段開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制方法。

綜上所述，水輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量分段開(kāi)環(huán)控制方法既有開(kāi)環(huán)控制快速的特點(diǎn)，又有分段開(kāi)環(huán)控制超調(diào)量抑制效果較好的優(yōu)勢(shì)，從而同時(shí)滿足了調(diào)節(jié)過(guò)程速動(dòng)性好、超調(diào)量小的要求，提高了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)水輪機(jī)開(kāi)度模式下，導(dǎo)葉開(kāi)度傳統(tǒng)閉環(huán)控制的問(wèn)題和不足，對(duì)控制模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步研究?jī)?yōu)化，最終提出了一種水輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)度模式導(dǎo)葉開(kāi)度模擬量分段開(kāi)環(huán)控制方法，解決了水輪發(fā)電機(jī)組在開(kāi)度模式下導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)過(guò)程易受水錘反作用和機(jī)組慣性作用的影響問(wèn)題，可有效提高調(diào)節(jié)過(guò)程速動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度和有功功率的快速穩(wěn)定控制，進(jìn)一步保證在負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。