水電機組導葉非線性自適應校正控制方法

唐立軍，劉友寬，杜景琦，羅恩博

(云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

水電機組導葉非線性自適應校正控制方法

唐立軍，劉友寬，杜景琦，羅恩博

(云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

水輪發電機組是一個典型的非線性系統，不同的導葉開度下其簡化線性模型不同。本文分析了水電機組功率波動的原因，提出一種針對不同導葉開度下簡化線性模型的自適應校正PID比例增益的控制方法，給出了導葉開度非線性自適應校正控制方法的參數整定方法，并在石門坎水電廠#2機組進行了現場實施，現場實施和試驗表明：該方法實施后機組靜態調節誤差、功率波動周期、功率波動幅度、調節穩定時間明顯改善，有效的提高了機組的調節性能。

水電機組；自適應校正控制；功率波動

0 前言

水輪發電機組是一個典型的非線性系統，其線性化數學模型的各系數在不同的工作點相差較大水輪機組[1]。文獻 [2]指出水輪發電機調速系統是一個高階系統，而水輪機及引水系統的固有特點又決定了該調速系統具有非線性、時變特性。對于簡化線性化模型而言，主要體現在模型的參數隨著工況的變化而改變，不同的導葉開度下簡化線性化模型不同[3]。導葉開度與機組有功功率存在著非線性對應關系，采用傳統PID控制器對非線性對象進行控制，易導致機組功率發生波動，機組功率的波動易引起電網低頻振蕩[4]。文獻 [5]指出良好的導葉開度控制不僅對電力系統大干擾穩定性的改善有很大的作用，而且對系統的小干擾穩定性的提高及抑制系統低頻振蕩也非常有效。因此，有必要研究一種可以在PLC中實現的導葉開度自適應校正PID控制器的參數控制方法，可以有效抑制由于水輪發電機由于控制對象模型變化而引起的功率波動。

某水電廠#2機組自投運后發現機組功率在45 MW～60 MW區間，有功功率波動 (即靜態偏差)超過3.8 MW(5.8%額定功率)、波動頻率較為頻繁，機組靜態偏差無法滿足規程[6]中規定要求。為此，本文結合機組功率波動實際情況，通過采用導葉非線性自適應校正控制方法，對#2機組原有功率閉環控制回路進行優化改進，成功解決了#2機組功率波動問題。采用本文控制方法后，有功功率波動小于1 MW，波動頻率大幅加長，功率曲線趨于平滑。

1 水電機組功率振蕩原因分析

引起水電機組有功功率振蕩的原因有以下幾個方面：一是功率測量源測量不準確，存在跳變，導致調速器功率控制器反復調節；二是PSS控制器內部模型配置錯誤引起功率振蕩[7]；三是水輪機組引水或尾水管道設計不合理或施工不到位引起蝸殼壓力或尾水管壓力存在脈動，導致水輪機導葉未動，功率振蕩的情況。通過查看歷史數據庫和實時數據分析，引起水電廠功率波動的原因是水輪機組引水或尾水管道蝸殼壓力或尾水管壓力存在脈動。

2 導葉非線性自適應校正控制原理

目前，水電機組監控系統與調速系統之間功率控制配合方式有兩種：脈寬方式和通訊方式[8]。脈寬調節方式下監控系統PID控制器根據功率設定值和功率輸出PWM脈沖至調速系統調節導葉開度；通訊調節方式下監控系統只是將監控系統的功率設定值通過電流信號 (4～20 mA)或其他通訊方式轉發給調速系統，由調速系統PID實現功率調節。

文中針對脈寬調節方式下進行導葉非線性自適應校正控制方法介紹。監控系統根據導葉開度自適應校正PID控制器的比例參數，實現導葉開度和機組有功功率之間的線性化，可以有效改善機組有功功率調節性能。其實現原理圖如圖1所示。圖中虛線框內為監控系統功率閉環及導葉非線性校正控制方法框圖，監控系統根據導葉開度，自適應修正PID控制器的比例增益，實現不同導葉開度和不同工況下的自適應控制，其中Kp0為原系統比例增益或經過試驗整定的比例增益初始值；F(x)為導葉開度非線性校正函數，限幅模塊用于限制比例增益的過大或過小引起功率調節速率的超調和過慢，實現空載以上導葉開度恒速率控制。監控系統與調速系統通過PWM脈寬進行接口。

圖1 導葉非線性自適應校正控制原理框圖

導葉開度非線性校正函數 F(x)可表示如下：

式中，a1(x)～an(x)為PID模塊的比例增益修正系統，x1～xn為不同的導葉開度區間 (x1為空載開度)，a1(x)～an(x)、x1～xn需要通過現場試驗確定。

根據圖1可知，監控系統PID模塊的比例增益Kp可表示為：

由式1和式2可以看出，監控系統根據導葉開度自適應修正監控PID模塊的比例增益，對不同導葉開度區間不同比例控制增益以適應控制對象變化，從而達到抑制功率波動的目的。

3 控制方法實施

3.1 水電廠概述

水電站裝機容量為兩臺額定65 MW的機組，共130 MW，年發電量5.964億kW.h。計算機監控系統采用H9000監控系統，機組LCU采用GE 90-30 PLC作為LCU的主控制器，GE 90-30 PLC的CPU采用的是586/133 MHz微處理器，支持梯形圖和IL指令表編程。本文采用Proficy Machine Edition 8.5軟件的梯形圖進行開發。

3.2控制方法實現

控制方法實現框圖如圖2所示。

圖2 控制方法實現框圖

導葉開度非線性校正方法只有在機組并網后才運行，根據導葉開度的不同自適應計算當前導葉開度下的比例增益。

3.3 控制方法參數整定

為了得到不同導葉開度下對應的控制器比例增益，進行導葉開度/負荷試驗；試驗在機組并網條件下，進行負荷升降試驗，每次升、降的幅度為5 MW，最后將機組功率和對應的導葉開度數據導出，計算不同功率下對應的導葉開度平均值，記錄于表1。從表1可看出單位導葉開度對應的負荷變化是不同的，斜率k反應出單位導葉開度對應的功率變化值，k越大說明導葉的變化對功率的影響越大。

對原系統進行負荷變動試驗，整定Kp0使其滿足控制性能要求。

表1 同負荷下導葉開度對應關系表

根據表1可得，導葉開度非線性校正函數F (x)可表示為：

4 控制方法實施效果

實施導葉非線性校正控制方法后，在機組振動區以上，對機組進行變負荷試驗對加入控制方法前后功率調節靜態和動態性能進行了比較。

4.1 靜態性能對比

圖1為優化前機組在55 WM的靜態性能。可以看出功率在55 MW時波動幅度較大、波動周期較短。圖2為優化后55 MW時機組的靜態性能。圖2中綠色的曲線為設定值為55 MW時的實發功率曲線，對比圖1可以看出，優化后，55 MW時功率波動頻率和波動幅度 (靜態偏差)都大幅降低，性能得到明顯提高。

表1 優化前后靜態性能對比表

表1為加入導葉前后靜態性能比較 (功率設定值為55 MW)，可以看出加入導葉非線性自適應校正控制后靜態偏差減小了5倍，功率波動最大最小之間的幅度減小了3倍，波動周期加大了10倍 (即周期越大說明功率曲線更加平滑了)。

4.2 動態性能對比

在投入機組功率閉環控制，改變機組設定值對機組的動態響應性能進行測試。圖3為優化前測試曲線，圖4為優化后測試曲線。表2是為優化前后動態性能比較。通過對比可以看到，優化后超調量較之前較小，調節速率有可能會降低但是在遠高于規范中要求的大于60%額定功率每分鐘，優化之后改善較為明顯的是穩定時間，以65 MW～55 MW變動為例，穩定時間從優化前的24 s優化為4 s，即監控系統調節的次數和品質得到了明顯的提升。

圖1 優化前負荷變動曲線

表2 優化前后動態性能對比表

圖2 優化后負荷變動曲線

5 結束語

綜上所述，機組現場靜態和動態試驗表明：導葉非線性校正邏輯能夠有效的提升機組的靜態調節性能，靜態調節誤差由 4.1%額定功率(Pe)優化至0.8%Pe、機組功率波動周期由原來的4 s優化至40 s、機組功率波動幅度由原來的5.6%Pe優化至2%Pe、機組功率波動周期從原來的24 s優化至4 s，有效的改善機組的調節性能；動態性能方面，在不降低機組調節速率的情況下，減小機組的超調，縮短機組調節的穩定時間。

可見，文中提出的導葉非線性自適應校正控制方法能夠有效改善機組的動態和靜態性能。

[1] 陳帝伊，丁聰，等.水輪發電機組系統的非線性建模與穩定性分析 [J].水力發電學報，2014，02：235-241.

[2] 孫聞，孔祥玉，等.基于實測數據的發電機調速系統參數辨識方法 [J].電力系統及其自動化學報，2014，03：26-30.

[3] 寇攀高，周建中，等.基于菌群-粒子群算法的水輪發電機組PID調速器參數優化 [J].中國電機工程學報，2009，26：101-106.

[4] 董清，張玲，等.低頻振蕩擾動源機組的自動定位方法[J].電網技術，2012，10：265-269.

[5] 桂小陽，梅生偉，等.水輪機調速系統的非線性自適應控制[J].中國電機工程學報，2006，26(8)：66-71.

[6] Q/CSG 110004-2012.自動發電控制 (AGC)技術規范[S].廣州：中國南方電網有限責任公司，2012.

[7] 張劍云，李明節，等.三峽巨型電站異常功率波動仿真與試驗研究 [J].中國電機工程學報，2012，16(32)：122 -129.

[8] 盧勇，賀祥飛，等.云南電網水電機組參與一次調頻改進方案 [J].電力系統自動化，2006，306(21)：86-89.

Research and Implementation of Nonlinear Adaptive Correction Control Method of the Hydropower Unit Guide Vane

TANG Lijun，LIU Youkuan，DU Jinqi，LUO Enbo
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Hydro generating plant is a typical nonlinear system，the simplified linear model is different under different guide glade opening.This paper analyzes the cause of power oscillation of hydropower plant and proposes an adaptive control method of PID proportional gain correction for simplified linear model under different guide glade opening.A parameter setting method of the nonlinear adaptive control method for the guide glade opening is then present and has conducted in field implementation in#2 unit of Shimenkan hydropower plant.The results of the field implementation indicate that this method has effectively enhanced the regulating performance of units and the static regulation error，power oscillation cycle，power fluctuations，adjusting and stabilizing time of units has significantly improved.

hydropower plant；adaptive correction control；power oscillation

TM73

B

1006-7345(2014)05-0053-04

2014-07-07

唐立軍 (1985)，男，碩士，工程師，云南電網電力研究院，從事水、火電廠自動控制、智能變電站等方面研究 (e-mail) tlijun＠foxmail.com。

劉友寬 (1973)，男，碩士，教授級高級工程師，云南電網電力研究院，從事火電、水電自動化的控制、測量與保護等方面的現場調試、試驗等技術及研究工作。

杜景琦 (1980)，男，碩士，工程師，云南電網電力研究院，從事火電、水電自動化的控制的現場調試、試驗等技術及研究工作。