自抗擾控制器應用于水輪機調速系統的仿真分析

要亞斌,王利杰,邵麗娜

(1. 河北省電力勘測設計研究院，石家莊　050031；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊　050021)

?

自抗擾控制器應用于水輪機調速系統的仿真分析

要亞斌1,王利杰2,邵麗娜1

(1. 河北省電力勘測設計研究院，石家莊050031；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021)

摘要：針對水輪機調速系統的特點，提出在水輪機調速系統中引入自抗擾控制的策略。介紹水輪機調速系統的原理，分析自抗擾控制器的特點，搭建帶自抗擾控制器的仿真模型，將傳統PID仿真結果與帶自抗擾控制器的仿真結果進行比對，結果表明自抗擾控制器能有效改善水輪機系統的控制品質，并具有工程實際價值。

關鍵詞：自抗擾控制器；水輪機；調速系統；調速器；仿真

0引言

水力發電過程控制分為3個層次[1]：設備層級控制、電廠層級控制、電網層級控制。設備層級控制雖處于整個水力發電過程控制系統的最底層控制，而水輪機轉速調節系統又位于機組層級控制的最高端。因此，水輪機調速器作為轉速調節系統的控制器，其控制性能就顯得尤為重要和關鍵[2]。

自抗擾控制器(ADRC)自PID控制器演變過來，采取了PID誤差反饋控制的核心理念。傳統PID采用設定值與系統輸出的誤差作為其輸入信號，容易導致系統的快速性和超調行之間出現矛盾。于是自抗擾控制器吸取了現代控制理論成就，發揚了PID控制技術的精髓，是不依賴于被控對象精確模型的、能夠替代PID控制技術的、新型實用數學控制技術[3]。自抗擾控制器可以通過特殊環節獲得系統未知擾動和不確定量的估計值，并將估計量反饋到控制系統中，從而實現系統的動態線性化，該理論思想獨特，方法簡單，不需要系統的精確模型，特別適合具有非線性和時變特性的水輪機調節系統。

1水輪機調速系統原理

水輪機轉速調節原理見圖1。

水輪機發電機組轉動部分可描述為繞固定軸旋轉的剛體運動，其運動方程為[3]：

(1)

圖1　水輪機轉速調節原理

則可得出：Mt=Mg

由此可以看出，水輪機主動力矩等于發電機阻力矩是維持水輪發電機組轉速或頻率恒定的必要條件。為了滿足這個條件，水輪機主動力矩必須跟隨發電機阻力矩變化而變化，這樣才能保證機組轉速或者頻率恒定不變。

水輪機的主動力矩由水流作用于轉輪葉片而產生，水輪機的主動力矩可有公式(2)表示：

(2)

式中：P為機組出力，r為水的容量，Q為水輪機的流量，H為水輪機工作水頭，η為水輪機效率。

由此可知，調節水輪機的流量可以改變水輪機的主動力矩，而水輪機的流量可以通過改變導葉開度或噴針開度來實現，這種方法較其他方法簡單，易實現。因此當發電機負荷發生變化時，通過調整水輪機開度改變主動力矩的大小，使其與負載主力矩相平衡，以維持機組的轉速或頻率恒定[4]。

2自抗擾控制器的特點

自抗擾控制器主要由三部分組成：微分跟蹤器TD(tracking differentiator)，擴展狀態觀測器ESO(extended state observer)和非線性狀態誤差反饋控制律NLSEF(nonlinear state error feedback law)。

微分跟蹤器的作用是安排過渡過程，給出合理的控制信號，解決了響應速度與超調性之間的矛盾。擴展狀態觀測器用來解決模型未知部分和外部未知擾動綜合對控制對象的影響。雖然叫做擴展狀態觀測器，但與普通的狀態觀測器不同。擴展狀態觀測器設計了一個擴展的狀態量來跟蹤模型未知部分和外部未知擾動的影響。然后給出控制量補償這些擾動。將控制對象變為普通的積分串聯型控制對象。設計擴展狀態觀測器的目的就是觀測擴展出來的狀態變量，用來估計未知擾動和控制對象未建模部分，實現動態系統的反饋線性化，將控制對象變為積分串聯型。非線性誤差反饋控制律給出被控對象的控制策略。

自抗擾控制器可以通過特殊環節獲得系統未知擾動和不確定量的估計值，并將估計量反饋到控制系統中，從而實現系統的動態線性化，該理論思想獨特，方法簡單，不需要系統的精確模型，特別適合具有非線性和時變特性的水輪機調節系統。

根據水輪機模型，搭建的自抗擾控制器結構如圖2所示。

圖2　自抗擾控制器結構

3基于自抗擾控制器的水輪機模型仿真

3.1常規PID控制

在MATLAB中建立仿真模型。

經過簡化的具有PID調節規律調速器的水輪機調節系統，將對象變為線性傳遞函數，忽略某些小時間參數，再進行仿真。式中重要參數為：Ty=0.1，Tw=1，en=8，Ta=1，Kp=1.5，KI=1，KD=0。仿真結果如圖3所示。

考慮到現場被控對象參數可能測定不準確，所以設定Tw=1.1，en=8.5時，進行二次仿真，該控制器控制效果見圖4。

由仿真結果可知，采用常規PID控制器已經可以達到比較好的效果，響應速度快，即使被控對象發生變化，也能有較好的調節效果，即有較強的魯棒性，調節時間快，只是超調較大。

(a) 　頻率給定擾動階躍響應

(b) 　功率擾動階躍響應

(a)　被控對象參數變化后頻率給定擾動階躍響應

(b)　被控對象參數變化后功率擾動階躍響應

3.2自抗擾控制

根據水輪機模型，搭建的帶自抗擾控制器的仿真模型如圖5所示。

重要參數為：Ty=0.1，Tw=1，en=8，Ta=1，bet1=18，bet2=10，bet3=3，bet1(1)=0.8，bet1(2)=0.8。仿真結果如圖6所示。

考慮到現場被控對象參數可能測定不準確，所以設定Tw=1.3，en=10時，進行二次仿真，該控制器控制效果見圖7。

圖5　帶自抗擾控制器仿真模型

(a)　帶自抗擾控制器頻率給定階躍響應

(b)　帶自抗擾控制器功率擾動階躍響應

PID和自抗擾數據比較分析結果見表1。

將表1結果和常規PID相比，超調降低，反調減小，雖然犧牲了少許的調節時間，但是總體調節質量得到了大幅度地提高，證明了自抗擾調節器的先進性，可以解決PID調節器關于信號處理上的缺陷問題，使控制達到更好的效果。

表1PID和自抗擾數據比較分析結果

項目超調量/%調節時間/s反調量/sPID403020自抗擾20708

(a)　被控對象參數變化后帶自抗擾控制器頻率給定階躍響應

(b)　被控對象參數變化后帶自抗擾控制器功率擾動階躍響應

4結束語

水輪發電機調速系統是一個典型的非最小相位系統，且電網負荷的變化會給水輪機調速系統帶來較大的擾動，從而對系統的穩定性產生較大影響，使用常規PID控制方式難以保證良好的控制效果。將自抗擾控制引入水輪機調速系統的控制，可有效抑制系統的超調、減小負調并縮短調節時間，仿真結果表明：在系統工況發生變化時，控制效果仍然很好，具有較強的魯棒性。

參考文獻：

[1]鄭源，陳德新．水輪機[M]．北京：水力水電出版社，2001.

[2]潘峰，李天智．三峽左岸電站水輪機調速器的特點和運行分析[J]．水力自動化與大壩監測，2007，31(2):33-35.

[3]韓京清. 自抗擾控制技術[J].前沿科學,2007,1(1)：24-31.

[4]張翼，邱曉燕. 水輪機調速器的模糊自適應PID控制[J]，大視野，2008, 1(9)：118-119.

本文責任編輯：楊秀敏

Simulation Analysis on Active Disturbance Rejection Controller Applies inHydraulic Turbine Generator System

Yao Yabin1,Wang Lijie2,Shao Lina1

(1.Hebei Electric Power Design and Research Institute,Shijiazhuang 050031,China; 2.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:The method of introducing active disturbance rejection control (ADRC) into hydro turbine speed governing system is proposed to cater for the governing characteristics of hydro turbine.It illustrates the theory of hydro turbine governing system, analyzes the features of ADRC,and builds simulation model with ADRC.Comparing with conventional PID simulation result,it shows that ADRC can improve the control quality of hydro turbine system effectively and is worthy of putting into practice in projects.

Key words:ADRC,hydro turbine,speed governing system,speed governor,simulation

收稿日期：2016-02-24

作者簡介：要亞斌(1979-)，男，高級工程師，主要從事電廠熱控自動化專業設計研究工作。

中圖分類號：TK730.17

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)03-0053-04