燈泡貫流式機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)問題的分析與處理

謝亞平 李渭杰 馮啟文 謝傳萍

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714175

摘要：本文針對(duì)湖南桃源水電站燈泡貫流式機(jī)組功率調(diào)節(jié)超調(diào)問題，結(jié)合PID算法原理，分析了現(xiàn)場調(diào)節(jié)中功率調(diào)節(jié)系數(shù)kp、功率誤差e、最大脈沖plus_max、掃描周期ST等主要調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)過程穩(wěn)定性的影響，并得到滿足現(xiàn)場需要的調(diào)節(jié)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：燈泡貫流式機(jī)組；傳統(tǒng)PID算法；功率調(diào)節(jié)

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、消耗材料少、重量輕，水力損失少、運(yùn)行方式多、建設(shè)周期短、投資省等等諸多優(yōu)點(diǎn)，是開發(fā)利用低水頭水利資源的較好方式。然而正因?yàn)樨灹魇綑C(jī)組運(yùn)行水頭低、引用流量大，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，水流慣性時(shí)間常數(shù)較大，造成機(jī)組在動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)節(jié)或者響應(yīng)大波動(dòng)的過渡過程時(shí)穩(wěn)定性較差，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的反調(diào)現(xiàn)象。傳統(tǒng)PID算法因其獨(dú)立于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，具有結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，在水電站控制工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)工程現(xiàn)場使用傳統(tǒng)PID算法調(diào)節(jié)燈泡貫流式機(jī)組的負(fù)荷時(shí)，對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行整定應(yīng)充分考慮調(diào)節(jié)速度與調(diào)節(jié)效果的關(guān)系，盡量避免超調(diào)。

1 背景

湖南桃源水電站位于湖南省常德市桃源縣城附近的沅水干流上，是沅水干流最末的水電開發(fā)梯級(jí)，裝設(shè)9臺(tái)單機(jī)容量20MW的燈泡貫流式機(jī)組，電站多年平均年發(fā)電量7.93億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)4404h。采用NARI公司的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場運(yùn)行時(shí)負(fù)荷調(diào)節(jié)較慢，安裝單位和業(yè)主對(duì)PID調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行了整定，使有功PID調(diào)節(jié)速度達(dá)到要求，但功率超調(diào)嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)過負(fù)荷事故停機(jī)的情況。

2 功率PID調(diào)節(jié)

常規(guī)PID控制原理圖如圖1所示，其表達(dá)式為：

u（t）=Kpe（t）+1T1∫t0e（t）+TDde（t）dt（1）

式中：u（t）為調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)；e（t）為目標(biāo)值與設(shè)定值的偏差值；；Kp為調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；T1為調(diào)節(jié)器積分時(shí)間；TD為調(diào)節(jié)器微分時(shí)間。

將式1離散化后得到數(shù)字PID表達(dá)式為：

u（k）=Kpe（k）+kpTT1Σk[]i=0e（i）+kpTDT[e（k）-e（k-1）]

=Kpe（k）+KIΣki=0e（i）+KD[e（k）-e（k-1）]（2）

式中：u（k）為調(diào)節(jié)器輸出，e（k）為目標(biāo)值與設(shè)定值的偏差值；T為采樣周期；k為采樣次數(shù)；Kp為調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；K1=KPTT1為調(diào)節(jié)器積分系數(shù)；KD=KPTDT為調(diào)節(jié)器微分系數(shù)。

水電站監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場在功率調(diào)節(jié)時(shí)，采用脈沖寬度調(diào)節(jié)，即監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)器輸出為定頻調(diào)寬方式，且可以不做微分及積分調(diào)節(jié)，其表達(dá)式為：

u（k）=KPE（k）u（k）u（k）=umaxu（k）>umax（4）

式中：u（k）為調(diào)節(jié)器輸出；e（k）為目標(biāo)值與設(shè)定值的偏差值；KP為調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；k為采樣次數(shù)；umax為最大調(diào)節(jié)脈沖。

分析可知，KP決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差，KP越大動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差越小，但KP過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)震蕩，甚至系統(tǒng)發(fā)散；umax只影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在KP不變的情況下，umax越小，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，系統(tǒng)越穩(wěn)定；同時(shí)，在離散調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，掃描周期越長，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越慢，系統(tǒng)越穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場原因分析

現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)初期，監(jiān)控系統(tǒng)輸出負(fù)荷調(diào)節(jié)指令，負(fù)荷小范圍有反調(diào)現(xiàn)象。在調(diào)節(jié)末期，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)已無輸出，但機(jī)組功率仍然在增加，最終導(dǎo)致超調(diào)。反調(diào)現(xiàn)象原因可能有兩個(gè)，一個(gè)原因是執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作，反向調(diào)節(jié)；第二個(gè)原因是水輪發(fā)電機(jī)的水錘效應(yīng)導(dǎo)致功率的反向變化；超調(diào)現(xiàn)象的原因可能有兩個(gè)，一個(gè)原因是監(jiān)控系統(tǒng)無輸出，但調(diào)速器導(dǎo)葉開度仍然在自動(dòng)增加；第二個(gè)原因是監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)速器導(dǎo)葉開度均不變，但由于機(jī)組慣性大，負(fù)荷延遲一段時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。

針對(duì)上述原因，查詢歷史曲線發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)初期，監(jiān)控系統(tǒng)輸出正常，調(diào)速器導(dǎo)葉隨即動(dòng)作，導(dǎo)葉的變化使得作用在水輪機(jī)葉片上的水壓變化，機(jī)組功率相應(yīng)發(fā)生變化，此即水輪發(fā)電機(jī)的水錘現(xiàn)象；調(diào)節(jié)末期，監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)速器導(dǎo)葉開度均不變，負(fù)荷仍然在增加，跟第二原因相吻合。由此可知，調(diào)節(jié)末期超調(diào)的原因?yàn)闄C(jī)組具有比較大的慣性即具有比較大的調(diào)節(jié)延遲特性；如圖2所示。

為了確定機(jī)組的延遲特性，對(duì)機(jī)組進(jìn)一步做調(diào)節(jié)階躍試驗(yàn)：監(jiān)控系統(tǒng)開出1s～2s的調(diào)節(jié)脈沖，監(jiān)視機(jī)組動(dòng)態(tài)特性，如圖3所示。

由圖中曲線可知，調(diào)節(jié)脈沖輸出后，調(diào)速器接收到動(dòng)作脈沖，導(dǎo)葉開始打開，在導(dǎo)葉穩(wěn)定后，負(fù)荷尚未穩(wěn)定；從調(diào)節(jié)脈沖到導(dǎo)葉開度穩(wěn)定，最后到負(fù)荷穩(wěn)定，大約需要約10s的時(shí)間。

功率調(diào)節(jié)單次調(diào)節(jié)量的大小主要由下面四個(gè)方面的因素決定。

1）功率調(diào)節(jié)系數(shù)kp，同等條件下kp越大，理論脈沖輸出kp*e越大。

2）功率誤差e，同條件下e越大，理論脈沖輸出kp*e越大。

3）最大脈沖plus_max，實(shí)際脈沖輸出為理論脈沖輸出kp*e與plus_max中取最小值；單次調(diào)節(jié)量與實(shí)際脈沖輸出成正比，即動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度與實(shí)際脈沖輸出成正比。

4）掃描周期ST，PID模塊以ST為周期計(jì)算PID調(diào)節(jié)輸出，調(diào)速器將所有輸出累加后輸出。

綜上所述，超調(diào)的原因?yàn)闄C(jī)組具有水錘效應(yīng)，且慣性較大，功率反饋延時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)在功率未穩(wěn)定時(shí)多次輸出調(diào)節(jié)脈沖，經(jīng)調(diào)速器累加后輸出，導(dǎo)致導(dǎo)葉過度開啟，最終負(fù)荷超調(diào)。

由原因分析可知： 導(dǎo)葉開度增加后，有功負(fù)荷并不能實(shí)時(shí)跟隨延時(shí)較長，且在初期由于水錘效應(yīng)甚至?xí)p小，若監(jiān)控系統(tǒng)在負(fù)荷尚未穩(wěn)定時(shí)繼續(xù)控制導(dǎo)葉增加開度，則必然超調(diào)；故監(jiān)控調(diào)節(jié)周期需與機(jī)組的延遲特性相當(dāng)；從試驗(yàn)可知，調(diào)節(jié)末期，負(fù)荷延遲與調(diào)節(jié)約6s，考慮到調(diào)速器的積分效應(yīng)，為了保護(hù)機(jī)組調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，故將PID掃描周期由原來的5s延長為7s，最大脈沖plus_max原來的3s縮短為1.8s，功率調(diào)節(jié)系數(shù)kp原來的2 設(shè)定為5；重新整定參數(shù)后，有功負(fù)荷從5MW升至20MW約85s。

4 結(jié)語

燈泡貫流式機(jī)組現(xiàn)場整定PID調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，應(yīng)做負(fù)荷階躍響應(yīng)試驗(yàn)；從而確定掃描周期，有效防止超調(diào)；尤其在調(diào)節(jié)末期，如果調(diào)節(jié)幅度過大，由于水錘效應(yīng)的存在，負(fù)荷波動(dòng)會(huì)比較大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定；機(jī)組在不同工況下，有功負(fù)荷對(duì)導(dǎo)葉開度的響應(yīng)特性不同，可考慮依導(dǎo)葉開度分段調(diào)節(jié)。

隨著機(jī)組容量的增大，對(duì)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的要求增高，傳統(tǒng)PID算法在有些情況下難以達(dá)到預(yù)期效果。且影響機(jī)組運(yùn)行的因素并不是唯一的，結(jié)合智能優(yōu)化算法對(duì)機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，可以保證機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：謝亞平（1969），男，碩士，工程師，主要從事水電廠自動(dòng)化研究工作。