燈泡貫流式機組負荷調節問題的分析與處理

謝亞平 李渭杰 馮啟文 謝傳萍

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714175

摘要：本文針對湖南桃源水電站燈泡貫流式機組功率調節超調問題，結合PID算法原理，分析了現場調節中功率調節系數kp、功率誤差e、最大脈沖plus_max、掃描周期ST等主要調節參數對調節動態過程穩定性的影響，并得到滿足現場需要的調節參數。

關鍵詞：燈泡貫流式機組；傳統PID算法；功率調節

燈泡貫流式水輪發電機組有結構緊湊、體積小、消耗材料少、重量輕，水力損失少、運行方式多、建設周期短、投資省等等諸多優點，是開發利用低水頭水利資源的較好方式。然而正因為貫流式機組運行水頭低、引用流量大，機組轉動慣量小，水流慣性時間常數較大，造成機組在動態負荷調節或者響應大波動的過渡過程時穩定性較差，甚至出現嚴重的反調現象。傳統PID算法因其獨立于對象的數學模型，具有結構簡單，魯棒性強等特點，在水電站控制工程實踐中得到廣泛的應用。當工程現場使用傳統PID算法調節燈泡貫流式機組的負荷時，對調節參數進行整定應充分考慮調節速度與調節效果的關系，盡量避免超調。

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梯級，裝設9臺單機容量20MW的燈泡貫流式機組，電站多年平均年發電量7.93億kW·h，裝機年利用小時數4404h。采用NARI公司的計算機監控系統。現場運行時負荷調節較慢，安裝單位和業主對PID調節參數進行了整定，使有功PID調節速度達到要求，但功率超調嚴重，甚至出現過負荷事故停機的情況。

2 功率PID調節

常規PID控制原理圖如圖1所示，其表達式為：

u（t）=Kpe（t）+1T1∫t0e（t）+TDde（t）dt（1）

式中：u（t）為調節器輸出信號；e（t）為目標值與設定值的偏差值；；Kp為調節器比例系數；T1為調節器積分時間；TD為調節器微分時間。

將式1離散化后得到數字PID表達式為：

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）為調節器輸出，e（k）為目標值與設定值的偏差值；T為采樣周期；k為采樣次數；Kp為調節器比例系數；K1=KPTT1為調節器積分系數；KD=KPTDT為調節器微分系數。

水電站監控系統現場在功率調節時，采用脈沖寬度調節，即監控系統調節器輸出為定頻調寬方式，且可以不做微分及積分調節，其表達式為：

u（k）=KPE（k）u（k）u（k）=umaxu（k）>umax（4）

式中：u（k）為調節器輸出；e（k）為目標值與設定值的偏差值；KP為調節器比例系數；k為采樣次數；umax為最大調節脈沖。

分析可知，KP決定系統的動態響應速度和穩態調節誤差，KP越大動態響應越快，穩態調節誤差越小，但KP過大會導致系統超調震蕩，甚至系統發散；umax只影響系統的動態響應速度，在KP不變的情況下，umax越小，系統動態響應速度慢，系統越穩定；同時，在離散調節系統中，掃描周期越長，系統動態響應速度越慢，系統越穩定。

3 現場原因分析

現場試驗發現，調節初期，監控系統輸出負荷調節指令，負荷小范圍有反調現象。在調節末期，監控系統對負荷調節已無輸出，但機組功率仍然在增加，最終導致超調。反調現象原因可能有兩個，一個原因是執行機構誤動作，反向調節；第二個原因是水輪發電機的水錘效應導致功率的反向變化；超調現象的原因可能有兩個，一個原因是監控系統無輸出，但調速器導葉開度仍然在自動增加；第二個原因是監控系統及調速器導葉開度均不變，但由于機組慣性大，負荷延遲一段時間達到穩定。

針對上述原因，查詢歷史曲線發現，調節初期，監控系統輸出正常，調速器導葉隨即動作，導葉的變化使得作用在水輪機葉片上的水壓變化，機組功率相應發生變化，此即水輪發電機的水錘現象；調節末期，監控系統及調速器導葉開度均不變，負荷仍然在增加，跟第二原因相吻合。由此可知，調節末期超調的原因為機組具有比較大的慣性即具有比較大的調節延遲特性；如圖2所示。

為了確定機組的延遲特性，對機組進一步做調節階躍試驗：監控系統開出1s～2s的調節脈沖，監視機組動態特性，如圖3所示。

由圖中曲線可知，調節脈沖輸出后，調速器接收到動作脈沖，導葉開始打開，在導葉穩定后，負荷尚未穩定；從調節脈沖到導葉開度穩定，最后到負荷穩定，大約需要約10s的時間。

功率調節單次調節量的大小主要由下面四個方面的因素決定。

1）功率調節系數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；單次調節量與實際脈沖輸出成正比，即動態調節速度與實際脈沖輸出成正比。

4）掃描周期ST，PID模塊以ST為周期計算PID調節輸出，調速器將所有輸出累加后輸出。

綜上所述，超調的原因為機組具有水錘效應，且慣性較大，功率反饋延時，監控系統在功率未穩定時多次輸出調節脈沖，經調速器累加后輸出，導致導葉過度開啟，最終負荷超調。

由原因分析可知： 導葉開度增加后，有功負荷并不能實時跟隨延時較長，且在初期由于水錘效應甚至會減小，若監控系統在負荷尚未穩定時繼續控制導葉增加開度，則必然超調；故監控調節周期需與機組的延遲特性相當；從試驗可知，調節末期，負荷延遲與調節約6s，考慮到調速器的積分效應，為了保護機組調節穩定性，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，功率調節系數kp原來的2 設定為5；重新整定參數后，有功負荷從5MW升至20MW約85s。

4 結語

燈泡貫流式機組現場整定PID調節參數時，應做負荷階躍響應試驗；從而確定掃描周期，有效防止超調；尤其在調節末期，如果調節幅度過大，由于水錘效應的存在，負荷波動會比較大，影響系統的穩定；機組在不同工況下，有功負荷對導葉開度的響應特性不同，可考慮依導葉開度分段調節。

隨著機組容量的增大，對機組負荷調節動態過程的要求增高，傳統PID算法在有些情況下難以達到預期效果。且影響機組運行的因素并不是唯一的，結合智能優化算法對機組的運行進行優化，可以保證機組安全穩定地運行，同時提高電站的經濟效益。

參考文獻：

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[4]伍奎，等.水電站計算機監控系統的模糊PID功率調節，2004（5）：1720.

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