水輪發電機組復合控制綜述

葛 君

(華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450000)

0 引言

目前，我國電力系統呈現出“超高壓、大機組、多擾動和大容量機組”的特點。在現實的運行中，電力系統的功率和負荷是一直都在變化的，因此，必須每時每刻調整發電機組各個動力機組的功率和輸出動力，使得動力系統能夠達到靜態供需平衡的穩定狀態。

但是，電力系統負荷的變化具有一定的隨機性，靜態供需的不平衡狀態必然會發生，電力系統也經常會處于一個動態平衡的一個過程，在這個平衡的過程中，電能的頻率和輸出電壓均會發生周期性的波動。動態的過程中，頻率的偏差如果發生得過大，必然會嚴重影響電網和各動力機組自身的穩定和正常運行，嚴重的話甚至有可能會造成整個電網的系統解列或者崩潰。所以，想要更好地維持電力系統安全穩定的運行，頻率控制在基本電壓的誤差內，基本電壓的恒定就尤為重要。啟動電壓如果高于家用電器設備的標準電壓要求，電氣設備就有可能會受到損壞；反之，若家用電氣設備超過或低于啟動標準的電壓，電氣設備將不能正常啟動和運行。

因此，電網的電壓必須維持在啟動標準規定的范圍之內，電網才能夠平穩正常地運行。在這種情況下，采取適當的復合控制手段無疑是一種可以保證系統安全、穩定以及合理、經濟運行的有效方式。而控制水輪機組的調速器和水輪發電機勵磁控制器是調速發電廠中主機組十分重要的復合控制手段和設備，對于有效保證電力系統的安全穩定的運行以及提高電能的質量具有重要的意義和作用。因此需要對水輪機組的調速器和水輪發電機組的勵磁復合控制進行深入的研究。

1 水輪機調速器的研究

水輪機調速器是保證水電廠機組穩定安全運行的重要水輪發電設備之一，其直接影響著發電機組的安全與運行的穩定。關于運用水輪機調速器可以改善我國電力系統運行穩定性的觀點是盧強于1993年首先提出的[1]。第一個描述水電廠機組動態的非線性水錘方程式發電機組是孫元章于1994年提出，他基于描述剛性水擊，導出了發電機組導葉開度與機械功率的微分方程、電磁力矩的微分方程、機組調速運動的微分方程一起組合構成[2]。為了設計和研究第一個具有剛性水錘調速運動效應的非線性水輪方程式發電機組的非線性調速運動規律，孫郁松于1999年提出一個采用非線性化理論的微分幾何非線性化理論的導葉設計[3]。2000年，又進一步深入討論了這一設計問題[4]。為導葉的設計問題考慮了基于剛性水擊的有功擾動調節控制規律，劉翔在2001年提出導葉采用自抗擾控制的技術[5]，而孫郁松為導葉設計了具有干擾抑制功能的基于導葉非線性反饋控制的規律，采用了非線性控制H∞的技術和基于動態微分幾何的反饋控制非線性化的方法[6]。2002年，為了設計適用于水輪機的調速控制系統導葉附加H∞的控制(hgahc)，董清提取了有功擾動控制信號作為水輪機控制器的一個微分輸入控制信號，采用的方法是一個動態微分幾何積分器[7-8]。孫立民于2003年為導葉設計了基于導葉的非線性反饋控制的規律，運用的方法是基于動態微分幾何反饋線性化的方法[9]。2004年，盧強等人設計了多機遠距離電力系統調速器中的大型水輪機兩用調速器和分散魯棒的控制器，運用了微分方程的幾何控制理論、非線性魯棒控制和動態反饋控制理論[10]。2005年，發表了大型水輪發電機組兩用調速器的非線性最優gnopss的技術研究論文，并特別指出對于進一步提高水輪機遠距離輸電系統的安全和穩定性，利用大型水輪發電機組非線性最優pss(gnopss)調速器控制運動規律的效果是顯著的，與水輪機和facts的調速器效果同樣是迭代疊加的，且性價比遠超過facts的設備[11]。

盡管大型水輪發電機組與大型汽輪機調速器發電機組控制調節電力系統的控制設計特點各不相同，單從發電機的角度出發，他們的發電機組控制和調節設計機理仍然是相似的，因此，水輪機和大型汽輪機兩用調速器的發電機組控制調節設計和理論總是相互推動、共同進步的，在所有水輪機調速器控制調節設計和理論中完全可以相互借鑒。大型汽輪機兩用調速器是提高遠距離電力系統安全穩定性的關鍵技術研究成果，其中有許多，如連續魯棒控制[12]、小波神經網絡[13]、分散魯棒控制[14-15]、神經網絡中的廣義逆控制[16]等。

2 發電機勵磁控制器的研究

2.1 線性單變量勵磁控制方法

古典的控制系統理論最初是專門利用傳遞函數對現代控制電力系統的復雜性進行分析和描述的，在20世紀50年代已經發展成熟，研究的對象被稱為采用線性定常的單輸入-單輸出控制系統[17]。在此基礎上發明了一種PID調節的方式，雖然已經有了PID調節的方式，但是也不能完全有效地克服現代電力系統調節的復雜問題。

2.2 線性多變量勵磁控制方法

因為目前電力系統的勵磁控制穩定性和快速調節勵磁控制精度之間的矛盾用上述的方法并不能完全得到改善，因為調節器的負阻尼會在快速勵磁控制方式的使用時增加導致一些電力系統在使用時產生比較嚴重的低頻振蕩，因此采用線性多變勵磁調節器控制的方法已經廣泛應用起來。

2.2.1 強力式勵磁調節方式

強力式勵磁電流調節方式采用與電力系統功率振蕩有關的多個參量進行功率振動控制，電力系統的功率穩定性基本上會在高頻得到大幅度的提高，低頻電力系統功率的振蕩也會在高頻得到大幅度的遏制，這是前蘇聯科學家在1985年正式提出的[18]。此控制方法在當時已經得到了很多科研人士的支持和關注，但是因為當電力系統結構發生變化的時候，參數進行整定的過程有時比較復雜，控制的效果并不理想，所以沒有在世界上任何國家得到推廣應用。

2.2.2 PID+PSS 勵磁控制方式

為了研究設計一種采用PID+PSS這種結構的勵磁輸入驅動控制系統的方法，將勵磁系統的控制由單勵磁輸入驅動控制的系統逐漸發展為雙輸入驅動控制的系統，1969年demello提出了對電力系統的穩定器控制PSS(power system stabilizer)作為輔助勵磁系統的控制策略[19]。此種控制方法的特點是：PID驅動控制的傳遞函數的極點向左發生移動，并且基本上保留了對PID的穩定器控制，電力系統的勵磁阻尼控制特性的穩定性也得到了充分保證，這種勵磁控制方法至今仍在各國的電力系統中廣泛應用。

現在，PSS的控制功能基于先進的控制方法和理論已經得到了很大的提升，這些控制方法主要有:免疫控制算法[20]、魯棒快速控制輸出反饋[21]、智能雙輸入[22]、遺傳算法[23]等。

2.3 非線性多變量勵磁控制方法

上述勵磁控制的方法都可能是理想的，是按照近似的線性或者是非線性控制模型來說的，但是由于電力系統比較復雜，實際運行中往往是非線性的、時變的以及大擾動的，因此，線性化控制勵磁模型的方法會在預測電力系統可能受到大規模擾動的時候產生較大偏差。而利用近代勵磁偏微分方程的幾何理論為其基礎發展得到的非線性的勵磁控制理論，可以大大提高電力系統在大勵磁干擾下的運行穩定性。

在目前電力系統各種不確定性的擾動進行系統控制的幾種方法中，魯棒控制的每一種方法實際上都是行之有效的；而由于一個電力系統本身上就是一個復雜且具有不確定性的擾動控制系統，所以這種魯棒控制系統方法就是一種有效的結構性控制系統方法。

魯棒控制的主要目的之一就是為了保證電力系統在結構性擾動中一旦出現不確定因素時，效率能夠始終保持最優。把系統的某些具有不確定性的因素和集合視為某種類型的結構性擾動的因素和集合，然后對這種結構性擾動的因素和集合分別給予適當的電力系統數學和物理性質的描述，并將其集合作為電力系統某些需要受到約束的基本條件，和系統原有的電力系統以及某些需要受到約束的因素和條件一起，通過理論優化，對結構性問題的規律和集合進行了分析和求解，最終可以直接得到魯棒控制的理論和實踐規律。在此基礎上已經出現了關于H∞增益系統控制[24]、l2增益系統控制[25]和μ綜合控制理論[26]等幾種魯棒控制的方式。魯棒控制的優點仍然有許多，包括良好的系統抗干擾性、參數偏差小以及良好的系統穩定性；但它也有一些缺點，其具有很大的技術局限性，只能用于處理非結構性系統不確定性的問題、權衡函數的選取困難等。

3 調速與勵磁復合控制器的研究發展

勵磁和汽輪機聯合調速的解耦和聯合控制器的設計廣泛應用于大型的汽輪機和火力發電機組，國內外的專家和學者對其控制算法都進行了大量的深入研究，如基于反饋線性化的非線性控制算法[27-28]、遞歸自校正的神經網絡控制算法[29]、自校正神經網絡控制算法[30]、采用變結構控制算法[31-32]、采用多指標非線性解耦的汽輪機復合控制[33]、逆系統控制的方法[34]、多機解耦復合控制在大型電力系統的設計過程中的分散控制[35]等。2001年，唐忠健博士成功開發和設計了大型發電機組中的一種附加勵磁與汽輪機聯合調速的解耦復合控制器[36]，而其主要研究和利用的復合控制理論基礎就是非線性解耦復合控制狀態下的PI解耦和汽輪機復合控制的解耦理論。

勵磁和轉漿葉調速的水輪轉漿葉控制系統聯合協調的控制系統設計，在水輪轉漿式水力發電機組勵磁和控制轉漿葉方面的實際應用和技術研究相對較少。1995年，m.djukanovic在低水頭勵磁和調速的轉漿式水輪調速風力發電機組的水輪轉漿葉復合控制中，采用自適應線性化神經網絡的轉漿葉控制系統理論，設計了勵磁和調速(轉漿葉包括勵磁導葉和自動調速的水輪轉漿葉)系統綜合協調的轉漿葉控制器[37]，能有效地控制和改善系統的工作暫態和運行穩定性。1996年，趙聞飚利用了轉漿式水力發電機組控制系統線性化轉漿葉神經網絡的模型，采用H∞控制線性化神經網絡的理論，并成功設計了勵磁和轉漿葉調速的水輪轉漿葉復合控制[38]。1997年，miodrag等人，采用了模糊相適應水輪機神經網絡的理論重新設計了勵磁和水輪機調速轉漿葉綜合協調的解耦控制器[39]。1999年，djordje等項目負責人重新設計了一種主要適用于低水頭調速轉漿式水輪發電機組的勵磁和水輪機調速轉漿葉控制器綜合的解耦控制器，可以有效地減少和抑制在大水力擾動的條件下水輪發電機組的振蕩[40]。2000年，肖志懷采用多變量的頻率偏差控制的方法重新研究設計了勵磁和有功水輪機調速電壓綜合的控制器，他采用勵磁水輪機有功調速電壓的頻率增量和勵磁水輪機有功調速電壓之間的頻率偏差控制信號為基礎的解耦電路輸入頻率控制信號，進行解耦電路和控制器的分析和設計[41]。2002年，陳遠楚博士首先提出了采用相適應神經網絡理論協調控制的方法重新研究分析和設計了勵磁和水輪機有功調速的綜合協調控制的規律和存在的問題[42]。2004年，m.j.jin基于微分方程和幾何的動力學理論重新研究了勵磁和調速多機復合電力系統在設計和運行的過程中，水輪機調速器和勵磁的協調控制的規律[43]。目前相關技術研究的重點和主流方向是在控制算法和技術層次上的勵磁調速復合控制器的設計。

4 結語

水力發電在不斷發展，但伴隨的就是遠距離輸電，因此電力系統的穩定和電能質量的穩定就顯得十分重要。水輪機調速系統和發電機控制系統的復合控制技術相對來說較為復雜，但卻是保證電力系統穩定運行和電能質量的重要方式，也是該領域目前研究的熱點。對兩個系統的復合控制關鍵在于選取適合的控制方式，但目前來說相關的理論和研究還不是很充分，開展相關的數學建模和理論研究以及仿真實驗，將為水輪機組的復合控制提供科學的依據，在行業內會有重要的影響。