PID 控制在水電廠有功調節的應用

王朝淳 宗和剛

（1、桑河二級水電有限公司，柬埔寨 上丁省 2、華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電站，云南 迪慶674606）

水電站在電網生產運行中發揮防洪灌溉、調峰調頻的重大作用，對全廠有功調節進行優化以提高資源利用效率至關重要[1]，然而由于水電廠功率調節速度快，出力能在短時間大幅度增減，容易給電網造成安全隱患[2]。因此必須利用高效PID 控制策略對各機組出力、負荷分配、運行方式、全廠功率等參數進行處理，合理進行流域梯級水庫和發電生產，盡量避免棄水現象的發生。

1 PID 控制在水輪機調速器中的應用及死區的影響

水輪機調速器是水電站核心控制設備之一，它與計算機監控系統相配合，承擔著機組導葉開度、機組頻率、機組功率等控制任務，簡單的水輪機微機調速器系統結構如圖1 所示。PLC 調節器經過PID 運算輸出脈沖序列，經過放大后作為開關閥的輸入信號，但是開關閥只有開啟和關閉兩種狀態，輸出的流量是斷續的，這時需采用PWM控制技術控制高速開關閥，讓其輸出連續的流量信號并進入接力器，從而控制接力器的位移[3]，反饋信號則取自接力器位移，經過V/F 轉換成頻率信號再次輸入PLC，與運算值進行綜合比較，達到調節導葉開度的目的。

目前，國際和國內的數字式調試器都是基于PID 或以PID為基礎的適應性變參數調整規律[4]。

由于水流貫性時間常數、水頭的變化、尾水的波動以及蝸殼中不均勻流場引起的脈動，水輪機微機調速器出現導葉開度調整不到位的情況，也就是導葉開度控制死區[5]。死區如果過大，實質就是理論和自動控制的失效，具體表現為機組頻率擺動過大，主配抽動劇烈，打油頻繁，管路振動，難于并網等。當然死區也不是越小越好，過于精準可能會使得主配壓閥非常靈敏，這對系統未必是好事。事實上，系統中如果存在一定的死區，在動態調節過程中，該死區會“離散在”整個調節過程中，使得導葉反饋曲線和給定曲線并不完全一致，且形成一個相對平緩的調節過渡過程，這對有效抑制機組慣性造成的頻率反饋滯后是非常有利的。

圖1 水輪機微機調速器系統結構

2 PID 控制在電廠AGC 中應用

由于負荷擾動非常大，如果開始就投入比例、積分、微分三種控制方式[6]，調速器就得不間斷的改變導葉開度，可能經過長時間的調整都難進入穩態而且對設備的傷害也是不容忽視的。再加上調速器死區的存在，系統存在穩態誤差是可以接受的，從生產成本以及快速開、停機，增減負荷的要求上看，優先采用比例控制是非常合理和科學的。根據設定負荷和實際負荷的差值，通過監控系統機組現地控制單元（LCU）的PID 控制程序來進行閉環控制調節[7]。具體對PID 控制器而言，

式中，Y 為操作變量，YP 為比例增益，FEED_FWD 為干擾變量，且ymin≤Y≤ymax。

在脈沖寬度調制（PWM1）中，在固定循環周期（t_period）內輸出與模擬值X 成比例的可變持續時間的“1”信號，其輸出

使用比例控制，則有YI=0，YD=0。其中PID 首次調節的參數分別為：

隨后將得到的增益值輸入到PWM模塊中，并通過脈沖長度計算公式（2）或（3）得到脈沖輸出長度。同樣的，首次調節的參數如下：

因為機組每時每刻的負荷都是在不斷變化的，所以比例系數、調節周期以及增有功最小脈寬（P_CHANGE_MIN）、減有功最小脈寬（P_CHANGE_MIN1）的值必然要隨著負荷的變化而變化。經過大量的機組控制實驗，我們采取了分段控制機組的方式：

（1）當實發值低于負荷有功設定值，且設定值小于200MW時，

（2）當實發值低于負荷有功設定值，且設定值大于200MW小于350MW 時，

（3）當實發值低于負荷有功設定值，且設定值大于350MW小于650MW 時，

（4）當實發值高于負荷有功設定值，且設定值小于200MW時，

（5）當實發值高于負荷有功設定值，且設定值大于200MW小于650MW 時，

3 有功調節存在的問題及原因分析

由于死區的存在，全廠有功出力實發值存在無法達到調度下發設定值的情況[8]，最高偏差可達-20MW，有功出力調節不夠精確。所以急需對監控系統有功出力調節策略進行優化，使全廠出力實發值達到調度下發的設定值。由于機組有功功率采用有功PID 調節模塊調節,調節精度為5MW，南網總調下發的全廠有功出力設定值變化比較平滑[9]，多數情況前后兩次設定值的差值都偏小，導致分配至各臺機組有功PID 的有功調節變化量偏小。

機組有功PID 在小幅調節時的調節能力較差，因此就經常會機組有功出力實發值低于有功設定值的情況，從而導致全廠出力實發值低于設定值。當機組有功PID 調節到位后若有功實發值低于有功設定值，則多發一次增有功脈沖，使有功實發值達到有功設定值。

同時，該策略兼顧PID 與一次調頻的協調關系，僅在一次調頻未動作的情況下生效，避免干擾機組一次調頻正確動作。具體優化方法如下：

當有功PID 執行新設定值調節進入死區（5MW）穩定10 秒后，如果有功實發值低于設定值，則再發一次增有功脈沖。將機組一次調頻動作及復歸信號引入該策略的觸發邏輯，當一次調頻動作時，閉鎖該策略。

此外考慮南網負荷偏差率小于2.5%的要求[10]，增有功脈沖長度采用梯度控制。當機組有功設定值超過200MW 時增有功脈沖長度按增發一個PID 死區考慮，即5MW；當機組有功設定值低于200MW 時，增有功脈沖按2MW 控制。考慮繼電器25ms 的動作時間損耗，由公式（2），（4），可得具體的脈沖長度，見表1（以#5 機組為例）。

表1 脈沖輸出長度

由表1 可知當機組有功設定值超過200MW 時，其對應脈沖長度150ms；當機組有功設定值低于200MW 時，其對應脈沖長度90ms。

4 優化前后全廠有功調節的對比及分析

為了驗證優化方案是否能改善全廠有功出力，使實發值達到調度下發的設定值，我們對優化前的#2、#5、#9 機組及全廠有功出力跟蹤設定值情況進行了抽樣分析。抽樣的范圍是3 臺機組在2016 年10 月07 日至2016 年11 月10 日的實發值及設定值，頻率是兩分鐘取一次值。詳細的有功出力跟蹤設定值分析情況見表2。

表2 優化前#2、#5、#9 機組及全廠有功出力跟蹤設定值

同樣的，我們對優化后的#2、#5、#9 機組及全廠有功出力跟蹤設定值情況也進行了抽樣分析。抽樣的范圍是3 臺機組在2016 年11 月26 日至2016 年12 月09 日的實發值及設定值，頻率也是兩分鐘取一次值。詳細的有功出力跟蹤設定值分析情況見表3。

表3 優化后#2、#5、#9 機組及全廠有功出力跟蹤設定值

由表1 可知當機組有功設定值超過200MW 時，對應脈沖長度都是150ms，也就說優化程序和策略都一樣，而當機組有功設定值低于200MW 時，其對應脈沖長度則只有90ms。為了論證此方案的嚴謹性，我們對優化之后#2、#5、#9 機組梯度控制有功出力跟蹤設定值情況進行了抽樣分析。抽樣的范圍是3 臺機組在2016 年11 月26 日至2016 年12 月09 日的實發值及設定值，頻率也是兩分鐘取一次值，只對設定值區間進行劃分，即分為設定值在0-200MW 區間和設定值在0-200MW 區間。具體的有功出力跟蹤設定值分析情況見表4。

表4 優化之后#2、#5、#9 機組有功出力跟蹤設定值情況梯度分析

通過對數據進行對比分析，我們可以清楚的看到優化策略執行之后#2、#5、#9 機組及全廠有功實發值跟蹤設定值的功能有了明顯改善，設定值高于實發值的概率均有大幅提升。其中#2 機組由41%提升至71%，#5 機組由42%提升至63%，#9 機組由53%提升至68%，全廠由49%提升至60%。由于不同機組調速器調節特性存在差異，優化效果存在明顯差異，但是對比分析優化前后數據，有功優化的效果整體來看還是比較明顯的。

5 結論

在發電機組的AGC 有功調節過程中，水輪機組在某些負荷區域運行時會產生較大振動，也就是通常說的振動區[11]，個別機組的振動區甚至出現在機組的高效率區，而這會大大影響機組的安全穩定和使用壽命。因此必須合理進行有功調節及分配，將機組的運行調整在合理的區間，避開機組的振動區域，使機組有良好的工況，更好的執行電網的負荷需求[12]。