時間最優PID控制算法在水電廠監控系統功率調節中的應用

殷召生

(南京佰思智能科技有限公司,江蘇 南京 210012)

0 引言

在水力發電廠生產運行中,電網對水電機組發電功率的質量要求越來越高,有功和無功的調節既要快速又要穩定。然而,水力發電是一個復雜的過程,水頭、導葉開度、調速器性能、勵磁系統的調節靈敏度等都直接影響著水輪機組的負荷輸出。因此水力發電機組功率調節進行研究具有重要的意義。

在水電廠計算機監控系統中,需要在監控系統的LCU部署PID控制功能模塊。此功能模塊實時運算,運算結果通過繼電器輸出脈沖令。此脈沖令輸出至調速器及勵磁裝置,這些裝置再對水輪機組進行控制,實現了機組的功率調節。

傳統的 PID 控制方法有其局限性,只有在系統模型參數為非時變且線性的情況下才能獲得理想的效果。當傳統算法應用到水電廠功率調節系統時,系統的性能會變差,甚至不穩定。為確保水輪發電機組功率調節的迅速、穩定及良好的控制特性,總結多個現場的功率調節經驗,筆者提出在水電廠計算機監控系統中采用時間最優控制(也稱Bang-Bang控制)和帶死區的數字PID控制相結合的分段控制算法[1]。

1 水電廠監控系統功率調節方式簡述

目前,國內的水電廠基本都配備了計算機監控系統。此系統的主要作用是對機組的運行監視和控制,其中功率調節是計算機系統的一個重要功能。計算機監控系統調節功率有兩種方式:一種方式是監控系統給調速器一個功率的目標值,調速器自身通過內部的PID調節機組的負荷,以便達到目標值;另一種方式是調速器工作在開度模式下,計算機監控系統通過現地控制單元下發脈沖命令給調速器,調速器根據脈沖的寬度來調節導葉的開度,以實現機組的功率調節。

本文討論的主要是當水輪機調速器工作在開度模式時,水輪機組功率調節主要由監控系統的PID控算法來實現。上級調度或電廠值班人員給監控系統設定當前機組的功率值,投入功率調節程序后,計算機監控系統的下位機PID程序就會實時的計算脈沖輸出值,同時把開出脈沖通過開出繼電器送至水輪機調速器的開關量輸入板。水輪機調速器根據脈沖寬度和脈沖間隔來控制機組導葉和槳葉的開度增加或減少,最終實現了水輪機組的功率調整。

國家電網調度部門對水輪機功率調節程序的要求是:快速、穩定、準確?？焖偈侵改茌^快的響應調度下發的功率設定值。根據國家電網“兩個細則”考核要求,需要在2分鐘內達到設定值。穩定是指為了保證機組本身的安全,調節時功率不要出現大的超調及振蕩。準確是指調節結果與設定值盡量小。

2 時間最優帶死區PID控制策略分析

2.1 時間最優PID算法分析

常規PID控制算法比較簡單、有效,在工業控制領域已普遍使用。此算法對水輪機設備模型的參數變化和各種干擾的自適應能力比較差,很難達到電網對水電廠功率調節的穩定快速的技術要求。

快速時間最優控制原理采用的是最大值原理,它的控制模型函數可以在控制對象的邊界上進行自動切換,其作用相當于一個繼電器切換器,所以也是一種位式開關控制,這種控制方式也叫Bang-Bang控制。

在系統偏差大,Bang-Bang控制可加大系統的控制力度,調高系統的快速性,但Bang-Bang控制很難保證足夠高的精度。因此在水電廠功率調節的控制應用中,宜采用Bang-Bang控制和線性控制相結合的方式。

實踐結果說明,Bang-Bang控制在隨動系統調轉控制能很好地滿足系統快速性的要求,并且結合常規PID控制方法能提高系統自適應能力和控制精度,有很好的推廣價值[2]。

2.2 帶死區的PID控制算法

帶死區的PID控制系統,即在調節的范圍內確定一個死區值,這個死區值也可以說是切換點。當偏差在死區范圍內時,PID的輸出為零,就可以避免控制頻繁動作,減少這些動作所引起的振蕩。在計算機數字控制系統中,相應的計算公式為:

其中:β為死區,β是一個可調的參數,其數值的大小可通過現場試驗確定。P(k)為輸入PID算法的誤差。

該系統控制類型實際上分成兩個區間來計算。即當系統的偏差絕對值小于等于β時P(k)設為0;當系統的偏差絕對值大于等于β時,P(k)輸出值以PID運算結果輸出。

3 水電廠監控系統的時間最優PID控制算法

3.1 時間最優PID控制算法的水電廠應用分析

根據上述分析,把此算法應用到水電廠計算機監控系統的功率調節中,其有功功率調節的系統結構如圖1所示。從圖1中可以看出,計算機監控系統LCU收到當地或網調設定的功率值后,會和LCU采樣的功率值進行比較,計算出誤差e(k)。根據比較的結果來決定是采用Bang-Bang控制還是PID控制算法,兩種控制算法輸出的都是控制增量。根據控制增量Δu(k)的正負和大小來決定輸出的哪個方向的增量和增量的大小[3-4]。

圖1 有功功率的時間最優PID調節

在水電廠計算機監控系統的PLC接到功率調節指令后,進行給定功率值和測量功率值的比較,若兩者的功率差值超過兩種模式控制切換點,則啟動Bang-Bang控制過程。在這個過程中,各個分量都是時間t的分段常值函數,并在開關時間上由一個恒值到另一個恒值的跳變,這是理想的最快的調轉過程,當然要達到上述的要求必須根據實際情況正確判定兩種模式的轉換點[5]。

3.2 數字PID在水電廠監控系統PLC中的實現

根據數字PID算法,有位置型控制算法和增量型控制算法之分,在水電站計算機監控功率調節系統中,一般在PLC中實現此功能。根據工程的實際特點,需采用增量型控制算法,原因如下:(1)脈沖控制量增加值的確定僅與最近一次采樣值的差值有關,不進行累加,本次計算誤差,對總的控制量的影響不大;這樣計算機監控系統的現地控制單元就容易實現,同時調節風險較小。(2)增量型算法得出的控制量的增量,誤動作影響小。由于增量式的PID輸出的是控制量的增量部分,如果PLC的繼電器輸出出現異常,誤動作的影響較小,而調速器系統仍保持在原位,不會嚴重影響機組系統功率的工作調節,可以通過邏輯判斷或禁止及計算機監控系統的本次輸出,不會嚴重影響水輪發電機的工作。(3)采用增量型算法,工程實施起來簡單方便,也方便實現控制方式的更換,如:監控調節到調速器自身調節等。相應的控制流程,如圖2所示。

圖2 增量型數字PID控制流程

增量型控制算式為:

上式也可以表示為Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

在計算機監控系統功率調節中,Δu(k)的大小決定了監控系統LCU內PLC將輸出增或減的開出量和開出量的脈沖寬度。

當Δu(k)>0時,增功率開出量動作。設定總脈沖寬度為tα,Δu(k)的限定值為uα,則不同Δu(k)值下,增開出量輸出的脈沖寬度為:td=tα?Δu(k)/uα。

當Δu(k)<0時,減功率開出量動作。設定總脈沖寬度為tα,Δu(k)的限定值為uα,則不同Δu(k)值下,減開出量輸出的脈沖寬度為:td=tα?Δu(k)/uα。

3.3 帶死區的數字PID算法分析

PID調節算法本身可以計算出功率調節控制的脈寬,但并不能保證調節的安全,所以需要在調節算法程序的外圍有相應的死區、閉鎖保護程序,保證調節的安全。

目前,水電廠水輪發電機組大多采用了數字式調速器,負荷調節比較方便,調節范圍大寬,調節速度比較快,可在1~2分鐘內從零功率增至滿負荷。為了使水輪發電機組持續的穩定運行,必須設定合理的調節死區β。一般調節死區β設定為2%機組功率額定值。 在保證進入機組的功率調節死區或閉鎖后能不產生震蕩,可以根據現場的試驗情況,減少調節死區β的值,以保證水輪發電機功率調節的精度,提高功率調節的品質。

在實際的運行過程中,為了保證機組的安全運行,還需要控制調節過程中,增加閉鎖保護程序,如負荷超限、電流越限、頻率異常等情況,系統能自動的停止調節過程。

4 結語

本文討論的時間最優PID控制算法已應用到很多個水電廠計算機監控系統項目的功率調節中。實踐效果表明,水輪機組負荷調節采用時間最優帶死區數字PID控制的最大特點在于不需要建立精確的水輪機組控制模型,能夠根據功率的給定值和采樣值的偏差和偏差變化量來分段進行調節。在水電站計算機監控系統的開發和調試過程中,可充分利用此算法的特點進行水力發電機組的功率控制,通過現場試驗來整定定值參數,提高水輪機組快速、準確、穩定的調節性能,滿足國家電網并網運行管理的功率調節要求。