基于PID控制策略的自適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的水電站數(shù)字調(diào)節(jié)器的建立與參數(shù)優(yōu)化

陳宇祺

(海豐縣青年水庫(kù)管理所，廣東 海豐 516400)

1 研究方法

水電站發(fā)電系統(tǒng)包括引水、調(diào)速、發(fā)電、勵(lì)磁單元，發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括水力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和調(diào)速系統(tǒng)模型[1-3]。

1.1 水力系統(tǒng)模型

水力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括流量方程、水流方程和機(jī)械功率方程。

(1)流量方程。見式(1)：

Q=AU

(1)

式中：Q為管道流量，m3/s；A為管道橫截面積，m2；U為管道內(nèi)部流經(jīng)水流的流速，m/s。

(2)水流方程。見式(2)：

(2)

式中：U為水流量的標(biāo)幺值；G為閥門開度的標(biāo)幺值；H為管路壓力的標(biāo)幺值。

(3)機(jī)械做功方程。見式(3):

P=U·H

(3)

式中：P為發(fā)電機(jī)的機(jī)械輸入功率標(biāo)幺值；U為發(fā)電機(jī)輸出的最低功率對(duì)應(yīng)的管路流量；H為管路壓力的標(biāo)幺值。

1.2 調(diào)速系統(tǒng)模型

水電站的發(fā)電系統(tǒng)雖然各有不同，但是由于其發(fā)揮的功能是相似的，其組成部分也具有相似性。對(duì)于系統(tǒng)的組成部分而言，可以將控制策略分為線性模型和非線性模型兩類，水體根據(jù)水力學(xué)分類有剛性水體和彈性水體兩種水力特性，針對(duì)某種水體又分為調(diào)壓和非調(diào)壓兩種終端壓力需求，所以水電站的調(diào)速模型的分類見圖1。在生產(chǎn)應(yīng)用中的調(diào)速模型主要使用線性調(diào)速模型、理想調(diào)速模型和綜合非線性調(diào)速模型[4]。

圖1 水力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)速模型分類

2 水電站負(fù)荷控制現(xiàn)狀

水電機(jī)組控制系統(tǒng)是發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其主要作用是通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組的輸出功率保持進(jìn)入電網(wǎng)的電能具有恒定的頻率和電壓等級(jí)，控制系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)的調(diào)速部分和勵(lì)磁部分，機(jī)組輸出的電能在并網(wǎng)時(shí)為了保持為負(fù)荷側(cè)提供的電能質(zhì)量穩(wěn)定，系統(tǒng)的AGC(自動(dòng)發(fā)電負(fù)荷調(diào)整系統(tǒng))輸出相應(yīng)的控制指令并控制機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到控制輸出和給定信號(hào)一致的目的，使得系統(tǒng)頻率和電網(wǎng)頻率一致。

2.1 經(jīng)典控制策略最常用

由于負(fù)荷自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)包括了調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)以及水電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)，其復(fù)雜的機(jī)械和電氣耦合特性使得控制輸出信號(hào)和給定之間存在不同程度的差異，一般為了簡(jiǎn)化控制策略和操作流程，多用PD或者PI策略進(jìn)行控制信號(hào)的處理，編程簡(jiǎn)潔，實(shí)用性強(qiáng)，且滿足大多數(shù)工況，是應(yīng)用比較廣泛的經(jīng)典控制策略。但由于系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)只關(guān)注電氣系統(tǒng)內(nèi)部的固有特性，在極端工況下(如工況轉(zhuǎn)換或者是暫態(tài)模式)跟隨性能較差。

2.2 反饋信息多為系統(tǒng)外部輸出信號(hào)

根據(jù)傳動(dòng)理論，發(fā)電機(jī)組輸出電能的反饋信息是將發(fā)電、勵(lì)磁和調(diào)速作為一個(gè)整體而施加控制的，系統(tǒng)內(nèi)部的相互影響未考慮，將級(jí)聯(lián)進(jìn)行了理想化處理，內(nèi)部約束能力差，復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)下的控制效果不理想，需要進(jìn)行系統(tǒng)完備性的改進(jìn)。

隨著發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)控制要求的提升，電力系統(tǒng)的智能化水平也越來(lái)越高，投入使用的傳感器、在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)提升了水電站的電網(wǎng)控制效果，與此同時(shí)，先進(jìn)且高效的控制策略正逐步應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組，對(duì)提升電網(wǎng)質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的控制水平具有較強(qiáng)烈的促進(jìn)作用。

3 數(shù)字調(diào)速器的設(shè)計(jì)

水電站發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)水電站的重要考核指標(biāo)，并且具備應(yīng)急狀態(tài)下的快速自啟動(dòng)能力，即一旦發(fā)生電網(wǎng)失電事故，水電站必須做到自啟動(dòng)機(jī)組帶動(dòng)非自啟動(dòng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)黑啟動(dòng)。所以，基于目前各用電負(fù)荷對(duì)電源質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，需要水電站的電力匹配、機(jī)組調(diào)速等方面做到和用戶需求完美吻合，方可實(shí)現(xiàn)機(jī)組在功率和頻率雙調(diào)節(jié)上達(dá)標(biāo)。

3.1 技術(shù)要求

發(fā)電機(jī)組在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)黑啟動(dòng)的前提下，需要達(dá)到以下要求，具體見表1。

表1 發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速技術(shù)要求

3.2 技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)已知參數(shù)見表2。

表2 水電站已知參數(shù)(舉例說(shuō)明)

3.3 機(jī)械液壓部分

(1)儲(chǔ)能罐。儲(chǔ)能罐為通用的皮囊式，其組成部分包括充氣閥、儲(chǔ)能罐殼體、膠囊式儲(chǔ)能單元、進(jìn)油閥和出油閥，膠囊起到儲(chǔ)存和釋放油液的作用，且由于膠囊式儲(chǔ)能罐其機(jī)械慣性不大，對(duì)壓力敏感，故可以為管路快速提供油液且沒(méi)有較大的壓力波動(dòng)，預(yù)充氮?dú)馊萘靠梢允褂靡荒暌陨希S護(hù)少，使用壽命長(zhǎng)。

(2)蓄能器。蓄能器的用油量需要同時(shí)滿足接力器、電磁閥和液控閥的過(guò)油量、以及導(dǎo)葉閥的內(nèi)泄漏。根據(jù)設(shè)計(jì)匯總系統(tǒng)內(nèi)蓄能器相關(guān)的機(jī)械參數(shù)和液壓參數(shù)見表3：

表3 蓄能器機(jī)械及液壓參數(shù)

此時(shí)可以計(jì)算蓄能器的總?cè)萘繛?0.6 L。除此以外，電磁閥和液控閥同時(shí)動(dòng)作時(shí)，開機(jī)前需要2.0 L，開機(jī)后進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，過(guò)流量需要1.0 L。

內(nèi)泄漏的油量為導(dǎo)葉控制閥組的內(nèi)泄漏總量，包括3個(gè)電磁閥、1個(gè)壓緊閥、1個(gè)手閥、1個(gè)停機(jī)閥和1個(gè)事故液控閥，且通徑均為NG6，查閱《中小型水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)規(guī)程》(SL 755—2017)中對(duì)于通徑為6 mm的閥門其內(nèi)泄漏量不應(yīng)超過(guò) 100 mL/min，所以導(dǎo)葉閥組的最大內(nèi)泄漏量不超過(guò)5.4 L/h。

(3)核算蓄能器容量。在極端情況下，即黑啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)需要用蓄能器的油量來(lái)啟動(dòng)接力器，蓄能器容量初始選型為80 L，此時(shí),低壓下提供的油量總體積為15.67 L。

15.67 L的油量是接力器剛開機(jī)需要用油量2.0 L的7.8倍，超過(guò)3個(gè)接力器開關(guān)行程，符合黑啟動(dòng)時(shí)的油量?jī)?chǔ)存條件。

(4)核算蓄能器等待時(shí)間。蓄能器的等待時(shí)間是指失電后系統(tǒng)再次啟動(dòng)需要的最短時(shí)間，一般情況下，沒(méi)有黑啟動(dòng)配置的系統(tǒng)恢復(fù)供電需要6～8 h，具備黑啟動(dòng)配置的系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)間為1～4 h,而恢復(fù)供電時(shí)間的長(zhǎng)短取決于蓄能器容量在彌補(bǔ)內(nèi)泄漏支撐導(dǎo)葉閥組啟動(dòng)的理論測(cè)算值。

本系統(tǒng)中正常工況下的油壓下限Pmin為 14.4 MPa，低油壓停泵值PCLOSE為10 MPa,低壓時(shí)油量總體積為15.67 L，導(dǎo)葉閥組內(nèi)泄漏量不超過(guò)5.4 L/h,滿足最大泄漏量的情況下，蓄能器可以支撐的最長(zhǎng)時(shí)間為2.9 h，符合黑啟動(dòng)配置中的系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)間范圍。

3.4 控制回路

調(diào)速系統(tǒng)的控制部分參數(shù)如表4。

表4 控制系統(tǒng)配置參數(shù)

調(diào)速器為導(dǎo)葉閥提供調(diào)速直流電源的容量為350 W，滿足行程需要。220 V市電交直流分別作為調(diào)速器的電源，交流電失電后直流電提供系統(tǒng)啟動(dòng)電源。

3.5 調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行方式

正常工況下，調(diào)速器運(yùn)行在負(fù)荷跟隨調(diào)整狀況、應(yīng)急工況或工控切換下時(shí)，系統(tǒng)工作在黑啟動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，系統(tǒng)以小網(wǎng)或者孤網(wǎng)方式運(yùn)行。

孤網(wǎng)運(yùn)行至工況切換狀態(tài)時(shí)，調(diào)速器的接觸器觸點(diǎn)判斷出系統(tǒng)是工作在發(fā)電狀態(tài)或者空載狀態(tài)，此時(shí)，數(shù)字調(diào)速器將根據(jù)判斷條件切換不同工況下儲(chǔ)存的調(diào)節(jié)參數(shù)。

3.6 數(shù)字控制器的參數(shù)優(yōu)化

數(shù)字式控制器將PID控制策略運(yùn)行至工況切換狀態(tài)，此時(shí)孤網(wǎng)和大網(wǎng)不同工況下的調(diào)節(jié)算法中優(yōu)先使用變結(jié)構(gòu)和變PID參數(shù)的優(yōu)化PID策略，使得PCC調(diào)節(jié)器自動(dòng)根據(jù)不同工況及切換工況進(jìn)行控制策略的選擇，匹配進(jìn)入大網(wǎng)空載、大網(wǎng)變負(fù)荷、大網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行及孤網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)切換的不同狀態(tài)，確保每個(gè)狀態(tài)下系統(tǒng)具有良好的快調(diào)節(jié)、高輸出穩(wěn)定輸出功率的特征。

當(dāng)調(diào)速器在孤網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)組出口的斷路器始終保持接通的狀態(tài)，在正常工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)荷調(diào)整跟隨策略優(yōu)先，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，輸出功率恒定。

通過(guò)兩種狀態(tài)及狀態(tài)切換時(shí)的負(fù)荷突變?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)輸出頻率為50±0.5 Hz，穩(wěn)態(tài)至負(fù)荷突變狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)的時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)30 s，符合電網(wǎng)快速穩(wěn)定的條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水電站的負(fù)荷特性進(jìn)行分析，為保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行以及電網(wǎng)輸出功率的恒定性，需要對(duì)調(diào)速器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，保證其具備恒頻率和快調(diào)節(jié)特性。本文對(duì)機(jī)械液壓特性及選型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出在極限狀態(tài)下獲得穩(wěn)定輸出系統(tǒng)和短時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的重要核心條件，詳細(xì)闡述了調(diào)速器的重要性，通過(guò)容量和時(shí)間核算，實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的穩(wěn)定運(yùn)行和正常工況下的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。