水輪機監控系統導葉開度分段開環控制結構和方法研究

涂 勇，張橋峰

（向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612）

0 引 言

水力發電過程中，水輪機調節系統需要精準完成機組的轉速調節、開度調節及功率調節等重要核心任務［1-3］，其通過控制接力環旋轉動作來控制水輪機導葉開度，實現調節通過水輪機蝸殼水流流量的目標，最終使被控對象的電能質量關鍵指標，即頻率和有功輸出滿足電網要求［4］。機組調節性能好壞與電網能否安全穩定優質運行密切相關。特別是單機大容量機組，一旦水輪機調節系統調節品質不佳，將嚴重影響電網電能質量。監控系統如何與水輪機調節系統一起協調配合，提高調節品質，保障巨型機組安全穩定優質運行是一個值得關注和研究的課題［5，6］。

傳統水輪發電機組開度模式下的監控系統往往采用功率閉環常規脈沖調節方式輸出開度增減脈沖給水輪機調節系統，以實現控制水輪發電機組開度控制［6，7］。文獻［7］提出的插值算法和修正比例算法可改善水電站機組在開度調節模式下有功脈沖調節系統功率調節的時效性和可靠性［7］。文獻［8］介紹了調速器開度控制模式及功率閉環控制模式的控制策略［8］。但上述研究大多采取的是閉環比例脈寬調制方式，依然存在導葉開度和有功功率調節速度慢，調節過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響等問題。

1 導葉開度功率閉環控制

1.1 閉環控制結構

水輪機監控系統開度模式功率閉環控制結構圖如圖1所示。

1.2 閉環控制方法

開度模式下，功率閉環在監控系統側實現，調速器根據監控系統下發的脈沖增減指令信號，控制導葉的開關動作。監控系統有功功率給定值與有功功率反饋值進行差值計算后，經比例環節作用，轉換為寬度不等的脈沖增減指令下發給調速器，直接作用于調速器開度給定信號。其中，脈沖寬度取決于功率偏差的大小，功率偏差較大時，脈寬越大，功率偏差較小時，脈寬越小，功率偏差為正時發出增脈沖，功率偏差為負時發出減脈沖。在監控系統機組LCU 與調速器開度給定信號之間，相當于有一個積分器，在有功功率逼近給定值時，其輸出越小，最終消除偏差，開度給定和開度反饋達到穩定狀態［8］。

1.3 建模仿真

將開度模式導葉開度閉環控制方法及結構應用于水電站監控系統開度模式導葉開度控制過程建模仿真。

模擬水電站監控系統開度模式導葉開度閉環控制過程，監控系統在1 s 時，AGC 下發一個新的有功功率給定值（標幺值，后同）G給定=0.8，導葉開度反饋D=0，功率反饋G=0。根據本控制方法及結構，基于matlab，對監控系統控制結構和受控對象進行建模仿真。本仿真采用的是引水管道和水輪機理想剛性水錘模型，開環控制仿真結構模型如圖2所示。

圖2 閉環控制仿真結構模型Fig.2 Close-loop control simulation structure model

當積分系數Ki=0.37時，閉環控制matlab仿真結果波形如圖3所示。從圖3中可以看出導葉開度從0變化到0.8整個調節過程中，從有功功率給定由0開始變化到導葉開度穩定在0.8的時長為7.255 s。

圖3 閉環控制matlab仿真結果波形（Ki=0.37）Fig.3 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.37）

當Ki=0.35 時，閉環控制matlab 仿真結果波形如圖4 所示。從圖4 中可以看出導葉開度從0 變化到0.8 整個調節過程中，從有功功率給定由0 開始變化到導葉開度穩定在0.8 的時長為11.550 s。

圖4 閉環控制matlab仿真結果波形（Ki=0.35）Fig.4 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.35）

當Ki=0.39 時，閉環控制matlab 仿真結果波形如圖5 所示。從圖5 中可以看出導葉開度從0 變化到0.8 整個調節過程中，從有功功率給定由0 開始變化到導葉開度穩定在0.8 的時長為7.855s。

圖5 閉環控制matlab仿真結果波形（Ki=0.39）Fig.5 Closed loop control matlab simulation result waveform（Ki=0.39）

由圖3、4和圖5可以發現，當Ki=0.37時，導葉開度波動幅值最小，調節速度也最快。增大積分系數，會導致超調變大，導葉開度波動幅值變大，調節時間變長；減小積分系數，也會導致調節時間變長，導葉開度波動幅值變大。仿真效果顯示，采用閉環控制結構及方法，導葉開度和有功功率調節速度慢，控制過程不可避免受到引水管道和水輪機水錘反作用和機組慣性作用的影響，整個控制系統有小幅波動，控制參數選取不當甚至有發散振蕩的風險。

2 開環控制

為解決上述技術問題，需探索研究一種水輪機監控系統開度模式下，導葉開度模擬量開環控制結構及方法，旨在解決開度模式下，采用功率閉環常規脈沖調節方式，有功功率調節速度慢，調節過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響等問題，提高調節過程速動性，實現機組導葉開度和有功功率的快速穩定控制，提高調節品質。

2.1 開環控制結構

開環控制結構圖如圖6 所示，主要由查表計算模塊1、循環自加模塊2和限幅模塊3組成。

圖6 開環控制結構圖Fig.6 Open-loop control structure diagram

其中，查表計算模塊1 采集有功功率給定G給定和機組水頭W，查水頭、有功功率與導葉開度一一對應表并計算，輸出計算結果D表給限幅模塊3。循環自加模塊2監測有功功率給定G給定變化使能信號，并采集導葉開度信號D。當使能信號動作時，D0賦初值D。循環自加模塊2 不斷對Dn循環自加控制參數步長ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。限幅模塊3 采集查表計算模塊1 輸出的D表和循環自加模塊2 輸出的Dn，對Dn進行限幅輸出，最大值為D表。限幅模塊3將導葉開度模擬量控制信號D'n輸出給調速器電控系統。

2.2 開環控制方法

水輪機監控系統開度模式導葉開度模擬量開環控制方法是一種基于水頭、有功功率與導葉開度對應數據表，在開度模式下，采取查對應數據表的方式，對機組有功功率進行快速精準調節，輸出導葉開度模擬量控制信號的全新方法，旨在解決開度模式下采用功率閉環常規脈沖調節方式，有功功率調節速度慢，調節過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響等問題，提高調節過程速動性，實現機組導葉開度和有功功率的快速穩定控制，提高調節品質［9］。導葉開度開環控制尤其適用于機組導葉開度和有功功率的大幅度快速調整的情形。開環控制可以有效避免水輪發電機組調節過程中受到引水管路水錘反作用和機組慣性作用的影響，降低整個控制系統出現導葉開度和有功功率發散振蕩的風險。

水頭、有功功率與導葉開度對應數據如表1 所示。表中p、q、x、y都為正整數，1＜x≤p，1＜y≤q，Dx，y為Wx水頭Gy有功功率對應的導葉開度。

表1 水頭、有功功率與導葉開度對應數據表Tab.1 Data sheet for head， active power and guide vane opening

若Wx-1≤w≤Wx，Gy-1≤G給定≤Gy，則有:

開環控制方法流程圖如圖7所示。

圖7 開環控制方法流程圖Fig.7 Flow chart of open loop control method

2.3 建模仿真

在水電站監控系統開度模式下，將開環控制方法及結構應用于導葉開度控制過程建模仿真。

模擬水電站監控系統開度模式，導葉開度控制過程中，0.5 s 時監控系統AGC 下發一個新的有功功率給定值G給定，查表計算D表=0.8，導葉開度反饋D=0。根據本控制方法及結構，基于matlab，對監控系統控制結構和受控對象進行建模仿真，開環控制仿真結構模型如圖8所示。

圖8 開環控制仿真結構模型Fig.8 Open-loop control simulation structure model

仿真模型用斜坡函數模型Ramp 實現圖6 中循環自加模塊2的功能，實現0.5 s開始自加，自加速度每秒增加1。

仿真模型用限幅函數模型Saturation 實現圖6 中限幅模塊3功能，輸出給調速器電控系統，限制輸出最大值0.8。

調速器液壓隨動系統由電液轉換元件、液壓控制元件和執行元件等組成［10］。為了使控制系統的表示既簡單又明了，在控制工程中一般繪制控制系統的框圖進行分析研究［11］。水輪機調節系統是一個閉環系統，水輪機控制系統自身也是一個閉環系統［12］。采用閉環控制的調速器液壓隨動系統框圖如圖9所示［13］。

圖9 液壓隨動系統框圖Fig.9 Block diagram of hydraulic servo system

根據圖9 建立調速器液壓隨動系統仿真結構模型，模擬調速器電控系統及液壓隨動系統。如圖10所示，其Yc通道接口采集導葉開度模擬量控制信號D'n，Y通道接口輸出導葉開度反饋D，Y1通道接口輸出主配位置反饋。

圖10 調速器液壓隨動系統仿真結構模型Fig.10 Structural model of hydraulic servo system simulation for governor

開環控制matlab 仿真結果波形如圖11 所示。從圖11 中可以看出導葉開度從0變化到0.8整個調節過程中，從導葉開度模擬量控制信號D'n由0開始變化到導葉開度穩定在0.8的時長為2.703 2 s，超調量4.362 5%。

圖11 開環控制matlab仿真結果波形Fig.11 Open-loop control matlab simulation results waveform

3 分段開環控制

為了進一步提高調節過程速動性，同時避免調節速度過快導致的超調量過大的問題，在導葉開度模擬量開環控制方法及結構的基礎上進行優化改良，實現分段開環控制，形成一種水輪機監控系統開度模式下，導葉開度模擬量分段開環控制方法及結構。

3.1 分段開環控制結構

分段開環控制結構圖如圖12 所示，主要由查表計算模塊1，循環自加模塊2，限幅1 模塊3，循環自減模塊4，限幅2 模塊5，選擇器模塊6組成。

圖12 分段開環控制結構圖Fig.12 Sectional open loop control structure diagram

查表計算模塊1 采集有功功率給定G給定和機組水頭W，查水頭、有功功率與導葉開度一一對應表并計算，輸出計算結果D表給限幅1模塊3和限幅2模塊5。

循環自加模塊2監測有功功率給定G給定變化且|D表-D|≥ΔD1使能信號，并采集導葉開度信號D。當使能信號初次動作時，D0賦初值D。循環自加模塊2 不斷對Dn循環自加控制參數步長ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。

限幅模塊3 采集查表計算模塊1 輸出的D表和循環自加模塊2輸出的Dn，對Dn進行限幅輸出，最大值為K1D表，K1＞1。輸出導葉開度模擬量控制信號D'n給選擇器模塊6通道0。

循環自減模塊4 監測|D表-D|＜ΔD1使能信號，并采集導葉開度信號D。當使能信號初次動作時，D0賦初值D。循環自減模塊4 不斷對Dn循環自減控制參數步長ΔD，輸出Dn給限幅模塊3。

限幅模塊5 采集查表計算模塊1 輸出的D表和循環自減模塊4 輸出的Dn，對Dn進行限幅輸出，最小值為D表。輸出導葉開度模擬量控制信號D'n給選擇器模塊6通道1。

選擇器模塊6監測|D表-D|＜ΔD1選擇信號，并采集限幅模塊3 和限幅模塊5 輸出給選擇器模塊6 的導葉開度模擬量控制信號D'n。當|D表-D|＜ΔD1不滿足時，選擇器模塊6 選擇通道0，輸出限幅模塊3 輸出給選擇器模塊6 的導葉開度模擬量控制信號D'n；當|D表-D|＜ΔD1滿足時，選擇器模塊6 選擇通道1，輸出限幅模塊5 輸出給選擇器模塊6 的導葉開度模擬量控制信號D'n。選擇器模塊6 將導葉開度模擬量控制信號D'n輸出給調速器電控系統。

3.2 分段開環控制方法

該方法基于水頭、有功功率與導葉開度對應數據表，在開度模式下，采取查對應數據表的方式，對機組導葉開度進行分段快速精準調節，輸出導葉開度模擬量控制信號的全新方法，旨在解決開度模式下采用功率閉環常規脈沖調節方式，有功功率調節速度慢，調節過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響等問題，提高調節過程速動性，同時抑制調節速度過快產生嚴重超調現象，實現機組導葉開度和有功功率的快速穩定控制，提高調節品質［14］。

導葉開度分段開環控制尤其適用于機組導葉開度和有功功率的大幅度快速調整的情形，通常分為兩段，前一段增益系數K1通常大于1，目的是提高機組導葉開度和有功功率調節的速度，后一段增益系數通常等于1，目的是防止機組導葉開度和有功功率調節過程出現嚴重超調，提高改善調節品質。分段切換條件為查表計算導葉開度D表與導葉開度D差值絕對值小于ΔD1。

分段開環控制方法流程圖如圖13所示。

圖13 分段開環控制方法Fig.13 Sectional open loop control method

3.3 建模仿真

在水電站監控系統開度模式下，將分段開環控制方法及結構應用于導葉開度控制過程建模仿真。

模擬水電站監控系統開度模式，導葉開度控制過程中，0.5 s 時監控系統AGC 下發一個新的有功功率給定值G給定，查表計算D表=0.8，導葉開度反饋D=0，控制參數K1=1.3，ΔD1=0.55。根據分段開環控制方法及結構，基于matlab，對監控系統控制結構和受控對象進行建模仿真，分段開環控制仿真結構模型如圖14所示。

圖14 分段開環控制仿真結構模型Fig.14 Sectional open loop control simulation structure model

仿真模型用斜坡函數模型Ramp1 實現圖12 中循環自加模塊2的功能，實現0.5 s開始自加，自加速度每秒增加2。

仿真模型用限幅函數模型Saturation1 實現圖12 中限幅模塊3 功能，輸出給選擇器模塊6 的通道1，限制輸出最大值K1D表為1.04。

仿真模型用斜坡函數模型Ramp2 實現圖12 中循環自減模塊4的功能，實現|D表-D|＜0.55時，1.081 s開始自減，自減速度每秒減少1。

仿真模型用限幅函數模型Saturation2 實現圖12 中限幅模塊5功能，輸出給選擇器模塊6的通道2，限制輸出最小值1。

仿真模型用限幅函數模型Switch 實現圖12 中選擇器模塊6，實現|D表-D|≥0.55時，輸出通道1采集的數據給調速器電控系統；|D表-D|＜0.55時，輸出通道2采集的數據給調速器電控系統。

分段開環控制matlab 仿真結果波形如圖15 所示。從圖15中可以看出導葉開度從0變化到0.8整個調節過程中，從導葉開度模擬量控制信號D'n由0開始變化到導葉開度穩定在0.8的時長為2.51 s，超調量4.625%。調節時間減小0.193 2 s，減小率7.15%，超調量僅增加0.262 5%，抑制效果明顯。

圖15 分段開環控制matlab仿真結果波形Fig.15 Sectional Open-loop control matlab simulationresults waveform

將圖15與圖3～5、11進行對比分析，可以發現:

（1）閉環控制調節速度慢，控制過程不可避免受到引水管道和水輪機的水錘反作用和機組慣性作用影響，整個控制系統有小幅波動，控制參數選取不當甚至有發散振蕩的風險。

（2）開環控制方法可通過開環控制避免調節過程中受到水錘反作用和機組慣性作用的影響，降低整個控制系統發散振蕩的風險，同時具有速動性好的特點。

（3）分段開環控制方法控制調節品質最好，不僅具有開環控制優點，而且調節速度更快，但超調量變化不大，抑制效果明顯，仿真效果明顯優于非分段開環控制和閉環控制方法。

綜上所述，水輪機監控系統開度模式導葉開度模擬量分段開環控制方法既有開環控制快速的特點，又有分段開環控制超調量抑制效果較好的優勢，從而同時滿足了調節過程速動性好、超調量小的要求，提高了動態調節品質。

4 結 語

針對水輪機開度模式下，導葉開度傳統閉環控制的問題和不足，對控制模型結構進行逐步研究優化，最終提出了一種水輪機監控系統開度模式導葉開度模擬量分段開環控制方法，解決了水輪發電機組在開度模式下導葉開度和有功功率調節速度慢，調節過程易受水錘反作用和機組慣性作用的影響問題，可有效提高調節過程速動性，實現機組導葉開度和有功功率的快速穩定控制，進一步保證在負荷調整過程中機組和電網的安全穩定優質運行。