水輪機調速器改進型控制結構結合增量式PID算法的功率調節及一次調頻的實現

劉國富，王曉瑜，金玉成（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）；

水輪機調速器改進型控制結構結合增量式PID算法的功率調節及一次調頻的實現

劉國富，王曉瑜，金玉成
（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）；

針對現有調速器功率調節的參數通用性低，難以滿足不同工況下功率調節和一次調頻要求的問題，本文提出了一種改進型功率調節控制結構，幵在此基礎上采用功率偏差增量式PID算法，建立了新的水輪機調速器功率調節模型。電站投運結果表明該方法參數調整方便，通用性強，能夠較好的滿足水力發電廠關于功率調節及功率模式下一次調頻的要求。

調速器；功率調節；改進型功率控制結構；增量式PID算法；一次調頻

0　引言

水輪機調速器多采用開度調節模式或頻率調節模式，幵網運行后機組功率調節功能由電廠AGC系統實現，當頻率超過一次調頻死區，調速器投入一次調頻功能時，調速器根據頻率變化調節導葉開度，此時機組實際功率與AGC目標不一致，如處理不當，AGC會反向調節，導致機組一次調頻性能指標不能滿足要求；而且在AGC進行功率閉環調節時，調節時間較長，功率偏差較大。基于以上原因，很多大型水力發電廠要求由AGC進行負荷分配，由水輪機調速器實現功率調節功能。

由于水輪機調節系統的復雜性、非線性等特性，現有的調速器功率調節控制難以滿足不同工況的調速器功率調節和一次調頻的性能要求，本文在分析當前調速器功率調節結構及算法的基礎上，提出一種改型功率調節結構，幵結合增量式PID算法，建立了新的水輪機調速器功率調節模型，幵采用水輪機仿真系統對該方法進行模擬測試，結果表明該控制方法參數調整方便、通用性強、能夠較好的滿足水力發電廠關于功率調節及一次調頻的要求。

1　調速器功率調節結構算法及特性分析

調速器功率調節結構圖如圖1所示［1］。

1.1一次調頻特性分析

水輪發電機組調節系統根據自身負荷或頻率的靜態和動態的特性對電網頻率的響應稱為一次調頻。電網對水電機組一次調頻有如下要求：

（1）幵網發電機組均應參與電網一次調頻。

（2）對于功率調節，水輪機系統中的調差率Ep為4%～6%（電網運行準則（DL/T1040—2007）規定Ep≤3%）。

（3）頻率（轉速）死區Ef=±0.05Hz。

圖1　功率調節結構框圖

（4）響應特性即電網頻率變化超過一次調頻頻率死區時，機組應在15s內響應機組目標功率，在45s內機組實際功率與目標功率偏差的平均值應在其額定功率的±3%內，穩定時間應小于1min 。

（5）負荷變化幅度限制：水電機組參與一次調頻的負荷變化幅度應該不加限制，一次調頻功能為必備功能，不得由運行人員切除，不得在開度限制工況下運行。

對應功率調節結構框圖的調速器PID調節算法：

在功率調節模式下，由于微分系數對功率沒有調節作用，一般取0，YD=0，公式（1）簡化為

以上公式中Yp為比例項，Kp為比例系數；YI為積分項；KI為積分系數；ΔI為積分增量；YD為微分項；Δf=fc-fg。

在大網功率模式下，輸入量fg為電網頻率，由于電網頻率的變化十分緩慢。當Δf超過頻率死區投入一次調頻功能時，由于一次調頻對應的頻率變化較小，Yp值改變不大，主要是YI改變使導葉移動，當ΔI=0時，導葉不再變化，機組功率穩定在一個新的值。

從上面分析可以知道，影響一次調頻響應時間的參數為比例系數Kp和積分系數KI，KI起主要作用。

功率給定值由AGC系統按照二次調頻功率分配機組負荷，在一次調頻動作時可考慮為恒量，根據公式（4）得出一次調頻動作功率最終的變化值為：

1.2功率調節特性分析

調速器功率調節多采用兩段式調節規律（1），如圖2所示。當調速器接收到的AGC功率給定值PC與當前功率給定值PC1偏差的絕對值ΔP大于ΔP0（ΔP0約為0。5%～2%的機組額定功率）時，調速器以較快的變化率K1將功率給定從當前PC1變化到PC±ΔP0；當偏差絕對值ΔP小于ΔP0時，調速器以較慢的變化率K2將微機內功率給定從當前PC1變化到PC。

圖2　功率給定值兩段調節特性

根據功率調節結構圖，在積分環節引用功率給定和機組功率等參數，把功率給定與機組功率的偏差轉化為開度給定的變化ΔYC，比例系數Kp對調節功率沒有作用，影響功率調節性能的是功率給定的變化率K1、K2，為滿足一次調頻調節時間要求，必須增大積分系數KI和比例系數Kp，然后通過減小K2來抑制KI在調節功功率時的作用。參數K1和K2的調整必須考慮導葉開度與機組功率的對應關系。導葉開度與機組功率間關系有以下特點［2］：

（1）機組有功功率變化滯后導葉開度變化。對于引水系統較長的機組，有功功率滯后時間可達1s。對于軸流轉漿或燈泡貫流式機組，由于漿葉開、關機時間比導葉長，導致機組有功功率變化嚴重滯后導葉開度變化；

（2）由于導葉開、關機時間的限制，導葉開度的變化滯后PID控制輸出；

（3）對于剛性引水系統，在導葉開始移動時，由于水錘的作用，導致機組有功功率反向變化；

（4）在恒定水頭下機組有功功率與導葉開度關系非線性。在空載開度到某一開度之間，機組功率變化較大，且隨著導葉開度的增加，機組功率的變化率增加；在此開度到最大開度之間，機組有功功率變化率較小，當導葉開度超過最大開度時，機組有功功率會變小。

（5）在不同的機組水頭下，同一導葉開度對應于機組的不同功率。

上述可知，功率與導葉開度是非線性關系，K1、K2參數很難調整，且在不同的水頭，這種關系會發生改變，所以對于不同的水頭，僅由K1、K2實現對功率給定變化率的控制很難滿足功率調節性能要求，參數的通用性較差。

2　改進型功率調節模式

功率調節模式主要應用于機組大網帶負荷運行，需滿足電網一次調頻要求。根據功率調節的控制目標，對功率調節PID結構進行改進，在比例項、積分項及微分項均針對功率給定值與實測值的變化進行計算，直接對功率進行控制，且可根據實際工況通過調整微分系數提高系統的動態性能，同時考慮功率調節模式一次調頻要求，在積分項中引入頻率的變化，得到改進型功率調節結構框圖，如圖3所示。

圖3　改進型功率調節結構框圖

圖3中，Ep為調差率，P為比例項，I為積分項。

根據上述特點，在改進型功率調節結構基礎上，采用增量式PID算法，具有如下優點：

（1）利于調節模式的跟蹤切換；

（2）由于PID增量的限制使PID的給定值不突變，使得控制輸出的變化減慢，解決導葉變化滯后PID控制輸出的問題；

（3）增量式PID算法加速了系統的動態過程。

同時，為了保證不同水頭下功率調節的性能，采用變參數結構，在功率給定變化階段和穩定階段減小比例系數和積分系數，保證改進階段的功率調節過程不會出現較大超調，在功率偏差較大時選用正常的控制參數，保證功率調節過程的快速跟蹤性和收斂性。

改進型功率偏差增量PID算法：

上列公式中，ΔP（k）為當前功率偏差，ΔP（k-1）為上次功率偏差，Δ f為頻率偏差，KP為比例系數，KI為積分系數。

3　運行試驗

在尼日利亞凱恩吉水電站調速器中我們采用了改進的功率調節算法，幵對功率調節性能及一次調頻性能進行了測試。

尼日利亞凱恩吉電站安裝了12臺軸流轉漿式水輪發電機組，機組功率閉環由調速器功率調節模式實現。機組額定功率為125MW，導葉開機時間10s，第一段關機時間6.9s，第二段關機時間11s，分段拐點為29.6%，漿葉開、關機時間均為30s，調速器Bp設為6%，一次調頻死區為0.05Hz。

3.1功率調節試驗

調速器工作于功率調節模式，Kp=1.2，Ki=0.3，漿葉處于協聯狀態，把功率給定從10突變為76MW，負荷調整曲線如圖4所示，從試驗錄波圖分析，負荷調節時間80s，實現了功率調節的快速跟蹤性和收斂性，滿足功率調節的性能要求。

圖4　功率調節負荷調整錄波曲線

3.2一次調頻試驗

調速器工作于功率調節模式，漿葉處于協聯狀態，機組帶60MW負荷，通過測試儀一次調頻試驗功能，機組頻率階躍變化0.2Hz，根據理論計算機組功率變化值

圖5為一次調頻試驗錄波曲線，從試驗錄波圖看出，從頻率變化開始到機組有功功率開始響應時間為10s，到機組功率穩定時間為30s，滿足一次調頻的響應速度要求。

圖5　一次調頻試驗錄波曲線

4　結論

通過試驗證明，改進型的功率調節結合增量式PID算法，以機組功率為控制對象，程序結構簡單、清晰，參數調節方便，變參數結構減小了負荷調節時水錘的影響，負荷調節響應速度快，性能指標滿足電站功率調節和一次調頻要求。

［1］魏守平， 王雅軍， 羅萍. 數字式電液調速器的功率調節［J］. 水電自動化與大壩監測， 2003（4）.

［2］魏守平. 現代水輪機調節技術［M］. 武漢： 華中科技大學出版社， 2002.

劉國富（1968-），1992年畢業于華中科技大學電力工程系，本科，長期從事水輪機調速器設計與研究，工程師。

審稿人：樸秀日

The Realization of Improved Power Regulation Control Structure and The Frequency Primary Regulation for Hydraulic Turbine Governor

LIU GuoFu， WHANG Xiaoyu， JIN Yucheng
（Harbin electric machinery company limited， Harbin 150040， China）

For the existing governor power regulation parameters have low generalities and cannot meet the requirements of the power regulation and the frequency primary regulation under the different work condition， the article proposes a improved power regulation control structure， and adopts the power offset increment PID algorithm to build a new typeturbine governor power regulation model. According to running result of the power station which adopts the improved control structure， the governor parameters have high generalities and are easy to adjust， and can meet the requirements of the power regulation and the frequency primary regulation under the different condition.

governor； power regulation； improved power regulation control structure； increment PID algorithm； frequency primary regulation

TK730.4+1

A

1000-3983（2016）04-0061-04

2015-06-19