構(gòu)皮灘水電站PCC 微機(jī)調(diào)速器運(yùn)行參數(shù)選擇與分析

韋瑋

（貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 余慶 564408）

構(gòu)皮灘水電站是烏江干流上最大的電站，裝機(jī)5×600MW。機(jī)組調(diào)速器采用武漢能達(dá)公司提供的PCC 控制器控制的雙比例閥加步進(jìn)電機(jī)三冗余系統(tǒng)，PID 具有四個可調(diào)運(yùn)行、設(shè)計調(diào)整參數(shù)組，包括：即：暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bt、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp、加速度時間常數(shù)Tn、緩沖時間常數(shù)Td，其中，按照國家有關(guān)規(guī)定和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，Bt、Td、Tn 參數(shù)最終在構(gòu)皮灘水電站現(xiàn)場試驗中被確定。構(gòu)皮灘水電站在安裝PCC 微機(jī)調(diào)速器過程中先后進(jìn)行了兩次試驗。這兩種試驗主要測定調(diào)速器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)和滿負(fù)荷狀態(tài)中的性能，分為充水前試驗和充水后試驗。主要檢測緊急停機(jī)切換試驗、開/停機(jī)時間測試試驗、靜特性試驗下轉(zhuǎn)速及接力器擺動規(guī)定值，試驗調(diào)試依據(jù)如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)速死區(qū)及接力器擺動規(guī)定值

1 空載擾動試驗的必要性

構(gòu)皮灘水電站發(fā)電機(jī)組于2009 年運(yùn)行至今已進(jìn)行了多次大檢，大修后原調(diào)速器開停機(jī)時間、PID 運(yùn)行參數(shù)等將通過試驗重新獲取，確保水輪發(fā)電機(jī)能達(dá)到正常工作效率。按照國家2007 制定的《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 9652.1—2007）的規(guī)定，微機(jī)調(diào)速器空載擾動試驗測定是機(jī)械的空載時間、選擇最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù)以及提高設(shè)備的調(diào)節(jié)靈敏程度。按照國家規(guī)范：調(diào)速器在轉(zhuǎn)速過程中必須在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行，額定的轉(zhuǎn)速值超過3%的次數(shù)不能在兩次以上；機(jī)組轉(zhuǎn)速擺動所經(jīng)歷的時間不能大于40s；機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速擺動也必須達(dá)到穩(wěn)定水平，3min 內(nèi)電液調(diào)速器的頻率擺動值不能達(dá)到±0.15%以上。因此，對于PCC 控制器空載運(yùn)行調(diào)試來說，確定空載運(yùn)行參數(shù)也是重要工作之一。

2 微機(jī)調(diào)速器的工作原里

調(diào)速器接收到發(fā)電機(jī)機(jī)端頻率信號，經(jīng)隔離、整形、濾波后送入PLC，待PLC 接收到發(fā)電機(jī)端頻信號后，調(diào)試機(jī)組頻率與發(fā)電機(jī)相適應(yīng)后，再通過PID 模塊軟件進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。最終經(jīng)過PID 模塊軟件調(diào)整后的信號通過電機(jī)處理器被輸出給22KG.CM 額定轉(zhuǎn)矩的角位儀，角位儀由通過直線位移的特殊轉(zhuǎn)換器將信號信息轉(zhuǎn)換為機(jī)械的直線位移，從而使設(shè)備液壓增大，進(jìn)而產(chǎn)生足夠的壓力調(diào)整設(shè)備，通過液壓調(diào)整控制主機(jī)上的接力器以調(diào)整水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度。

PID 調(diào)節(jié)原理用傳遞函數(shù)及推圖如下：

式中：KP—比例增益；KI—積分增益；KD—微分增益。

為提高裝置的抗干擾能力，采用實際微分環(huán)節(jié)，微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)T1V（S）。將上述傳函離散比，設(shè)PID 輸出表達(dá)式為：

YPID（k）=YPI（k-1）+ΔYP（k）+YI（k）+ΔYD（k）

式中：YPI（k-1）：為前一個采樣周期的比例、積分分量之和；ΔYP（k）：是比例作用分量增量；YI（k）：是積分作用分量增量。

故 可 有：YPID（k）= YPID（k-1）+kP[X（k）-X（k-1）]+K1×ζ×X（k）+T1V/（T1V+ζ）Yd（k-1）+1/（T+ζ）Kd[X（k）-X（k-1）]

上式中，ζ 為采樣周期。X 為相對轉(zhuǎn)速偏差，即頻率給定或電網(wǎng)頻率與機(jī)組頻率之差和頻率的比值。調(diào)速器PID 調(diào)節(jié)規(guī)律：PID 輸出是其輸入量的比例、積分和微分的函數(shù)，通過加大kp 值,提高系統(tǒng)的靈敏度就可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的誤差；此外，也可以通過積分?jǐn)?shù)值來減少PID 調(diào)速器的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，若超調(diào)量過大，這種調(diào)節(jié)作用將明顯減弱。所以，為了改善調(diào)速器PID 的動態(tài)性能，還必須通過引入微分進(jìn)行校正，這也就是所謂的PID 控制。PID 微分控制可以很好地預(yù)測偏差，針對偏差產(chǎn)生后可以進(jìn)行提前校正的作用，也能夠很好地通過改善機(jī)械動態(tài)性能，使設(shè)備調(diào)節(jié)時間縮短，從而避免超調(diào)量。

3 最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)的試驗選擇

3.1 空載擾動試驗的方法

將機(jī)組自動開至空載運(yùn)行，調(diào)速器在“頻率模式”下，用TG2000 水輪機(jī)測試調(diào)速器和機(jī)組儀器軟件，試驗過程中分別取了幾組不同的Bt、Td、Tn 數(shù)值，通過修改調(diào)速器的頻率和設(shè)定的Fg 值。試驗觀察水輪機(jī)組結(jié)果表明，超調(diào)量、頻率調(diào)節(jié)次數(shù)、調(diào)節(jié)時間等數(shù)據(jù)顯示均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。在錄制轉(zhuǎn)速，設(shè)定接力器行程過渡曲線中，試驗結(jié)束后，我們將挑選機(jī)械設(shè)備波動次數(shù)少、轉(zhuǎn)速擺動值和超調(diào)量較小、系統(tǒng)穩(wěn)定速度最快的一組調(diào)節(jié)參數(shù)作為正常運(yùn)行參考。

3.2 取不同Bt、Td、Tn 參數(shù)的擾動曲線

（1）取Bp=6.0%、Bt=20.0%、Td=14.0（S）、Tn=1.0（S）、Fg=50.00Hz。試驗結(jié)果：當(dāng)Tn 越高，系統(tǒng)的擾動后穩(wěn)定性較好，但很難確定系統(tǒng)從擾動到穩(wěn)定區(qū)間的時間,而且設(shè)備的接力器也非常不穩(wěn)定,分析原因，我們認(rèn)為主要是Bt、Td 數(shù)值過小導(dǎo)致,實際運(yùn)行過程中可適當(dāng)增大Bt、Td取值范圍。

（2）取Bp=6.0%、Bt=50.0%、Td=15.0（S）、Tn=0.3（S）、Fg=50.00Hz。試驗結(jié)果：適當(dāng)增大Bt、Td、Tn 取值后，從試驗曲線看，整個調(diào)節(jié)過程變得平滑穩(wěn)定，超調(diào)量小于1.2Hz[超調(diào)量=(fmax-fr)/fr×100%]規(guī)范規(guī)定,該組數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量較好。

（3）取Bp=6.0%、Bt=35.0%、Td=10.0（S）、Tn=0.1（S）、Fg=50.00Hz。試驗結(jié)果：擾動后長時間不穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定時間過長，該組參數(shù)特點：Td、Tn 均小于以上兩組之間。通過選擇不同參數(shù)進(jìn)行試驗，經(jīng)比較，Td=15.0（S）、Bt=50.0%、Tn=0.3（S）是最優(yōu)的一組，調(diào)節(jié)次數(shù)、系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間均可以達(dá)到國標(biāo)要求，因此可作為調(diào)器速的最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)。

4 最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)的分析

對于PCC 控制器的3 個重要參數(shù)Kp（比例系數(shù)）、Ki（積分系數(shù)）、Kd（微分系數(shù)）來說，如果獲取一組最優(yōu)PID 參數(shù)最優(yōu)的結(jié)果是Kp=1/Bt。但如果產(chǎn)生誤差，PCC 控制器將使得誤差逐漸減少。這種控制作用的效果決定于Kp，如果通過加大對Kp 的控制那么可以減少誤差。Kd=Tn/Bt=Tn·Kp，它能對誤差進(jìn)行微分，使超調(diào)量減少，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Ki=1/（Bt·Td），具有滯后特性，其控制作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。它能對誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除靜差；所以在一系列的參數(shù)設(shè)計中，在總體要求合適的前提下，應(yīng)當(dāng)選擇較小的Ki 和Kd 值，這也可以通過削減空載工況階躍擾動響應(yīng)特性的超調(diào)量，從而縮短系統(tǒng)動態(tài)過程需要達(dá)到的穩(wěn)定調(diào)節(jié)時間。

為了更快、更好地選擇最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，總結(jié)口決：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查，先是比例后積分，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降，曲線波動周期長，積分時間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動差大來波動慢，微分時間應(yīng)加長，理想曲線兩個波，前高后低4 比1，一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量會更佳。

5 結(jié)語

綜上所述，只有Td、Bt、Tn 以及其系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)的Ki、Kp、Kd 值達(dá)到最優(yōu)組合時，整個系統(tǒng)才能在最佳狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，這也是系統(tǒng)搭配的過程PCC 微機(jī)調(diào)速器最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)的選擇。只有通過合理地選擇Td、Bt、Tn、Ki、Kp、Kd 運(yùn)行值，才可以更好的地通過優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)性能，進(jìn)而縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，減小系統(tǒng)超調(diào)量，從而達(dá)到有效控制水電站機(jī)組的轉(zhuǎn)速和動力的目標(biāo)。