PID 控制在水電廠有功調(diào)節(jié)的應(yīng)用

王朝淳 宗和剛

（1、桑河二級水電有限公司，柬埔寨 上丁省 2、華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電站，云南 迪慶674606）

水電站在電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)揮防洪灌溉、調(diào)峰調(diào)頻的重大作用，對全廠有功調(diào)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化以提高資源利用效率至關(guān)重要[1]，然而由于水電廠功率調(diào)節(jié)速度快，出力能在短時(shí)間大幅度增減，容易給電網(wǎng)造成安全隱患[2]。因此必須利用高效PID 控制策略對各機(jī)組出力、負(fù)荷分配、運(yùn)行方式、全廠功率等參數(shù)進(jìn)行處理，合理進(jìn)行流域梯級水庫和發(fā)電生產(chǎn)，盡量避免棄水現(xiàn)象的發(fā)生。

1 PID 控制在水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用及死區(qū)的影響

水輪機(jī)調(diào)速器是水電站核心控制設(shè)備之一，它與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相配合，承擔(dān)著機(jī)組導(dǎo)葉開度、機(jī)組頻率、機(jī)組功率等控制任務(wù)，簡單的水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。PLC 調(diào)節(jié)器經(jīng)過PID 運(yùn)算輸出脈沖序列，經(jīng)過放大后作為開關(guān)閥的輸入信號，但是開關(guān)閥只有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)，輸出的流量是斷續(xù)的，這時(shí)需采用PWM控制技術(shù)控制高速開關(guān)閥，讓其輸出連續(xù)的流量信號并進(jìn)入接力器，從而控制接力器的位移[3]，反饋信號則取自接力器位移，經(jīng)過V/F 轉(zhuǎn)換成頻率信號再次輸入PLC，與運(yùn)算值進(jìn)行綜合比較，達(dá)到調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度的目的。

目前，國際和國內(nèi)的數(shù)字式調(diào)試器都是基于PID 或以PID為基礎(chǔ)的適應(yīng)性變參數(shù)調(diào)整規(guī)律[4]。

由于水流貫性時(shí)間常數(shù)、水頭的變化、尾水的波動(dòng)以及蝸殼中不均勻流場引起的脈動(dòng)，水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器出現(xiàn)導(dǎo)葉開度調(diào)整不到位的情況，也就是導(dǎo)葉開度控制死區(qū)[5]。死區(qū)如果過大，實(shí)質(zhì)就是理論和自動(dòng)控制的失效，具體表現(xiàn)為機(jī)組頻率擺動(dòng)過大，主配抽動(dòng)劇烈，打油頻繁，管路振動(dòng)，難于并網(wǎng)等。當(dāng)然死區(qū)也不是越小越好，過于精準(zhǔn)可能會(huì)使得主配壓閥非常靈敏，這對系統(tǒng)未必是好事。事實(shí)上，系統(tǒng)中如果存在一定的死區(qū)，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，該死區(qū)會(huì)“離散在”整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，使得導(dǎo)葉反饋曲線和給定曲線并不完全一致，且形成一個(gè)相對平緩的調(diào)節(jié)過渡過程，這對有效抑制機(jī)組慣性造成的頻率反饋滯后是非常有利的。

圖1 水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 PID 控制在電廠AGC 中應(yīng)用

由于負(fù)荷擾動(dòng)非常大，如果開始就投入比例、積分、微分三種控制方式[6]，調(diào)速器就得不間斷的改變導(dǎo)葉開度，可能經(jīng)過長時(shí)間的調(diào)整都難進(jìn)入穩(wěn)態(tài)而且對設(shè)備的傷害也是不容忽視的。再加上調(diào)速器死區(qū)的存在，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差是可以接受的，從生產(chǎn)成本以及快速開、停機(jī)，增減負(fù)荷的要求上看，優(yōu)先采用比例控制是非常合理和科學(xué)的。根據(jù)設(shè)定負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷的差值，通過監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）的PID 控制程序來進(jìn)行閉環(huán)控制調(diào)節(jié)[7]。具體對PID 控制器而言，

式中，Y 為操作變量，YP 為比例增益，F(xiàn)EED_FWD 為干擾變量，且ymin≤Y≤ymax。

在脈沖寬度調(diào)制（PWM1）中，在固定循環(huán)周期（t_period）內(nèi)輸出與模擬值X 成比例的可變持續(xù)時(shí)間的“1”信號，其輸出

使用比例控制，則有YI=0，YD=0。其中PID 首次調(diào)節(jié)的參數(shù)分別為：

隨后將得到的增益值輸入到PWM模塊中，并通過脈沖長度計(jì)算公式（2）或（3）得到脈沖輸出長度。同樣的，首次調(diào)節(jié)的參數(shù)如下：

因?yàn)闄C(jī)組每時(shí)每刻的負(fù)荷都是在不斷變化的，所以比例系數(shù)、調(diào)節(jié)周期以及增有功最小脈寬（P_CHANGE_MIN）、減有功最小脈寬（P_CHANGE_MIN1）的值必然要隨著負(fù)荷的變化而變化。經(jīng)過大量的機(jī)組控制實(shí)驗(yàn)，我們采取了分段控制機(jī)組的方式：

（1）當(dāng)實(shí)發(fā)值低于負(fù)荷有功設(shè)定值，且設(shè)定值小于200MW時(shí)，

（2）當(dāng)實(shí)發(fā)值低于負(fù)荷有功設(shè)定值，且設(shè)定值大于200MW小于350MW 時(shí)，

（3）當(dāng)實(shí)發(fā)值低于負(fù)荷有功設(shè)定值，且設(shè)定值大于350MW小于650MW 時(shí)，

（4）當(dāng)實(shí)發(fā)值高于負(fù)荷有功設(shè)定值，且設(shè)定值小于200MW時(shí)，

（5）當(dāng)實(shí)發(fā)值高于負(fù)荷有功設(shè)定值，且設(shè)定值大于200MW小于650MW 時(shí)，

3 有功調(diào)節(jié)存在的問題及原因分析

由于死區(qū)的存在，全廠有功出力實(shí)發(fā)值存在無法達(dá)到調(diào)度下發(fā)設(shè)定值的情況[8]，最高偏差可達(dá)-20MW，有功出力調(diào)節(jié)不夠精確。所以急需對監(jiān)控系統(tǒng)有功出力調(diào)節(jié)策略進(jìn)行優(yōu)化，使全廠出力實(shí)發(fā)值達(dá)到調(diào)度下發(fā)的設(shè)定值。由于機(jī)組有功功率采用有功PID 調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度為5MW，南網(wǎng)總調(diào)下發(fā)的全廠有功出力設(shè)定值變化比較平滑[9]，多數(shù)情況前后兩次設(shè)定值的差值都偏小，導(dǎo)致分配至各臺機(jī)組有功PID 的有功調(diào)節(jié)變化量偏小。

機(jī)組有功PID 在小幅調(diào)節(jié)時(shí)的調(diào)節(jié)能力較差，因此就經(jīng)常會(huì)機(jī)組有功出力實(shí)發(fā)值低于有功設(shè)定值的情況，從而導(dǎo)致全廠出力實(shí)發(fā)值低于設(shè)定值。當(dāng)機(jī)組有功PID 調(diào)節(jié)到位后若有功實(shí)發(fā)值低于有功設(shè)定值，則多發(fā)一次增有功脈沖，使有功實(shí)發(fā)值達(dá)到有功設(shè)定值。

同時(shí)，該策略兼顧PID 與一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)關(guān)系，僅在一次調(diào)頻未動(dòng)作的情況下生效，避免干擾機(jī)組一次調(diào)頻正確動(dòng)作。具體優(yōu)化方法如下：

當(dāng)有功PID 執(zhí)行新設(shè)定值調(diào)節(jié)進(jìn)入死區(qū)（5MW）穩(wěn)定10 秒后，如果有功實(shí)發(fā)值低于設(shè)定值，則再發(fā)一次增有功脈沖。將機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作及復(fù)歸信號引入該策略的觸發(fā)邏輯，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，閉鎖該策略。

此外考慮南網(wǎng)負(fù)荷偏差率小于2.5%的要求[10]，增有功脈沖長度采用梯度控制。當(dāng)機(jī)組有功設(shè)定值超過200MW 時(shí)增有功脈沖長度按增發(fā)一個(gè)PID 死區(qū)考慮，即5MW；當(dāng)機(jī)組有功設(shè)定值低于200MW 時(shí)，增有功脈沖按2MW 控制。考慮繼電器25ms 的動(dòng)作時(shí)間損耗，由公式（2），（4），可得具體的脈沖長度，見表1（以#5 機(jī)組為例）。

表1 脈沖輸出長度

由表1 可知當(dāng)機(jī)組有功設(shè)定值超過200MW 時(shí)，其對應(yīng)脈沖長度150ms；當(dāng)機(jī)組有功設(shè)定值低于200MW 時(shí)，其對應(yīng)脈沖長度90ms。

4 優(yōu)化前后全廠有功調(diào)節(jié)的對比及分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案是否能改善全廠有功出力，使實(shí)發(fā)值達(dá)到調(diào)度下發(fā)的設(shè)定值，我們對優(yōu)化前的#2、#5、#9 機(jī)組及全廠有功出力跟蹤設(shè)定值情況進(jìn)行了抽樣分析。抽樣的范圍是3 臺機(jī)組在2016 年10 月07 日至2016 年11 月10 日的實(shí)發(fā)值及設(shè)定值，頻率是兩分鐘取一次值。詳細(xì)的有功出力跟蹤設(shè)定值分析情況見表2。

表2 優(yōu)化前#2、#5、#9 機(jī)組及全廠有功出力跟蹤設(shè)定值

同樣的，我們對優(yōu)化后的#2、#5、#9 機(jī)組及全廠有功出力跟蹤設(shè)定值情況也進(jìn)行了抽樣分析。抽樣的范圍是3 臺機(jī)組在2016 年11 月26 日至2016 年12 月09 日的實(shí)發(fā)值及設(shè)定值，頻率也是兩分鐘取一次值。詳細(xì)的有功出力跟蹤設(shè)定值分析情況見表3。

表3 優(yōu)化后#2、#5、#9 機(jī)組及全廠有功出力跟蹤設(shè)定值

由表1 可知當(dāng)機(jī)組有功設(shè)定值超過200MW 時(shí)，對應(yīng)脈沖長度都是150ms，也就說優(yōu)化程序和策略都一樣，而當(dāng)機(jī)組有功設(shè)定值低于200MW 時(shí)，其對應(yīng)脈沖長度則只有90ms。為了論證此方案的嚴(yán)謹(jǐn)性，我們對優(yōu)化之后#2、#5、#9 機(jī)組梯度控制有功出力跟蹤設(shè)定值情況進(jìn)行了抽樣分析。抽樣的范圍是3 臺機(jī)組在2016 年11 月26 日至2016 年12 月09 日的實(shí)發(fā)值及設(shè)定值，頻率也是兩分鐘取一次值，只對設(shè)定值區(qū)間進(jìn)行劃分，即分為設(shè)定值在0-200MW 區(qū)間和設(shè)定值在0-200MW 區(qū)間。具體的有功出力跟蹤設(shè)定值分析情況見表4。

表4 優(yōu)化之后#2、#5、#9 機(jī)組有功出力跟蹤設(shè)定值情況梯度分析

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，我們可以清楚的看到優(yōu)化策略執(zhí)行之后#2、#5、#9 機(jī)組及全廠有功實(shí)發(fā)值跟蹤設(shè)定值的功能有了明顯改善，設(shè)定值高于實(shí)發(fā)值的概率均有大幅提升。其中#2 機(jī)組由41%提升至71%，#5 機(jī)組由42%提升至63%，#9 機(jī)組由53%提升至68%，全廠由49%提升至60%。由于不同機(jī)組調(diào)速器調(diào)節(jié)特性存在差異，優(yōu)化效果存在明顯差異，但是對比分析優(yōu)化前后數(shù)據(jù)，有功優(yōu)化的效果整體來看還是比較明顯的。

5 結(jié)論

在發(fā)電機(jī)組的AGC 有功調(diào)節(jié)過程中，水輪機(jī)組在某些負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，也就是通常說的振動(dòng)區(qū)[11]，個(gè)別機(jī)組的振動(dòng)區(qū)甚至出現(xiàn)在機(jī)組的高效率區(qū)，而這會(huì)大大影響機(jī)組的安全穩(wěn)定和使用壽命。因此必須合理進(jìn)行有功調(diào)節(jié)及分配，將機(jī)組的運(yùn)行調(diào)整在合理的區(qū)間，避開機(jī)組的振動(dòng)區(qū)域，使機(jī)組有良好的工況，更好的執(zhí)行電網(wǎng)的負(fù)荷需求[12]。