现代水轮发电机调速策略的发展

高庆敏，王利平，孟繁为，蔡宇飞

(华北水利水电学院，河南郑州 450011)

现代水轮发电机调速策略的发展

高庆敏，王利平，孟繁为，蔡宇飞

(华北水利水电学院，河南郑州 450011)

讨论了水轮机调速器PID控制、自适应控制和几种智能控制及非线性鲁棒控制的优缺点，指出了神经网络控制、模糊控制和PID控制相结合可以实现PID控制器参数的在线调整.针对经典的PID调节，利用改进遗传算法对参数进行了优化，实现PID参数快速调整.非线性鲁棒控制是针对水轮发电机组的非线性化模型设计的，可有效改善水电厂远距离输电系统的运行安全性，提高输电系统的传输功率.

调速器;控制策略;PID控制;稳定性

水轮机调速器是水轮机调节系统中的重要组成部分，也是确保水电站机组稳定运行的重要控制设备之一.近年来，随着控制理论的不断发展，水轮机调速控制技术也经历了一个不断改进的过程.控制策略从定参数PI，PID和有级变参数PID，到自适应控制、智能控制、非线性鲁棒控制等新型控制，这些研究成果都在很大程度上推动了水轮机控制策略的发展.

1 常规的PID控制

PID控制是1922年洛尔斯基提出的一种结构简单、鲁棒性强、易于操作的控制策略.目前水轮机调节器的控制策略也主要以PID为主.

常规的PID控制方式是比例、积分和微分的线性组合来进行控制的.当机组的转速出现偏差时，比例环节将立即发出信号，使被控制量沿着减小偏差方向变化.控制作用的强弱主要取决于比例系数.Kp小，控制信号弱，调节过程慢;Kp大，控制信号强，调节速度快.但Kp的增大会在一定程度上破坏系统的动态特性.微分环节的作用是按偏差的变化速度产生调节作用，因为偏差在刚形成时有较大的控制作用，从而加快调节速度.增大微分控制可以增加系统的快速性和稳定性.但增大微分使系统抗干扰的能力下降.积分环节对偏差进行记忆并积分，防止偏差的长期存在，有利于消除静态误差.常规PID控制无法解决稳定性与精确性的矛盾，即使对被控对象整定了一组满意的PID参数，但当对象特性发生变化时也难以保持良好的控制性能［1］.因此，为确保各种工况下均能优化运行PID控制，需与模糊、神经元等智能控制结合形成一种更加优化的控制策略.

2 自适应控制

在实际运行中，水轮机的工况点是时变的，采用同一组参数取得理想的控制效果是不可能的.即使整定了的PID控制参数，当对象特性发生变化时，也难以保持良好的控制性能.因为定参数PID调节没有考虑控制对象的非线性、时变性等特性，所以无法获得工作域内的最佳调节.而自适应控制策略是基于自适应控制方法和微分几何理论推导出的又一水轮机调节控制方法，是以机组的运行工况点来决定当前的PID控制参数，通过线性二次型目标函数最小值得到PID优化参数.

研究证明，自适应控制可提高系统的暂态稳定性.但在实际运行中自适应很少被应用，这是因为自适应控制理论研究进展较慢，自适应控制的稳定性、收敛性、鲁棒性等关键问题有待深入研究和解决.

3 智能控制

智能控制利用领域专家的先验知识，不要求对象模型具有更强的适应性和鲁棒性，可通过智能处理满足各种调节要求.它的出现，引起了极大的研究兴趣，其中模糊逻辑控制、神经网络控制和遗传算法是3种典型的智能控制方法.

模糊逻辑控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字非线性控制，对于处理一些非线性时变参数的控制问题具有良好的控制效果.但由于它对信息简单、模糊的处理使系统的控制精度降低和动态品质变差.因此一般不直接应用于调节时变结构和参数变化范围较大的水轮机调节系统.基于水轮机模糊调速器是一种决策速度快、符合实时控制要求的有效控制仪器，在后来的许多控制策略改进中都是在模糊控制的基础上加以完善的，如将模糊控制和PID控制相结合，改进后的水轮机PID型模糊控制器，由于加入微分作用和采用变宽度的隶属度函数，其调节性能更好;水轮机模糊双积分并联变结构复合控制器在加上双积分环节后减小了系统的静态误差.若使模糊控制具有学习能力，自动调整自身的规则、参数，是可以完成各种工况下的控制任务的［2］.试想在模糊PID控制的基础上加上神经网络控制，控制效果应该更佳.

人工神经网络是模仿人脑神经系统采用某种网络拓扑结构构成的活动网络，以一种简单计算处理单元即神经元为节点，在不同程度和层次上模拟人脑神经系统的信息处理、存储和检索功能.它可以充分逼近任意复杂的非线性关系，所有信息都存储于网络中的每个神经元内，具有很强的鲁棒性和容错性.神经网络优化控制方法对于水轮机调节系统的严重非线性具有较好的适应性和鲁棒性.但神经网络控制存在学习速度慢、决策时间长、容易收敛到局部最小、设计复杂等缺点，因此不宜直接用于水轮机调节系统对实时性要求高的控制.将神经网络控制、模糊控制和PID控制三者相结合，在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换成PID控制，既具有模糊控制简单有效的非线性控制特性，又具有神经网络的自学习能力，同时也具有PID控制的精确性，可以实现PID控制器参数在线调整，能够直接用于水轮机调节系统的实时控制［3］.模糊控制和神经网络技术有较强的互补性，将二者结合用于PID控制将会是一种效果优化的复合控制策略.

遗传算法是模拟自然环境下的生物在遗传进化过程中形成的一种自适应全局优化算法，是建立在群体遗传学和自然选择基础上的一种非数值计算优化方法.该方法有选择算子、交叉算子和变异算子3种算子，操作过程简单、易理解.所以将遗传算法用于水轮机调节系统不同工况的PID调节器参数寻优会有很好发展.目前对采用遗传算法优化神经网络控制器的研究刚刚开始，关于应用在水轮机调节中的研究还未见报道.研究模糊－神经－遗传算法构成软计算方法对水轮机进行调节是水轮机调节策略的重要发展方向.

4 非线性鲁棒控制

水轮机调节系统是集水、机、电为一体的综合调节系统，调节对象的特性比较复杂.之前的一些控制策略均未考虑控制对象的固有非线性特性，难以适应电力系统在动态过程中的最佳调节.1999年，国电自动化研究院和清华大学共同开始研究非线性鲁棒控制在大型水轮机调速系统上的应用，目前已取得显著的理论成果，以后有望将非线性控制理论应用到水轮机调速器的工程实践中，发挥其在电力系统稳定控制方面的作用［4］.实践证明，鲁棒控制比PID控制具有较明显的优越性.首先，鲁棒控制的反馈变量不但有频率还有导叶开度、电功率、机械功率，控制输出综合考虑了频率和功率的偏差.所以它在动态过渡过程中能起到较明显的作用.其次，鲁棒控制考虑了水轮机非最小相位环节的影响，引入了机械功率反馈，在短路瞬间，电磁功率下降，与机械功率的差额增大，机组转速上升，而PID控制直接关闭导叶，由于水流惯性影响，机械转矩反而上升，功率差额加大，加剧了系统的振荡.因此鲁棒控制比PID控制在相位上具有一定超前量.最后，鲁棒控制由于采用了状态变量的动态反馈而在动态过程中具有较好的调节效果;而PID控制主要靠微分在动态过程起一定超前调节作用.但鲁棒控制的应用还存在一定的局限性，不具备调差功能，不能克服静态偏差［5］，所以不适合稳态运行.非线性鲁棒PID控制法远距离输电系统的运行安全性和传输功率的有效性提高，决定了这种控制将是水轮机调节策略的重要发展方向.

5 结语

水轮机的调节是一个非常复杂的过程，各个控制策略都有各自的优势，但也存在各自的弊端.因此，单一控制策略存在着一定的局限性，可将多种控制策略合理地结合在一起，发挥各自的优点，形成复合控制，将是水轮机调节系统控制策略的发展方向.

［1］方红庆，郝培宏，吴恺.水轮机调速器控制技术研究［J］.山西水利科技，2004，151(1):53 －55.

［2］王玲花，沈祖诒，陈德新.水轮机调速器控制策略研究综述［J］.水利水电科技进展，2002，22(2):56 －62.

［3］曹程杰.基于现代智能控制技术的水轮机控制系统研究［D］.江苏:扬州大学，2009.

［4］卢强，孙元章.电力系统非线性控制［M］.北京:科学出版社，1993.

［5］蔡卫江，陈登山，余纪伟，等.非线性鲁棒控制在大型微机水轮机调速器上的应用研究［A］∥第一届水力发电技术国际会议论文集［C］.北京:中国水力发电工程学会，2006.

Development of Control Strategies of Modern Hydraulic Turbine Governor

GAO Qing-min，WANG Li-ping，MENG Fan-wei，CAI Yu-fei
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The advantages and disadvantages of PID control，adaptive control，intelligent control and nonlinear robust control used in turbine governors were discussed，and it was pointed out that the PID controller parameters could be adjusted online if the neural network control，fuzzy control and PID control were combined with each other.For the classical PID regulator，its parameters could be adjusted rapidly if the parameters were optimized by the improved genetic algorithm.Nonlinear robust control was designed for the nonlinear model of the hydrogenerator unit，which could effectively improve the safety of long-distance transmission systems and enhance the transmission power of transmission systems.

governor;control strategy;PID control;stability

1002－5634(2011)05－0071－03

2011－05－30

高庆敏(1952—)，男，河南新野人，教授，主要从事电力系统实时监控方面的研究.

(责任编辑:杜明侠)