水电机组导叶非线性自适应校正控制方法

唐立军，刘友宽，杜景琦，罗恩博

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

水电机组导叶非线性自适应校正控制方法

唐立军，刘友宽，杜景琦，罗恩博

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

水轮发电机组是一个典型的非线性系统，不同的导叶开度下其简化线性模型不同。本文分析了水电机组功率波动的原因，提出一种针对不同导叶开度下简化线性模型的自适应校正PID比例增益的控制方法，给出了导叶开度非线性自适应校正控制方法的参数整定方法，并在石门坎水电厂#2机组进行了现场实施，现场实施和试验表明：该方法实施后机组静态调节误差、功率波动周期、功率波动幅度、调节稳定时间明显改善，有效的提高了机组的调节性能。

水电机组；自适应校正控制；功率波动

0 前言

水轮发电机组是一个典型的非线性系统，其线性化数学模型的各系数在不同的工作点相差较大水轮机组[1]。文献 [2]指出水轮发电机调速系统是一个高阶系统，而水轮机及引水系统的固有特点又决定了该调速系统具有非线性、时变特性。对于简化线性化模型而言，主要体现在模型的参数随着工况的变化而改变，不同的导叶开度下简化线性化模型不同[3]。导叶开度与机组有功功率存在着非线性对应关系，采用传统PID控制器对非线性对象进行控制，易导致机组功率发生波动，机组功率的波动易引起电网低频振荡[4]。文献 [5]指出良好的导叶开度控制不仅对电力系统大干扰稳定性的改善有很大的作用，而且对系统的小干扰稳定性的提高及抑制系统低频振荡也非常有效。因此，有必要研究一种可以在PLC中实现的导叶开度自适应校正PID控制器的参数控制方法，可以有效抑制由于水轮发电机由于控制对象模型变化而引起的功率波动。

某水电厂#2机组自投运后发现机组功率在45 MW～60 MW区间，有功功率波动 (即静态偏差)超过3.8 MW(5.8%额定功率)、波动频率较为频繁，机组静态偏差无法满足规程[6]中规定要求。为此，本文结合机组功率波动实际情况，通过采用导叶非线性自适应校正控制方法，对#2机组原有功率闭环控制回路进行优化改进，成功解决了#2机组功率波动问题。采用本文控制方法后，有功功率波动小于1 MW，波动频率大幅加长，功率曲线趋于平滑。

1 水电机组功率振荡原因分析

引起水电机组有功功率振荡的原因有以下几个方面：一是功率测量源测量不准确，存在跳变，导致调速器功率控制器反复调节；二是PSS控制器内部模型配置错误引起功率振荡[7]；三是水轮机组引水或尾水管道设计不合理或施工不到位引起蜗壳压力或尾水管压力存在脉动，导致水轮机导叶未动，功率振荡的情况。通过查看历史数据库和实时数据分析，引起水电厂功率波动的原因是水轮机组引水或尾水管道蜗壳压力或尾水管压力存在脉动。

2 导叶非线性自适应校正控制原理

目前，水电机组监控系统与调速系统之间功率控制配合方式有两种：脉宽方式和通讯方式[8]。脉宽调节方式下监控系统PID控制器根据功率设定值和功率输出PWM脉冲至调速系统调节导叶开度；通讯调节方式下监控系统只是将监控系统的功率设定值通过电流信号 (4～20 mA)或其他通讯方式转发给调速系统，由调速系统PID实现功率调节。

文中针对脉宽调节方式下进行导叶非线性自适应校正控制方法介绍。监控系统根据导叶开度自适应校正PID控制器的比例参数，实现导叶开度和机组有功功率之间的线性化，可以有效改善机组有功功率调节性能。其实现原理图如图1所示。图中虚线框内为监控系统功率闭环及导叶非线性校正控制方法框图，监控系统根据导叶开度，自适应修正PID控制器的比例增益，实现不同导叶开度和不同工况下的自适应控制，其中Kp0为原系统比例增益或经过试验整定的比例增益初始值；F(x)为导叶开度非线性校正函数，限幅模块用于限制比例增益的过大或过小引起功率调节速率的超调和过慢，实现空载以上导叶开度恒速率控制。监控系统与调速系统通过PWM脉宽进行接口。

图1 导叶非线性自适应校正控制原理框图

导叶开度非线性校正函数 F(x)可表示如下：

式中，a1(x)～an(x)为PID模块的比例增益修正系统，x1～xn为不同的导叶开度区间 (x1为空载开度)，a1(x)～an(x)、x1～xn需要通过现场试验确定。

根据图1可知，监控系统PID模块的比例增益Kp可表示为：

由式1和式2可以看出，监控系统根据导叶开度自适应修正监控PID模块的比例增益，对不同导叶开度区间不同比例控制增益以适应控制对象变化，从而达到抑制功率波动的目的。

3 控制方法实施

3.1 水电厂概述

水电站装机容量为两台额定65 MW的机组，共130 MW，年发电量5.964亿kW.h。计算机监控系统采用H9000监控系统，机组LCU采用GE 90-30 PLC作为LCU的主控制器，GE 90-30 PLC的CPU采用的是586/133 MHz微处理器，支持梯形图和IL指令表编程。本文采用Proficy Machine Edition 8.5软件的梯形图进行开发。

3.2控制方法实现

控制方法实现框图如图2所示。

图2 控制方法实现框图

导叶开度非线性校正方法只有在机组并网后才运行，根据导叶开度的不同自适应计算当前导叶开度下的比例增益。

3.3 控制方法参数整定

为了得到不同导叶开度下对应的控制器比例增益，进行导叶开度/负荷试验；试验在机组并网条件下，进行负荷升降试验，每次升、降的幅度为5 MW，最后将机组功率和对应的导叶开度数据导出，计算不同功率下对应的导叶开度平均值，记录于表1。从表1可看出单位导叶开度对应的负荷变化是不同的，斜率k反应出单位导叶开度对应的功率变化值，k越大说明导叶的变化对功率的影响越大。

对原系统进行负荷变动试验，整定Kp0使其满足控制性能要求。

表1 同负荷下导叶开度对应关系表

根据表1可得，导叶开度非线性校正函数F (x)可表示为：

4 控制方法实施效果

实施导叶非线性校正控制方法后，在机组振动区以上，对机组进行变负荷试验对加入控制方法前后功率调节静态和动态性能进行了比较。

4.1 静态性能对比

图1为优化前机组在55 WM的静态性能。可以看出功率在55 MW时波动幅度较大、波动周期较短。图2为优化后55 MW时机组的静态性能。图2中绿色的曲线为设定值为55 MW时的实发功率曲线，对比图1可以看出，优化后，55 MW时功率波动频率和波动幅度 (静态偏差)都大幅降低，性能得到明显提高。

表1 优化前后静态性能对比表

表1为加入导叶前后静态性能比较 (功率设定值为55 MW)，可以看出加入导叶非线性自适应校正控制后静态偏差减小了5倍，功率波动最大最小之间的幅度减小了3倍，波动周期加大了10倍 (即周期越大说明功率曲线更加平滑了)。

4.2 动态性能对比

在投入机组功率闭环控制，改变机组设定值对机组的动态响应性能进行测试。图3为优化前测试曲线，图4为优化后测试曲线。表2是为优化前后动态性能比较。通过对比可以看到，优化后超调量较之前较小，调节速率有可能会降低但是在远高于规范中要求的大于60%额定功率每分钟，优化之后改善较为明显的是稳定时间，以65 MW～55 MW变动为例，稳定时间从优化前的24 s优化为4 s，即监控系统调节的次数和品质得到了明显的提升。

图1 优化前负荷变动曲线

表2 优化前后动态性能对比表

图2 优化后负荷变动曲线

5 结束语

综上所述，机组现场静态和动态试验表明：导叶非线性校正逻辑能够有效的提升机组的静态调节性能，静态调节误差由 4.1%额定功率(Pe)优化至0.8%Pe、机组功率波动周期由原来的4 s优化至40 s、机组功率波动幅度由原来的5.6%Pe优化至2%Pe、机组功率波动周期从原来的24 s优化至4 s，有效的改善机组的调节性能；动态性能方面，在不降低机组调节速率的情况下，减小机组的超调，缩短机组调节的稳定时间。

可见，文中提出的导叶非线性自适应校正控制方法能够有效改善机组的动态和静态性能。

[1] 陈帝伊，丁聪，等.水轮发电机组系统的非线性建模与稳定性分析 [J].水力发电学报，2014，02：235-241.

[2] 孙闻，孔祥玉，等.基于实测数据的发电机调速系统参数辨识方法 [J].电力系统及其自动化学报，2014，03：26-30.

[3] 寇攀高，周建中，等.基于菌群-粒子群算法的水轮发电机组PID调速器参数优化 [J].中国电机工程学报，2009，26：101-106.

[4] 董清，张玲，等.低频振荡扰动源机组的自动定位方法[J].电网技术，2012，10：265-269.

[5] 桂小阳，梅生伟，等.水轮机调速系统的非线性自适应控制[J].中国电机工程学报，2006，26(8)：66-71.

[6] Q/CSG 110004-2012.自动发电控制 (AGC)技术规范[S].广州：中国南方电网有限责任公司，2012.

[7] 张剑云，李明节，等.三峡巨型电站异常功率波动仿真与试验研究 [J].中国电机工程学报，2012，16(32)：122 -129.

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Research and Implementation of Nonlinear Adaptive Correction Control Method of the Hydropower Unit Guide Vane

TANG Lijun，LIU Youkuan，DU Jinqi，LUO Enbo
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Hydro generating plant is a typical nonlinear system，the simplified linear model is different under different guide glade opening.This paper analyzes the cause of power oscillation of hydropower plant and proposes an adaptive control method of PID proportional gain correction for simplified linear model under different guide glade opening.A parameter setting method of the nonlinear adaptive control method for the guide glade opening is then present and has conducted in field implementation in#2 unit of Shimenkan hydropower plant.The results of the field implementation indicate that this method has effectively enhanced the regulating performance of units and the static regulation error，power oscillation cycle，power fluctuations，adjusting and stabilizing time of units has significantly improved.

hydropower plant；adaptive correction control；power oscillation

TM73

B

1006-7345(2014)05-0053-04

2014-07-07

唐立军 (1985)，男，硕士，工程师，云南电网电力研究院，从事水、火电厂自动控制、智能变电站等方面研究 (e-mail) tlijun＠foxmail.com。

刘友宽 (1973)，男，硕士，教授级高级工程师，云南电网电力研究院，从事火电、水电自动化的控制、测量与保护等方面的现场调试、试验等技术及研究工作。

杜景琦 (1980)，男，硕士，工程师，云南电网电力研究院，从事火电、水电自动化的控制的现场调试、试验等技术及研究工作。