构皮滩水电站PCC 微机调速器运行参数选择与分析

韦玮

（贵州乌江水电开发有限责任公司构皮滩发电厂，贵州 余庆 564408）

构皮滩水电站是乌江干流上最大的电站，装机5×600MW。机组调速器采用武汉能达公司提供的PCC 控制器控制的双比例阀加步进电机三冗余系统，PID 具有四个可调运行、设计调整参数组，包括：即：暂态转差系数Bt、永态转差系数Bp、加速度时间常数Tn、缓冲时间常数Td，其中，按照国家有关规定和有关标准，Bt、Td、Tn 参数最终在构皮滩水电站现场试验中被确定。构皮滩水电站在安装PCC 微机调速器过程中先后进行了两次试验。这两种试验主要测定调速器在正常运转和满负荷状态中的性能，分为充水前试验和充水后试验。主要检测紧急停机切换试验、开/停机时间测试试验、静特性试验下转速及接力器摆动规定值，试验调试依据如表1 所示。

表1 转速死区及接力器摆动规定值

1 空载扰动试验的必要性

构皮滩水电站发电机组于2009 年运行至今已进行了多次大检，大修后原调速器开停机时间、PID 运行参数等将通过试验重新获取，确保水轮发电机能达到正常工作效率。按照国家2007 制定的《水轮机控制系统技术条件》标准（GB/T 9652.1—2007）的规定，微机调速器空载扰动试验测定是机械的空载时间、选择最优的运行参数以及提高设备的调节灵敏程度。按照国家规范：调速器在转速过程中必须在稳定状态下进行，额定的转速值超过3%的次数不能在两次以上；机组转速摆动所经历的时间不能大于40s；机械设备稳定后转速摆动也必须达到稳定水平，3min 内电液调速器的频率摆动值不能达到±0.15%以上。因此，对于PCC 控制器空载运行调试来说，确定空载运行参数也是重要工作之一。

2 微机调速器的工作原里

调速器接收到发电机机端频率信号，经隔离、整形、滤波后送入PLC，待PLC 接收到发电机端频信号后，调试机组频率与发电机相适应后，再通过PID 模块软件进行参数调节。最终经过PID 模块软件调整后的信号通过电机处理器被输出给22KG.CM 额定转矩的角位仪，角位仪由通过直线位移的特殊转换器将信号信息转换为机械的直线位移，从而使设备液压增大，进而产生足够的压力调整设备，通过液压调整控制主机上的接力器以调整水轮机的导叶开度。

PID 调节原理用传递函数及推图如下：

式中：KP—比例增益；KI—积分增益；KD—微分增益。

为提高装置的抗干扰能力，采用实际微分环节，微分环节时间常数T1V（S）。将上述传函离散比，设PID 输出表达式为：

YPID（k）=YPI（k-1）+ΔYP（k）+YI（k）+ΔYD（k）

式中：YPI（k-1）：为前一个采样周期的比例、积分分量之和；ΔYP（k）：是比例作用分量增量；YI（k）：是积分作用分量增量。

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 为采样周期。X 为相对转速偏差，即频率给定或电网频率与机组频率之差和频率的比值。调速器PID 调节规律：PID 输出是其输入量的比例、积分和微分的函数，通过加大kp 值,提高系统的灵敏度就可以减小系统稳态的误差；此外，也可以通过积分数值来减少PID 调速器的系统稳态误差，若超调量过大，这种调节作用将明显减弱。所以，为了改善调速器PID 的动态性能，还必须通过引入微分进行校正，这也就是所谓的PID 控制。PID 微分控制可以很好地预测偏差，针对偏差产生后可以进行提前校正的作用，也能够很好地通过改善机械动态性能，使设备调节时间缩短，从而避免超调量。

3 最优运行参数的试验选择

3.1 空载扰动试验的方法

将机组自动开至空载运行，调速器在“频率模式”下，用TG2000 水轮机测试调速器和机组仪器软件，试验过程中分别取了几组不同的Bt、Td、Tn 数值，通过修改调速器的频率和设定的Fg 值。试验观察水轮机组结果表明，超调量、频率调节次数、调节时间等数据显示均能达到国家标准要求。在录制转速，设定接力器行程过渡曲线中，试验结束后，我们将挑选机械设备波动次数少、转速摆动值和超调量较小、系统稳定速度最快的一组调节参数作为正常运行参考。

3.2 取不同Bt、Td、Tn 参数的扰动曲线

（1）取Bp=6.0%、Bt=20.0%、Td=14.0（S）、Tn=1.0（S）、Fg=50.00Hz。试验结果：当Tn 越高，系统的扰动后稳定性较好，但很难确定系统从扰动到稳定区间的时间,而且设备的接力器也非常不稳定,分析原因，我们认为主要是Bt、Td 数值过小导致,实际运行过程中可适当增大Bt、Td取值范围。

（2）取Bp=6.0%、Bt=50.0%、Td=15.0（S）、Tn=0.3（S）、Fg=50.00Hz。试验结果：适当增大Bt、Td、Tn 取值后，从试验曲线看，整个调节过程变得平滑稳定，超调量小于1.2Hz[超调量=(fmax-fr)/fr×100%]规范规定,该组数据稳定性、调节时间和超调量较好。

（3）取Bp=6.0%、Bt=35.0%、Td=10.0（S）、Tn=0.1（S）、Fg=50.00Hz。试验结果：扰动后长时间不稳定，进入稳定时间过长，该组参数特点：Td、Tn 均小于以上两组之间。通过选择不同参数进行试验，经比较，Td=15.0（S）、Bt=50.0%、Tn=0.3（S）是最优的一组，调节次数、系统的超调量和调节时间均可以达到国标要求，因此可作为调器速的最优运行参数。

4 最优运行参数的分析

对于PCC 控制器的3 个重要参数Kp（比例系数）、Ki（积分系数）、Kd（微分系数）来说，如果获取一组最优PID 参数最优的结果是Kp=1/Bt。但如果产生误差，PCC 控制器将使得误差逐渐减少。这种控制作用的效果决定于Kp，如果通过加大对Kp 的控制那么可以减少误差。Kd=Tn/Bt=Tn·Kp，它能对误差进行微分，使超调量减少，增加系统的稳定性。Ki=1/（Bt·Td），具有滞后特性，其控制作用太强会使系统不稳定。它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差；所以在一系列的参数设计中，在总体要求合适的前提下，应当选择较小的Ki 和Kd 值，这也可以通过削减空载工况阶跃扰动响应特性的超调量，从而缩短系统动态过程需要达到的稳定调节时间。

为了更快、更好地选择最优运行参数，总结口决：参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4 比1，一看二调多分析，调节质量会更佳。

5 结语

综上所述，只有Td、Bt、Tn 以及其系统互相关联的Ki、Kp、Kd 值达到最优组合时，整个系统才能在最佳状态下运转，这也是系统搭配的过程PCC 微机调速器最优运行参数的选择。只有通过合理地选择Td、Bt、Tn、Ki、Kp、Kd 运行值，才可以更好的地通过优化调速系统性能，进而缩短系统调节时间，减小系统超调量，从而达到有效控制水电站机组的转速和动力的目标。