一种灯泡贯流式机组调速器系统运行参数寻优方法

五凌电力有限公司株溪口水电站 刘 禹 申潘威 钱 程 张 培 莫建安 五凌电力科技有限公司 张 培

水轮机调速系统一般采用PID控制规律，根据经验或现场反复试验获取PID参数往往不易获得最佳参数。虽然调速器厂家给出了调速器PID控制参数的可调范围，但大部分均是给出一组PID参数，此组控制参数的选取需大量试验验证得到，在实际的水电机组上进行长时间、多工况及大规模试验是不现实、也是不允许的。但如进行更真实的仿真，不能忽略水轮机和随动系统部分的非线性因素，建立以神经网络算法的水轮机非线性模型并对随动系统加入限速、饱和等非线性环节，将大大提高仿真的真实性和可靠性。

优化调速器的速度控制环和功率控制环并给出最优控制器参数，结合引水系统、水轮机非线性模型、调速器模型、发电机模型、负荷模型、随动系统模型，建立完整的非线性水轮机调节系统模型，以合理的分段线性化的水轮发电机组模型为基础，以MATLAB计算机仿真为基本工具对速度控制环和功率控制环进行了优化，并给出了可供参考的最优控制器参数。

1 调速器运行参数寻优方法

1.1 调速器调节模式分析

在大多数情况下，机组并网后调速器的速度控制模式基本处于开环状态，靠调整导叶开度(改变开度设定值)或通过监控系统LCU的AGC功能实现机组负荷的自动调整。在机组并网运行时，以上调节方式难以满足电网系统动态、暂态和静态调节要求。从系统动态特性的角度讲，若不采用特定的调节器控制参数，机组调整导叶开度将需很长时间的过渡调节过程。从系统静态特性看，需不断地设定导叶开度，而导叶开度与机组有功功率并不存在一一对应关系，所以要实现机组输出某一期望的有功功率，通常要经多次试验才能得到调速器的相关调节参数，在很大程度上依赖于调度运行人员个人经验。速度控制模式在并网运行的这些缺陷，不满足电力系统水轮机调速系统一次调频性能要求。

1.2 调节参数寻优方法

当给定有功功率变化时，机组须以较快速度和期望的轨迹过渡到有功功率给定值，就可节约加速调节过程的调节时间，提高电网电能质量。所以要找到“最优”的调节器参数并与机组的运行工况相匹配，其实就是PID调节参数优化问题。由于机组处于不同的实际工作水头、不同的空载开度，其带孤网负荷的调节性质不同，机组调速器PLC有不同的调节参数。所以机组在某一工况下的“最优”PID参数在另一工况就可能不是最优的参数。

为解决这一问题一般有二方面措施：为满足系统对调速器调节动态品质的需求，采用自适应控制的逻辑思路，机组配置连续的变参数调节，当机组运行工况变化时调速器的PID调节参数也需连续变化。用一般的可编程序控制器难以实现这样算法复杂的控制方法，需在线辨识机组的调节特性，在实现路径上存在一定的困难；基于鲁棒控制的基本思路，可找到一个基于结构奇异值理论的水轮机调速器参数设计方法，该方法同时考虑了系统的稳定性与跟踪性能，寻找这样一组PID参数，当机组运行工况参数变化时能保证调速器系统的动态调节品质满足要求。当机组参数发生大范围变化时不一定存在这样的PID参数。

结合上述两种方法将机组运行工况划分若干工况，在不同的运行工况下寻找一组“最优”的PID调节参数与之对应。既克服了第一种方法难以实现的困难，也解决了第二种方法难以找到“最优”PID调节参数问题，这也是目前株溪口电厂调速器采用的方法。在充分考虑各种因素的前提下，对于株溪口电厂调速器的功率控制器模式，在不同的工况下控制器采用可变最优PI调节参数以获得尽可能快的调节时间。其优点在于不可能出现前馈失调现象，且一般情况下调节时间也可控制在更短时间以内。对于机组不同工况，最优PID调节参数获取采用的主要工具为生物地理学算法。

通过以上分析，结合水轮机模型综合特性曲线和飞逸特性曲线作为研究基础，并辅以相应的运行参数，如在特定水头下机组开度与出力的运行关系、机组甩负荷过程曲线等，用可变采样频率的特征线法模拟引水系统，运用神经网络算法模拟水轮机组的流量特性、力矩特性，建立非线性仿真模型，为调速系统的仿真仪器提供研究基础。株溪口电站现有调速器主要有速度控制模式和开度控制模式，据此研究调节系统动态品质，包括：调节系统在原有调节器参数、额定水头下的动态品质仿真研究；水头在全部可能的工作范围内、调节系统在原有调节器参数的动态品质仿真研究，并给出相应评价；在水头全部可能的工作范围内，利用生物地理学算法找到一组“最优”PID参数，给出相应动态过程仿真并做出相应的评价，电站应用利用寻优参数整定后，在试验过程中得出仿真与真机对比结论。

2 调速器实时仿真试验及真机试验对比分析

2.1 试验风险分析

利用电站新改造的调速器在现场安装完毕后的功能投运机会，把真实调速器和株溪口电站水轮发电机组调速系统仿真测试仪进行连接，通过水轮机调节系统过渡过程的实时仿真和离线仿真，避免真机试验对机组造成的损坏。在无水情况下进行所有工况下各种故障进行模拟试验（如调速器在功率控制模式下功率反馈故障模拟），查找新改造的调速器软件和硬件上存在的问题并进行必要调整，减少有水情况下故障模拟的安全风险。

在无水情况下进行了各种动态特性试验，通过设置调速器不同工作水头和控制模式来整定调速器在各种工况下的调节器参数（包括一次调频PID参数等），节约真机有水情况下进行大量试验的时间，只需在有水情况下对优选的参数进行验证即可，减少了对真机多次进行阶跃扰动试验带来的破坏性风险。对于定PID参数的调速器，针对优选出来的PID参数在不同的水头下进行仿真验证，避免出现机组在不同工况下PID参数设置不当导致调节系统不稳定。

在无水情况下进行了甩负荷试验，对真机甩负荷频率上升情况和蜗壳水压上升情况进行预估，提前判断机组关机规律是否合理，避免真机甩负荷出现频率过高、蜗壳进口水压上升过高对机组造成巨大的损害。对电站可能出现的调速系统调节异常故障（如负荷反调、负荷波动）进行事故重演，有利于现场专业人员方便查出故障原因。仿真测试仪集成了调速系统测试仪的功能，可对调速系统进行各种动、静态试验，并进行各种指标分析。

2.2 实时仿真方法

由电站已安装完毕的真实调速器（北京中水科技有限公司研制的调速器）和本实时仿真装置一起构成闭环调节系统进行了一系列的实时仿真测试。布置测点仪器测量信号：导叶接力器行程；仿真仪器输出信号：机组频率、机组有功、发电机出口断路器开关状态。通过机组上位机监控系统下“开机令”至“调速器”，用调速系统综合测试仿真仪记录导叶开度及仿真模型输出的机组频率变化情况。在流道无水完成自动开机仿真试验、空载扰动试验、负荷调节试验，在流道有水条件下进行负载工况开度控制模式的负荷调节试验和甩负荷试验，并经多次仿真试验筛选，得出机组调速器最优空载调节参数和负载调节参数。

在整个试验过程中需随时记录仿真机组在甩负荷时机组频率、导叶接力器行程、蜗壳水压的变化情况，检验调节控制参数的试验结果是否满足调保计算及闭环调速系统动态品质要求。

比较表1中真机和仿真机数据和图1易知，在机组甩负荷后，两者机频上升曲线与蜗壳压力变化曲线存在略微差异，但趋势基本一致，对于不同水头的甩负荷试验，真机与仿真模型的过渡过程差异表现是不相同的。

表1 机组甩负荷频率上升表

图1 参数寻优后机组甩负荷过程图

当真机做甩负荷试验时，首先甩25%负荷，模型与真机的过渡过程几乎一致；然后甩50%负荷，模型与真机转速差最大是在转速上升的最高点，之后的调速器反映的过渡过程表现一致；再甩75%负荷，模型与真机的转速上升最大值误差明显偏大，最大差异有10%。由此可见，机组甩负荷过程中的转速模型相近程度更好。甩负荷过程中，仿真机与真机调节的过渡过程存在差异，其根本原因是机组的运行工况(主要指导叶开度、流量和转速)经历了大幅变化，暂时无法获得此过程中机组所穿越的工况区的准确力矩或流量样本，如大转速、小开度、高水头、低负荷等。所以在此区域内，依据不真实的机组样本训练的神经网络算法无法准确输出符合机组自身的调节特性。

3 结语

通过调速器仿真装置可离线进行调速器的控制规律、控制算法、控制逻辑和调节参数的寻优，避免在实际水轮机上进行长时间、大规模的试验，提高电站水轮发电机组的可靠性、安全性。同时可通过离线仿真能再现机组负荷调整等过渡过程，便于过渡过程分析与评价，每次大修均可通过仿真仪器进行甩负荷试验对比分析，维持了电站机组安全生产可持续发展的稳定局面。