水輪機調速器PID參數的智能化控制

1、水輪機調速器PID參數的智能化控制武漢事達電氣股份有限公司摘要：當前大型機組的調速器國產化日漸成熟，相對于進口設備，我國的硬件水平和國外相對而言還有很大的差距，但在軟件方面，我們的設計理念還是處于國際先進水平，本文詳細的介紹了當前調速器PID參數設定的智能化控制的方法。關鍵字：調速器、PID參數、IPC、智能化控制Keyword：Speed Governor，PID parameter，IPC，Intelligent control1、 水輪機調速器的大致介紹水輪發(fā)電機組把水能轉變?yōu)殡娔芄┕I(yè)、農業(yè)、商業(yè)及人民生活等用戶使用。用戶在用電過程中除要求供電安全可靠外，對電網電能質量也有十分嚴格的要

2、求。按我國電力部門規(guī)定，電網的額定頻率為50Hz，大電網允許的頻率偏差為±0.2Hz。對我國的中小電網來說，系統(tǒng)負荷波動有時會達到其總容量的5%10%；而且即使是大的電力系統(tǒng)，其負荷波動也往往會達到其總容量的2%3%。電力系統(tǒng)負荷的不斷變化，導致了系統(tǒng)頻率的波動。因此，不斷地調節(jié)水輪發(fā)電機組的輸出功率，維持機組的轉速（頻率）在額定轉速（頻率）的規(guī)定范圍內，就是水輪機調節(jié)的基本任務。 水輪機調速器是水電站水輪發(fā)電機組的重要輔助設備，它與電站二次回路或計算機監(jiān)控系統(tǒng)相配合，完成水輪發(fā)電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等任務。水輪機調速器還可以與其他裝置一起完成自動發(fā)電控制（AGC）、

3、成組控制、按水位調節(jié)等任務。同時在目前的電網的需要下，對于微機調速器必須具備一次調頻功能，要求水輪機調速器能夠在根據電網的頻率來改變自身的符合達到參與系統(tǒng)的頻率調節(jié)的作用。2、 水輪機調速器的PID結構介紹 目前在水輪機調速器系統(tǒng)除國外極少數公司采用串聯PID結構外，國內大多數公司都采用并聯PID結構，下圖 圖1所示為國內目前常用微機調速器的PID結構圖。圖1 微機調速器結構圖圖1中： fg機組頻率（Hz）； fc頻率給定（Hz）； yc開度給定相對值； KP比例增益； KD微分增益（s）； KI積分增益（s1）；T1v微分環(huán)節(jié)時間常數（s）。由上圖構成的傳遞函數如下： （1-1） DF(S)

4、為頻差Df的拉普拉斯變換。在式(1-1)中，若忽略數值上很小的Ty和T1v，且取永態(tài)差值系數bp=0，則它就成為下式： （1-2）比較式（1-1）可得： （1-3） 由于微機調速器的微機調節(jié)器已經不再包括接力器，故其傳遞函數為： （1-4） 3、 水輪機調速器PID參數的數字化描述【1】（1）暫態(tài)差值系數bt 永態(tài)差值系數（bp）為零時，緩沖裝置不起衰減作用，它在穩(wěn)態(tài)下的差值系數就稱為暫態(tài)差值系數bt。 圖2所示為暫態(tài)差值系數bt的表述： （1-5） 圖2中可以看出：緩沖裝置不起衰減作用時，暫態(tài)差值系數bt和永態(tài)差值系數bp有相同的含義為調速器靜態(tài)特性圖上某點切線斜率的負數。在工程應用上可取為

5、接力器全關(y=0)和全開(y=1.0)時對應的頻率相對值之差。當然，實際的緩沖裝置特性是衰減的，因而可以認為bt是緩沖裝置在動態(tài)過程中“暫時”起作用的強度。 圖2 暫態(tài)差值系數 圖3 緩沖裝置時間常數 （2）緩沖裝置時間常數Td 輸入信號停止變化后，緩沖裝置將來自接力器位移的反饋信號衰減的時間常數稱為緩沖裝置的時間常數Td（見圖3）。如果把某一開始衰減的緩沖裝置輸出信號強度設為1.0，那么至它衰減了0.63為止的時間就是Td。 （3）加速時間常數Tn圖4 加速時間常數 當取永態(tài)差值系數bp和暫態(tài)差值系數bt為零，頻率信號x按如圖4所示形狀變化，接力器剛剛反向運動時，被控參量（頻率）相對偏差x

6、1與加速度(dx/dt)1之比的負數稱為加速度時間常數。 （1-6） 4、 PID參數智能化控制的分析由上述介紹可以得知，水輪機調速器PID參數具體整定值與Tw和Ta有關，根據國內外對于水輪機調速器的相對穩(wěn)定性分析的結論：在單機工作時，水輪機調速器參數整定范圍應既能保證調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定，又要能獲得良好的動態(tài)品質。在與大電網并列工作時，調速器參數整定主要考慮調速器的速動性。實際上每一個工況，水輪機及負荷的參數均不同，為了獲得最佳的動態(tài)過程，均可找出一組特定的參數整定值。目前國內生產的微機調速器調節(jié)器主要采用兩組參數。大多數電站一組參數按單機空載工況整定，另一組按與大電網并列運行工況整定。所以前一組參

7、數較大，以保證穩(wěn)定性；后一組參數較小，以保證速動性。兩組參數可自動切換，一般采用調速器內部的工況轉換系統(tǒng)自動識別。Tw水流慣性時間常數（s）； Ta機組慣性時間常數（s）；該參數具體定義如下：水輪機過水管道存在著水流慣性，通常用水流慣性時間常數Tw來表述： （1-7）式中： A每段過水管道的截面積（m2）； L相應每段過水管道的長度（m）； v相應每段過水管道內的流速（m/s）； g重力加速度（m/s2）；Tw水流慣性時間常數（s）。水流慣性時間常數Tw的物理概念是：在額定水頭Hr作用下，過水管道內的流量Q由0加大至額定流量Qr所需要的時間。水輪發(fā)電機組存在著機械慣性，可用機組慣性時間常數Ta

8、來表述： （1-8）式中： 額定轉速時機組的慣性矩（kg·m2）； Mr機組額定轉矩（N·m）； GD2機組飛輪力矩（kN·m2）； nr機組額定轉速（r/min）； Pr機組額定功率（kW）； Ta機組慣性時間常數（s）。 機組慣性時間常數Ta的物理概念是：在額定力矩Mr作用下，機組轉速n由0上升至額定轉速nr所需要的時間。由上述公式可得知，當電站修建完成后，壓力鋼管直徑、長度、水頭、機組功率、轉速、基本都為定值，可得機組慣性時間常數Ta和水流慣性時間常數Tw。Ø 國外研究情況【2】對于調速器參數的整定，在國外有大量的研究，通過計算機的計算，主要的采用

9、的是斯坦因和克里夫琴科提出的推薦值。斯坦因建議：Tn0.5Tw，BpBt1.5Tw/Ta，Td3Tw （1-9）而克里夫琴科根據水輪機調節(jié)系統(tǒng)在階越符合擾動作用下，過渡過程的調節(jié)時間Tp和最大超調量來評判動態(tài)品質?？死锓蚯倏平ㄗh：TnTw， Bt×Ta22.5Tw，Td11.5Tw （1-10）國內研究情況【1】 相對于Ta和Tw的PID參數的整定范圍區(qū)間如下： （1-11） 例如：某電站通過設計院查的當前機組的Ta=10.7s,Tw=2.65s，那么根據公式1-11可得：Tn0.5×2.65=1.325s37%<Bt<74%7.95s<Td<15.

10、9s由上述計算可知，當機組Tw和Ta一定的情況下，可使機組調速器的PID參數能夠在一定范圍內。初步結論為：大型混流式機組由于其Ta和適中的Tw，故其Bt和Ta可按往小的方向整定，而對于貫流式機組，由于其流量較大，故其Tw較大而Ta較小，所以PID參數中的Bt和Td往大值方向整定。PID參數智能化控制的實現對于當前大中型水電站的調速器產品，目前對于微機調節(jié)器采用的集中數據采集單元采用的主要為PLC或其他的控制器，與其接口的人機界面目前主要采用的是平板液晶電腦，由于其集成了Windows的操作系統(tǒng)和大的存儲設備，采用豐富的開發(fā)工具，例如C+Builder、VB、VC等等，是的參數的整定判斷成為可能。實現的步驟如下：輸入水輪機組的Tw和Ta，使其固化在平板液晶電腦中，作為數據判斷用。根據Ta和Tw，計算出調速器系統(tǒng)PID參數的整定范圍，并給予一定的裕度。對于滿足公式1-9，1-10，或1-11要求的參數準予下發(fā)至微機調節(jié)器中。而對于明顯不合理的PID參數例如：Bt20，Td16s的PID參數一定對用戶提醒，按此整定的PID參數會給機組帶來振蕩的后果。如用戶一定要求使用該組參數，則經過再次確認后仍可下發(fā)至微機調節(jié)器。該參數整定的流程如圖5圖5 PID參數智能化整定流程圖隨著當前大中型水電站