水輪機調(diào)節(jié)技術的發(fā)展與展望

第六章水輪發(fā)電機組ICMMS研究與教學平臺的研制PAGE114水輪機調(diào)節(jié)技術的發(fā)展與展望武漢大學程遠楚輝2007年猾6月水輪機調(diào)節(jié)技術的發(fā)展與展望PAGE11年水電機組控最制的任務與汪種類惡水電機組控綁制設備主要朗完成水輪發(fā)貌電機組的操出作、調(diào)節(jié)、歇控制和事故雖保護。主要那有：皺調(diào)節(jié)（控制遠）系統(tǒng)：水襲輪機調(diào)速系車統(tǒng)煮節(jié)發(fā)電機勵磁鑒系統(tǒng)炭操作（控制親）與監(jiān)視系妻統(tǒng)：計算機串監(jiān)控系統(tǒng)，蟲同期裝置瞞事故保護：牽發(fā)電機繼電勻保護，機組懂過速保護等朽輔機控制系服統(tǒng)烘二．水電機野組控制系統(tǒng)協(xié)的特點易水電機組控女制系統(tǒng)是一辮個水－機－毫電過程相互舉影響、相互堂制約的復雜缸系統(tǒng)，它具遮有時變（被摸控對象的結測構和參數(shù)均蜓隨時間和運銜行工況的改愿變而變化）義、非線性、光非最小相位并等復雜特性駁，常規(guī)控制替器難以滿足墊其對控制性換能指標和穩(wěn)嘴定性的要求桌。另一方面鳳，由于水電升機組控制系腳統(tǒng)的性能指撥標與穩(wěn)定性求，直接關系絡到水電廠與六整個電力系筋統(tǒng)的安全運昆行、供電品物質(zhì)及經(jīng)濟效撲益，水電機底組的安全控怕制與優(yōu)化控文制一直是該錦領域研究的濫核心問題，調(diào)也是長期存躁在的理論和覺技術難題。篇隨著控制技釋術的發(fā)展，盞水電機組控奔制系統(tǒng)的控胃制規(guī)律也在育不斷地發(fā)展靜和完善。從戚定參數(shù)翅PI譽、眉PID艘到變參數(shù)陪PID[1訊]旦，從常規(guī)控丘制到變結構賓控制、勵磁途系統(tǒng)附加穩(wěn)杠定控制(P卸SS)，水模輪機調(diào)節(jié)系諒統(tǒng)和發(fā)電機向勵調(diào)節(jié)系統(tǒng)雕的性能得到妄了不斷的提情高。勻但隨著單機奮容量的增大稻，長距離輸閉電線路的增腰加，水電廠臉無人值班、洗少人值守的衛(wèi)實施，對水靠電機組控制義系統(tǒng)的性能兇指標提出了友更高的要求義。如在建的復三峽水電站哥，其機組容寺量大，水頭床變幅大，運牌行范圍變化據(jù)寬（有功從擔0霧（空載）－竭700MW鐘；初期水頭餐61嬌米－最高水姥頭付113臥米）；再加鼓上水電機組藍運行工況的那變化及電網(wǎng)范負荷的變動巧導致系統(tǒng)動瞞態(tài)特性的變?；^難預暖測?；陔x沿線模型陶[1]飽的適應式Ｐ藥ＩＤ變參數(shù)史難以保證調(diào)辰節(jié)系統(tǒng)在不削同的工況下竭均有較好的每動態(tài)品質(zhì)。訂另一方面，賀互聯(lián)電網(wǎng)容震量的不斷擴辛大，為提高鍛電力系統(tǒng)的頸暫態(tài)穩(wěn)定性瑞，往往采用豈高頂值電壓舍的快速勵磁誘系統(tǒng)，由此蒸可能使長輸均電線弱聯(lián)系乖的大型電力搬系統(tǒng)阻尼嚴間重削弱。機問械械模式阻借尼的缺乏，告會引發(fā)互聯(lián)組系統(tǒng)中出現(xiàn)增每分鐘只有陳幾個周波至叼幾十個周波起的低頻自激某振蕩。這種霧振蕩的加劇父會破壞發(fā)電毛機組間的并課列運行。大愧容量機組的聾普遍采用，宜遠距離、超晶高壓、大功啦率輸電系統(tǒng)雨的不斷出現(xiàn)沸，不但使小慌干擾穩(wěn)定問狂題和由于系蝶統(tǒng)阻尼不足議引起的低頻快振蕩成為一尖個嚴重的問準題，電力系豈統(tǒng)在大干擾美下的穩(wěn)定問何題也成為一淋個突出的問故題。一旦電崇力系統(tǒng)的穩(wěn)允定遭到破壞證，會導致電森力系統(tǒng)的崩浴潰和瓦解，坐從而給國民資經(jīng)濟和人民曉生活帶來巨殃大的損失。變在這方面，卻我國過有多來次慘痛的教少訓，美國、風日本、歐洲攀等也曾發(fā)生廈過多起電力灑系統(tǒng)瓦解的左事故[2]扛。領長期以來，徒就如何保證因和提高電力田系統(tǒng)的安全事穩(wěn)定性進行校了大量的研到究，提出了券許多有效的毛控制措施和興方法。其中星，改善控制秩系統(tǒng)的性能閣、提高控制膽系統(tǒng)的品質(zhì)貌是最主要的教方法。因此疼，為提高大勵型互聯(lián)系統(tǒng)女的穩(wěn)定性，宗為改善水電滿機組的控制績性能，基于白現(xiàn)代控制理涉論的自適應妙控制[3肚]芒、變結構時述變參數(shù)自完追善控制百[極4工][趴5濁]畝、模型參考消多變量最優(yōu)鹿控制孔[屑6廚][環(huán)7靠]堤、魯棒控制燒[刷8素][維9炸]夕等的有關水臟輪機調(diào)節(jié)系益統(tǒng)的控制模欠型和控制方迫法也被提出件并進行了大零量的理論研大究。然而，言由于需要被辭控對象的精師確數(shù)學模型亡，而水電機版組的數(shù)學模請型至今尚未岸完全建立，鍋特別是水輪憤機特性，因漠具有嚴重的衣非線性，只沙能以圖表或見曲線的方式寨給出，參數(shù)青估計和參數(shù)沙辨識較為困溝難，故未能享得到很好的換實際應用。趨基于現(xiàn)代控斑制理論的勵牧磁系統(tǒng)最優(yōu)洲控制[10按,11]、悶非線性控制俗[12,1工3]、自適概應PSS[賽14,15本]等進行了溪大量的試驗漲研究，有些傍還在實際中武得到了應用逐。紹近年來，隨揭著智能控制滿技術的出現(xiàn)予，基于專家乞系統(tǒng)、模糊勇邏輯和神經(jīng)揪網(wǎng)絡及遺傳伶算法的水電適機組智能控卷制規(guī)律被提陵了出來芝[饒16-26傅]僑，并引起了掀一股研究熱板潮。毛智能控制作絕為一門新興蒙的理論和技推術，其發(fā)展不得益于許多視學科，其中揪，包括人工嫂智能、現(xiàn)代艇自適應控制披、最優(yōu)控制影、生物控制濫、學習理論冊、模糊控制容、神經(jīng)網(wǎng)絡障及再勵學習傲等草[臥27匹]膠。智能控制睜理論發(fā)展時腎間不長，理牙論體系尚不穴完整，但發(fā)利展很快。智盈能控制系統(tǒng)地因其特有的肅自學習功能競、自組織功湊能、良好的駱自適應性能日，已在生物皆、農(nóng)業(yè)、地待質(zhì)、軍事、護空間技術、膊環(huán)境科學等宣領域得到了贏應用。研究主者認為：智用能控制的發(fā)父展和完善必迷將引起控制楚領域的全面億革命喜[斜28,29勻]該。五目前，智能紡控制的研究到已從單學科宋研究發(fā)展成駛為多學科理恩論交叉研究知[廉27,29著-32灶]窩。大量的研計究表明，智室能控制是提毒高水電機組武控制系統(tǒng)的戰(zhàn)魯棒性和適呆應性的有效捏方法和途徑爛。然而，由野于智能控制濤理論尚不完暑善，智能控墻制在實際工求程中應用的帥結果與理論匪研究的結果沾尚有不小的繞差距。特別無是對像水電悉機組控制系津統(tǒng)這樣一類績性能指標要擊求較高、運憐行域變化較釋大、參數(shù)變脈化較為劇烈衡的時變且存諸在隨機擾動皆而又相對快科速的控制系初統(tǒng)，智能控么制的研究僅芒限于計算機行仿真和實驗侮室試驗，智嘴能控制的應仗用實例尚未余見到報導。尚水輪機調(diào)節(jié)暢系統(tǒng)的發(fā)展?jié)菜啓C調(diào)節(jié)昌系統(tǒng)是以水區(qū)輪機調(diào)速器熱作為控制器件，水輪發(fā)電馬機組作為被恐控對象所構滋成的閉環(huán)控貌制系統(tǒng)。水必輪機調(diào)節(jié)系陜統(tǒng)的基本任伴務，是根據(jù)虜負荷的變化良不斷地調(diào)節(jié)堤水輪發(fā)電機緊組的有功功愁率，以維持廚機組轉速夸(賠頻率諷)樸在規(guī)定的范內(nèi)圍內(nèi)。水輪財發(fā)電機組在釀電網(wǎng)中經(jīng)常個擔任調(diào)頻和睬調(diào)峰任務，膚開停機頻繁迅，其性能的脈好壞，自動該化水平的高糧低，直接影僻響到機組的配正常運行。岸因此，水輪范機調(diào)節(jié)系統(tǒng)禿的性能好壞佛，對電力系糧統(tǒng)的電能質(zhì)帝量蓬(虹頻率、電壓恨)奪及安全可靠蟲運行具有重余大的影響。去自水輪機問耕世之初起，悟便有了水輪彼機調(diào)速器。必隨著電子技肢術的控制理戶論的進步，燦水輪機調(diào)速波器得到了快包速地發(fā)展。觸在近一個世頃紀的發(fā)展中奔，水輪機調(diào)哪速器先后經(jīng)離歷了機械液糾壓型調(diào)速器寒、電氣液壓齡型調(diào)速器和洲微機調(diào)速器疼三個發(fā)展階葛段。咽機械液壓型反調(diào)速器以其模原理簡單、曬便于掌握等血特點，在相學當一段時間致內(nèi)得到了廣球泛的應用，報在上世紀雨50緩年代達到了填全盛時期，鋒但由于其靜昂、動態(tài)特性荷較差，而且紋存在機件磨臨損問題，因雪此其應用受麗到限制。杯上世紀40論年代未，隨廚著電子管式腹電氣液壓調(diào)輸速器的問世答，因其具有建響應快、精祥度高的優(yōu)點萬，逐步在電復力系統(tǒng)中得腦到了應用。港隨著晶體管婚式電液調(diào)速但器的問世，綁特別是上世撲紀漂70宣年代大規(guī)模砌集成電路技輝術發(fā)展迅速季，集成電路陣運算放大器鳳應用于水輪餓機調(diào)速器，親其控制性能陡進一步提高亮，模擬式電乞氣液壓型調(diào)洗速器迅速取蔑代了機械液乞壓式調(diào)速器智，得到了廣樸泛的應用。禍計算機技術與的飛速發(fā)展剛，促進了水挽輪機調(diào)速器婚的又一次飛氣躍。躲1982裝年渡ASEA恰公司引入微雙計算機技術況，研制出了慮出第一臺微圾機調(diào)速器。扮此后，法國旋的紛NEYRP扎IC礎、比利時的膝BCEC教、日本的馬HITAC文HI為、瑞士的欠SULZE傲R搭、美國的懼WOODW博ARD逗等大公司相立繼研制生產(chǎn)鬧出各種類型布的微機調(diào)速給器。在我國僚，炸華中科技大宴學與天津水悶電控制設備漂廠共同研制版開發(fā)了我國漲第一臺微機場調(diào)速器，于鳴1984符年在湖南歐甘陽海電站投暗入運行。應移該說，微機申調(diào)速器的出劃現(xiàn)是水輪機藥調(diào)速器發(fā)展晝的重大變革滑。與模擬式我電氣液壓調(diào)諸速器不同，壤微機調(diào)速器排在實現(xiàn)方法派上帶來了一筐次徹底的革蓬命，模擬式救調(diào)速器是完潑全由硬件電祖路實現(xiàn)的，飄因此任何控孫制策略上的亂變化都會導協(xié)致部分甚至年全部電氣裝驢置的改變，級這既提高了明成本，也給訪調(diào)速器的更獻新、改造以幕及更高級、粥復雜控制規(guī)胳律的實現(xiàn)帶域來了困難。雀而微機調(diào)速索器在實現(xiàn)方碑法上由硬件璃和軟件兩部急分構成，其慶控制功能的社實現(xiàn)由軟件假完成，因而棉帶來了很大明的靈活性。澆同時，微計芽算機強大的暖運算處理能厭力和邏輯功毀能為實現(xiàn)復擺雜控制功能嚇提供了基礎喊。自微機調(diào)拋速器問世以汽來，它以其鋤高性能/價玉格比、高精阿度和高可靠旗性及易于與棚水電站其它芳計算機控制何設備接口得奏到了迅速的冰推廣應用。寄由于微機調(diào)絞速器在實現(xiàn)述方法上與傳量統(tǒng)的水輪機躺調(diào)速器不同賠，其硬件結紙構、軟件配蠟置、容錯策顛略和可靠性摔措施是確保棒其高可靠性菜和良好的動城靜態(tài)性能的臥保證。為此請，在微機調(diào)尸速器的結構猾模式、功能漠設置、軟件青設計和容錯脅措施方面進培行了大量的箱研究麻[92-9塌8]夏，取得了豐貫碩的成果。臉調(diào)速器的模蒸式結構主要嫩有三類：顯緩沖式調(diào)速認器茫由暫態(tài)與永票態(tài)反饋元件銳及放大元件闊、主接力器勾等形成調(diào)節(jié)軟規(guī)律，這些宏元件的靜動商態(tài)特性和非偵線性因素對吩調(diào)節(jié)規(guī)律有佛影響，且轉乏速死區(qū)較大灘。暗圖1緩沖乏式調(diào)速器肺中間接力器重式調(diào)速器反由暫態(tài)與永攏態(tài)反饋元件講及放大元件卡、中間接力筍器等形成調(diào)遼節(jié)規(guī)律，由齒主配壓閥和遍主接力器組哥成液壓隨動逆系統(tǒng)進行功淋率放大并驅(qū)遠動導水機構爺，其優(yōu)點是彎控制規(guī)律形量成與導葉動削分開，調(diào)整槽方便，死區(qū)營較小，但隨蒼動系統(tǒng)存在喚機械反饋，屢對轉速死區(qū)私與動態(tài)性能陽有影響齡圖2中間息接力器式調(diào)臭速器瓣電子調(diào)節(jié)器響式調(diào)速器據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律準宏確，機構簡雨單，死區(qū)小近。朗圖3電子賀調(diào)節(jié)器式調(diào)估速器盡當前微機調(diào)視速器的實用何模式是：微端機控制器+市伺服系統(tǒng)，搞水輪機調(diào)速抗器的另一個尾發(fā)展是液壓純隨動系統(tǒng)的畢進步。近年扣來，在液壓抖伺服系統(tǒng)方恥面進行了大葡量的研究玩[99-1尚01]娛。這些研究雹成果主要體技現(xiàn)在以下幾豎個方面。膠實現(xiàn)手段。糾國內(nèi)先后開榆發(fā)出基于單池板機，單片槽機、響STD扭總線、可編茫程控制器馳(PLC)瞎，工業(yè)個人壇控制計算機暢(IPC)辯，可編程計志算機(PC擾C)等的微置機調(diào)速器。棍結構模式。呢在發(fā)展過程慨中，不少科始研單位對水國輪機調(diào)速器堅的結構模式泡進行了很多揉嘗試，大致妄有：單微機絕模式，雙微咬機模式，雙皇通道系統(tǒng)，釋混合型雙微率機并聯(lián)模式潑，完全雙通維道混合型并住聯(lián)模式，三玻微機冗余模嘩式等。然液壓伺服系出統(tǒng)?？傮w看方，一是提高碰調(diào)速系統(tǒng)油擾壓等級，與喇其它工業(yè)領決域中的液壓尤技術靠勢在暑必行，以實貸現(xiàn)集成化，假標準化，小昏型化。二是至在伺服系統(tǒng)椒在發(fā)展過程浸中方式上進壤行變革，以修提高抗油污倡能力和可靠報性，實現(xiàn)數(shù)汁學化控制。玻目前主要的考液壓伺服系守統(tǒng)結構模式疼有：電液伺籍服閥系統(tǒng)，揚比例閥伺服捆系統(tǒng)，步進昂電機伺服系塵統(tǒng)，直流電拔機或交流電愈機伺服系統(tǒng)穗，數(shù)學閥伺兵服系統(tǒng)等。破當前采用較競多的微機調(diào)幕速器的結構旦模式：愉a.電液炎轉換器/電寺液執(zhí)行機構刑型禁b.交流腔伺服/電液秧執(zhí)行機構型倍c.交流伺并服（直流伺懇服）中間接混力器/機械城液壓隨動系證統(tǒng)闖d.步進電終機/機械液鵲壓隨動系統(tǒng)碌e.三態(tài)旅閥數(shù)字式液壺壓隨動系統(tǒng)貌調(diào)速器是水候電站重要的億自動化設備夏，其性能的積好壞直接影狹響到電能質(zhì)悶量和電站的旺安全經(jīng)濟運歡行。近十多幕年來，由于班設計的改進前、高可靠性縮電液伺服閥別的研制、電照液隨動系統(tǒng)往的簡單化與區(qū)革新、工作框油壓的提高里、微機技術明的普遍采用社、加工和制業(yè)造工藝的提格高，使得現(xiàn)協(xié)代水輪機調(diào)摘速器的性能聯(lián)大為改觀，冰對水電站的加自動化水平閥的提高作出飾了巨大貢獻返。依四．鞭水輪機調(diào)速春器控制策略困研究豈隨著超高壓滾遠距離輸電原的大規(guī)?；ゾ新?lián)電力系統(tǒng)則的日益發(fā)展桐，高水頭大膏容量水輪機靠組和大容量歡抽水蓄能機臘組的出現(xiàn)，參用電部門對沉電能質(zhì)量要惕求不斷提高辟，對水輪機基調(diào)節(jié)系統(tǒng)的桶頻率調(diào)節(jié)品琴質(zhì)、調(diào)節(jié)穩(wěn)店定邊界、水名輪機發(fā)電效牽率、水機電匆聯(lián)合最佳控功制都提出了紙更高的要求鹽。質(zhì)原有的簡單漠控制方式已驕經(jīng)難以適應亦，它勢必要妹被更為復雜個、高級的現(xiàn)慰代控制理論著所替代。而坦控制理論的透發(fā)展，微機嚷調(diào)速器的大玉量使用使得炮新型控制規(guī)魔律在水輪機夕調(diào)節(jié)中的應由用成為可能數(shù)。遠在機械液壓霞型調(diào)速器時桂期，由于機睬械系統(tǒng)的局就限性，一直錦采用的是扎PI碌型控制規(guī)律植。直到電氣闊型調(diào)速器出巡現(xiàn)后才實現(xiàn)崗了顆PID公控制規(guī)律。嗎在這一時期膝，為解決水托輪機調(diào)速器頂?shù)膮?shù)整定伙問題，文獻被［102－善105］研企究了控制參宅數(shù)對調(diào)節(jié)性河能的影響，張文獻［10臺6］以留Roth-疑Hurwi勇tz螞穩(wěn)定性準則套導出了穩(wěn)定晌參數(shù)區(qū)域，限文獻［10股7,108吐］則給出P攻ID控制參言數(shù)的整定方萍法。目前主襲要應用的有書斯坦因公式芹和克里夫琴山科公式致[109]奸。頑挪在實際運行士過程中，水獻輪機的工況拆點是變化的夜，此時若仍兩然采用同一鐘組控制參數(shù)挑可能得不到像理想的控制么效果。付文獻陸[埋110栽]孔指出定參數(shù)首PID頸調(diào)節(jié)沒有考付慮控制對象濟非線性、時娘變等特性，侵以一組參數(shù)絮用于整個控判制域，無法孩獲得全工作朽域的最佳調(diào)慨節(jié)。文獻趁[赴1,蠢1刺11,11慧2伐]造根據(jù)槐變參數(shù)請PID榜的思想提出瀉了適應式控磨制規(guī)律，以火機組的運行深工況及工況贊點位置來決曠定當前的輕PID鎖控制參數(shù)。同文獻[11伸3]發(fā)展了車以負荷水平樓調(diào)整參數(shù)的白方法。文獻側[114]港通過求線性求二次型目標筍函數(shù)最小值纏得到線PID遼優(yōu)化參數(shù)?？嵛墨I[11龜5]則利用局遺傳算法來革優(yōu)化水輪機壁調(diào)速器的參砍數(shù)，文獻［黃116］研味究了在不同儲負荷下抽水豆蓄能機組調(diào)統(tǒng)速器的最優(yōu)哨參數(shù)整定問終題?？酚捎谡{(diào)節(jié)系系統(tǒng)的特性特賢別是非線性當、變結構變凝參數(shù)等，經(jīng)汁典控制理論練難以適應越藝來越高的調(diào)汗節(jié)要求，更虛為復雜、高鄰級的現(xiàn)代控看制理論的應科用成為必然雜。隨著現(xiàn)代命控制理論的是發(fā)展，基于注現(xiàn)代控制理肉論的自適應鄰控制遺[3歸]迫、變結構時旗變參數(shù)自完刻善控制忘[黃4,銷5,117拴]洪、模型參考瞞多變量最優(yōu)姥控制蕩[豪6節(jié)][勁7宋]甩、魯棒控制蒜[錦8均][艘9技]改、預測控清制倘[1施18轎]西、非線性補講償控制等的匆有關水輪機煙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的僑控制模型和矩控制方法也懷被提出并進棟行了大量的詞理論研究。仰經(jīng)典控制理植論基于線性違PID每控制，很難仆實現(xiàn)非線性辱系統(tǒng)的控制正，同時對系側統(tǒng)的參數(shù)適霧應性差?，F(xiàn)播代控制理論毛基于被控對喪象的精確數(shù)陣學模型設計絨，當被控對大象的信息缺擺乏時，就可搞能無法進行悔系統(tǒng)辨識和減系統(tǒng)結構重龍構。而所謂蹈適應性、魯指棒性都是在詢一定的范圍廣內(nèi)滿足一定償?shù)募s束條件鴿前提下實現(xiàn)魯?shù)摹Ｗ赃m應泰過多地依賴白于被控對象門的結構信息稼，控制效果騙取決于參考奏模型的正確突程度，它只繭適合于被控盒對象參數(shù)變婆化緩慢、非路線性不嚴重帆的場合，