CN105449698A - 一种新型水电机组负荷与频率控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型水电机组负荷与频率控制器，在传统控制器基础上，将导叶开度反馈变更为水电机组的负荷反馈，并在控制器出口设置变参数限速模块，利用限速解决负荷反馈带来的额外风险和机组控制系统可能产生的水击问题，通过限制最大关闭速度来控制水击。本发明在经典水电机组PID控制器的基础上，从水击和调频原理出发，在控制器内加入水击力控制环节，可从源头上有效限制水击力的幅度，避免执行机构动作速度的过度限制，在保护设备安全的条件下，提高机组的调频能力，对提高水电机组的一次调频品质和电网的频率稳定性具有重要的作用。

Description

一种新型水电机组负荷与频率控制器

技术领域

本发明涉及电力系统自动控制技术领域，尤其涉及一种新型水电机组负荷与频率控制器。

背景技术

水击是水电机组调节系统面临的一个重要的问题，尤其是在关闭导叶的过程中，过快的关闭速度会可能引起较大的水击，并造成设备的损坏。通常认为该水击力与关闭速度和阀位都有关，因此现有机组的执行机构随开关方向及阀位位置不同选择不同时间常数的接力器动作，避免过大水击的发生。

现有水电调节系统执行机构的原理框图如图1所示，图中P_cv为阀位指令，下标cv表示控制阀，K_P1为电液转换PID控制器的比例放大环节的倍数，下标P表示电液转换PID控制器的比例环节，下标1起区别作用，K_D1为电液转换PID控制器的微分放大环节的倍数，下标D表示电液转换PID控制器的微分环节，下标1起区别作用，T_1v1为电液转换PID控制器的微分时间常数，下标1v表示电液转换器实际微分时间常数，下标1起区别作用，K_I1为电液转换PID控制器的积分放大环节倍数，下标I表示电液转换PID控制器的积分环节，下标1起区别作用，T_o为接力器开启时间常数，下标o为open的首字母表示开启，T_c1为接力器的第一关闭时间常数，T_c2为接力器的第二关闭时间常数，T_c3为接力器的第三关闭时间常数，下标c为close的首字母表示开启，下标1、2和3起区别作用，T₂为接力器阀位行程反馈环节(LVDT)时间，下标2起区别作用，P_Gv为导叶开度，下标Gv表示导叶。阀位指令P_cv与来自接力器阀位行程反馈信号之差形成控制偏差，送入电液转换PID控制器并经指令限幅生成最终作用于接力器的控制信号。该控制一般通过多个选择器来控制实际油动机或接力器的动作速度，相当于实际执行机构的多个固定的动作速度档位。图1中采用三个选择器，选择器中间虚线连接端为控制端，根据控制端信号的数值选择上端或下端的一路输入作为最终的输出。第一选择器根据接力器控制信号是开或关，选择接力器的开启时间常数或三个关闭时间常数之一，最终控制接力器行程的开关速度。第二选择器和第三选择器的控制端与接力器阀位行程反馈信号相连，根据实际接力器阀位行程的反馈选择三个不同等级的关闭时间常数，也即控制不同开度水平时采用不同的关闭速度。通常在开度较大的情况下可采用较快的关闭速度，开度较小时容易产生较大的水击，因此多采用较小的关闭速度，以防水击的破坏。水电机组在开大导叶的时候采用固定的接力器开启时间常数T_o，而在关小导叶时，根据较低的导叶开度范围，依次选择更低的接力器关闭时间常数T_c1、T_c2和T_c3。这种控制方法在各时间常数作用的控制段间的转折点存在较大的突变，且采用的分段控制方式非常粗糙，需要设置十分苛刻的限制，以避免极限情况的水击问题，控制速度受到了极大的限制，从而常常因大部分工况下极大的保护性裕度设置而牺牲了调节系统的品质。

现有水电机组负荷与频率控制器的原理框图如图2所示，图中C_f为给定频率，f为反馈的频率，E_f为频率控制死区模块，K_P为电液转换PID控制器的比例放大环节的倍数，下标P表示电液转换PID控制器的比例环节，K_D为电液转换PID控制器的微分放大环节的倍数，下标D表示电液转换PID控制器的微分环节，T_1v为电液转换PID控制器的微分时间常数，下标1v表示电液转换器实际微分时间常数，K_I为电液转换PID控制器的积分放大环节倍数，下标I表示电液转换PID控制器的积分环节，b_p为永态转差率，下标p表示永态转差，E_y为负荷控制死区模块，下标y表示负荷，C_y为给定人工负荷，下标y表示负荷，P_Gv为导叶开度，下标Gv表示导叶。给定频率C_f与实际机组反馈的频率f的偏差经频率控制死区模块E_f环节，形成电液转换PID控制器的输入，电液转换PID控制器的比例、微分和积分环节合成总的控制输出，并叠加给定人工负荷C_y，最终经输出指令限幅后输入到执行机构控制水轮机导叶的开关。给定人工负荷C_y与实际导叶开度P_Gv之差经负荷控制死区模块E_y后由永态转差率b_p变换到实际调节偏差，与电液转换PID控制器的输入一起送入电液转换PID控制器的积分环节，利用积分控制稳态可消除偏差的能力，保障电网一次调频要求的负荷与频率偏差之间的一次调频考核指标的实现。电液转换PID控制器的积分环节可消除稳态控制偏差，即保证机组的负荷变化与电网频率偏差之间满足电网规定的永态转差率设置的调节幅度的要求，但从图中可以看出，永态转差入口的负荷偏差一般采用的是执行机构反馈的导叶开度P_Gv，而不是机组的实际负荷反馈，导叶开度P_Gv与实际负荷之间因蓄水水位及调节非线性等原因，一般都不能线性对应，因此电网频率调节要求的一次调频幅度则得不到有效的保障，不利于电网频率的稳定调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型水电机组负荷与频率控制器，能够调节水电机组的负荷与频率，有效提高水电机组的一次调频品质和电网的频率稳定性。

本发明采用的技术方案为：一种新型水电机组负荷与频率控制器，包括频率控制死区模块、第一电液转换PID控制器、永态转差增益模块、负荷控制死区模块、第一限幅器和执行机构，给定频率与反馈频率经过第一加法器连接频率控制死区模块的信号输入端，频率控制死区模块的信号输出端连接第一电液转换PID控制器的输入端，第一电液转换PID控制器的三个信号输出端均经第二加法器连接第一限幅器的信号输入端，第一限幅器的信号输出端连接执行结构的信号输入端，给定人工负荷通过第三加法器连接负荷控制死区模块的信号输入端，负荷控制死区模块的信号输出端通过永态转差连接第四加法器的信号输入端，第四加法器的信号输出端连接第一电液转换PID控制器的积分控制器的信号输入端，给定人工负荷还连接第二加法器的信号输入端，在第一限幅器和执行机构之间还设置有用于对第一电液转换PID控制器的输出进行限速控制的变参数限速模块，第三加法器的信号输入端还连接有水电机组的负荷。

所述的变参数限速模块包括变参数限速器和限速参数生成器。

所述限速参数生成器根据公式生成控制参数；式中，P_Gv为执行机构反馈即导叶开度反馈，下标Gv表示导叶；H为当前水轮机水头；F_R为设置的最大水击力限制目标，下标R表示给定值；其中f(P_Gv,H)为水轮机输出功率相对于导叶开度的变化速率的函数；P_e为水电机组的负荷，下标e为electricity首字母，表示电信号；K_F为惯性系数，下标F表示惯性；K为水电机组出力系数；η为水电机组的总效率。

所述的变参数限速模块还包括用于对限速参数生成器内的计算函数进行修正和标定的修正模块。

所述的修正模块利用水电机组的负荷P_e、当前水轮机水头H和导叶开度反馈P_Gv，采用线性回归或多次样条拟合的方法对限速参数生成器的函数进行在线的修正和标定。

所述的执行结构包括第二电液转换PID控制器、第二限幅器、比例控制模块、接力器和行程反馈模块，变参数限速模块的信号输出端通过第五加法器连接第二电液转换PID控制器的信号输入端，第二电液转换PID控制器的信号输出端连接第二限幅器的信号输入端，第二信号限幅器的信号输出端通过连接比例控制模块连接接力器的信号输入端，接力器的信号输出端连接行程反馈模块的信号输入端，行程反馈模块的信号输出端连接第五加法器的信号输入端。

所述的比例控制模块的比例参数为1/T_L，T_L为接力器最大开关时间常数，下标L表示接力器。

本发明在经典水电机组PID控制器的基础上，从水击和调频原理出发，在控制器内加入水击力控制环节，可从源头上有效限制水击力的幅度，避免执行机构动作速度的过度限制，在保护设备安全的条件下，提高机组的调频能力，对提高水电机组的一次调频品质和电网的频率稳定性具有重要的作用。

附图说明

图1为现有水电调节系统执行机构的原理框图；

图2为现有水电机组负荷与频率控制器的原理框图；

图3为本发明所述的水电机组负荷与频率控制器的原理框图；

图4为本发明所述的水电机组负荷与频率控制器的具体结构示意图。

具体实施方式

如图3和图4所示，本发明包括频率控制死区模块E_f、第一电液转换PID控制器、永态转差增益模块、负荷控制死区模块E_y、第一限幅器和执行机构，给定频率C_f与反馈频率f经过第一加法器连接频率控制死区模块E_f的信号输入端，频率控制死区模块E_f的信号输出端连接第一电液转换PID控制器的信号输入端，第一电液转换PID控制器的三个信号输出端均经第二加法器连接第一限幅器的信号输入端，第一限幅器的信号输出端连接执行结构的信号输入端，给定人工负荷C_y通过第三加法器连接负荷控制死区模块E_y的信号输入端，负荷控制死区模块E_y的信号输出端通过永态转差增益模块连接第四加法器的信号输入端，第四加法器的信号输出端连接第一电液转换PID控制器的积分控制器的信号输入端，给定人工负荷C_y还连接第二加法器的信号输入端，在第一限幅器和执行机构之间还设置有用于对第一电液转换PID控制器的输出进行限速控制的变参数限速模块，第三加法器的信号输入端还连接有水电机组的负荷P_e。

所述的变参数限速模块包括变参数限速器和限速参数生成器。

所述限速参数生成器根据公式生成控制参数；式中，P_Gv为执行机构反馈即导叶开度反馈，下标Gv表示导叶；H为当前水轮机水头；F_R为设置的最大水击力限制目标，下标R表示给定值；其中f(P_Gv,H)为水轮机输出功率相对于导叶开度的变化速率的函数，P_e为水电机组的负荷，下标e为electricity首字母，表示电信号；K_F为惯性系数，下标F表示惯性，约等于水电机组引水道长度；K为水电机组出力系数，当流量为质量流量，其它参数为国际单位时，该系数为重力加速度；η为水电机组的总效率。

所述的变参数限速模块还包括用于对限速参数生成器内的计算函数进行修正和标定的修正模块。

所述的修正模块利用水电机组的负荷P_e、当前水轮机水头H和导叶开度反馈P_GV，采用线性回归或多次样条拟合的方法对限速参数生成器的函数进行在线的修正和标定。

所述的执行结构包括第二电液转换PID控制器、第二限幅器、比例控制模块、接力器和行程反馈模块，变参数限速模块的信号输出端通过第五加法器连接第二电液转换PID控制器的信号输入端，第二电液转换PID控制器的信号输出端连接第二限幅器的信号输入端，第二信号限幅器的信号输出端通过连接比例控制模块连接接力器的信号输入端，接力器的信号输出端连接行程反馈模块的信号输入端，行程反馈模块的信号输出端连接第五加法器的信号输入端。

所述的比例控制模块的比例参数为1/T_L，T_L为接力器的最大开关时间常数，下标L表示接力器。

水电机组的功率可表示为：

P_e＝KηGH(1)

式中，P_e为水电机组的负荷，下标e为electricity首字母，表示电信号；K为水电机组出力系数，当流量为质量流量，其它参数为国际单位时，该系数为重力加速度；η为水电机组效率；G为流过水轮机组的质量流量；H为当前水轮机水头。

水击是由于引水道中的水流惯性引起的，当流量发生变化即产生惯性力，水击力可表示为：

$F=K_F\frac{dG}{dt}---\left(2\right)$

式中，K_F为惯性系数，下标F表示惯性，约等于水电机组引水道长度。

根据将公式(1)代入公式(2)可得，

$F=\frac{K_F}{K\mathrm{\η}H}\frac{{\mathrm{dP}}_e}{dt}---\left(3\right)$

由式(3)可知，只要限制机组的负荷的变化速度即可控制住机组的水击作用力。但实际机组的控制指令限速并不能解决水击保护问题，其主要原因是控制指令作用于导叶开度，而导叶开度与负荷之间存在非线性关系，该关系主要与导叶开度P_Gv和水头H等运行参数相关，即

$F=\frac{K_F}{K\mathrm{\η}H}\frac{{\mathrm{dP}}_e}{dt}=\frac{K_F}{K\mathrm{\η}H}\frac{\∂P_e}{\∂P_{Gv}}\frac{{\mathrm{dP}}_{Gv}}{dt}$

式中， $\frac{\∂P_e}{\∂P_{GV}}\≈f(P_{GV},H)$

因此，要满足F<F_R，只需满足，

$\frac{{\mathrm{dP}}_{Gv}}{dt}<\frac{F_R}{g(P_{Gv},H)}$

式中，即控制水击力只需限制的最大关闭速度V_max即可，下标max表示最大值。

本发明在传统控制器基础上，将导叶开度反馈变更为水电机组的负荷反馈，并在控制器出口设置变参数限速模块，利用限速解决负荷反馈带来的额外风险和机组控制系统可能产生的水击问题。根据前文分析可知，控制水击只需限制最大关闭速度V_max即可，其中未知函数g(P_Gv,H)可设计数据进行计算，并在系统运行过程中，不断通过修正模块进行修正，因g(P_Gv,H)本身主要可变因素为电负荷与执行机构输出导叶开度之间的非线性关系曲线，该曲线可在在线测量数据基础上，根据分段线性回归或多次样条拟合这些经典算法不断进行在线修正，这部分修正算法就构成修正模块，在运行过程中自动维护设置的曲线g(P_Gv,H)的自然变化。

当电网频率出现偏差，实际机组的负荷为反馈信号，作用于第一电液转换PID控制器的积分控制回路，只有当积分输入为0时，第一电液转换PID控制器才能停止动作，此时，电功率与电网频率偏差之间必然完全满足电网要求的永态转差b_p设置的一次调频幅度要求，此外，第一电液转换PID控制器输出的变化速度被严格限制在给定水击力限制要求内，这样实际导叶开度变化速度从源头上避免关闭速度过快引起水击问题，无需分段进行动作速度限制，充分利用执行机构动作速度潜力。综上所述，本发明充分利用了执行机构的动作速度，提高了一次调频的速度和精度，对机组调节性能和电网一次调频都具有重要的作用。

Claims (7)

1.一种新型水电机组负荷与频率控制器，包括频率控制死区模块、第一电液转换PID控制器、永态转差增益模块、负荷控制死区模块、第一限幅器和执行机构，给定频率与反馈频率经过第一加法器连接频率控制死区模块的信号输入端，频率控制死区模块的信号输出端连接第一电液转换PID控制器的输入端，第一电液转换PID控制器的三个信号输出端均经第二加法器连接第一限幅器的信号输入端，第一限幅器的信号输出端连接执行结构的信号输入端，给定人工负荷通过第三加法器连接负荷控制死区模块的信号输入端，负荷控制死区模块的信号输出端通过永态转差连接第四加法器的信号输入端，第四加法器的信号输出端连接第一电液转换PID控制器的积分控制器的信号输入端，给定人工负荷还连接第二加法器的信号输入端，其特征在于：在第一限幅器和执行机构之间还设置有用于对第一电液转换PID控制器的输出进行限速控制的变参数限速模块，第三加法器的信号输入端还连接有水电机组的负荷。

2.根据权利要求1所述的一种新型水电机组负荷与频率控制器，其特征在于：所述的变参数限速模块包括变参数限速器和限速参数生成器。

3.根据权利要求2所述的一种新型水电机组负荷与频率控制器，其特征在于：所述限速参数生成器根据公式生成控制参数；式中，P_Gv为执行机构反馈即导叶开度反馈，下标Gv表示导叶；H为当前水轮机水头；F_R为设置的最大水击力限制目标，下标R表示给定值；其中f(P_Gv,H)为水轮机输出功率相对于导叶开度的变化速率的函数；P_e为水电机组的负荷，下标e为electricity首字母，表示电信号；K_F为惯性系数，下标F表示惯性；K为水电机组出力系数；η为水电机组的总效率。

4.根据权利要求2或3所述的一种新型水电机组负荷与频率控制器，其特征在于：所述的变参数限速模块还包括用于对限速参数生成器内的计算函数进行修正和标定的修正模块。

5.根据权利要求4所述的一种新型水电机组负荷与频率控制器，其特征在于：所述的修正模块利用水电机组的负荷P_e、当前水轮机水头H和导叶开度反馈P_Gv，采用线性回归或多次样条拟合的方法对限速参数生成器的函数进行在线的修正和标定。

6.根据权利要求1、2、3或5任一项权利要求所述的一种新型水电机组负荷与频率控制器，其特征在于：所述的执行结构包括第二电液转换PID控制器、第二限幅器、比例控制模块、接力器和行程反馈模块，变参数限速模块的信号输出端通过第五加法器连接第二电液转换PID控制器的信号输入端，第二电液转换PID控制器的信号输出端连接第二限幅器的信号输入端，第二信号限幅器的信号输出端通过连接比例控制模块连接接力器的信号输入端，接力器的信号输出端连接行程反馈模块的信号输入端，行程反馈模块的信号输出端连接第五加法器的信号输入端。

7.根据权利要求6所述的一种新型水电机组负荷与频率控制器，其特征在于：所述的比例控制模块的比例参数为1/T_L，T_L为接力器最大开关时间常数，下标L表示接力器。