CN108131238B - 一种抑制水锤压力波动的pid控制方法 - Google Patents

一种抑制水锤压力波动的pid控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抑制水锤压力波动的新型PID控制方法。通过获取机组频率与进水口压力值两项变量，加权计算获得初始变量值，经过一次比例环节、二次比例环节、积分环节、微分环节叠加，输出控制指令；将控制指令输出至水轮机调速器控制系统，以抑制调节过程中发生的水锤压力波动现象。本发明方法应用于水轮机调速器开度控制，以满足对调节水锤引起的功率波动的控制要求。

Description

一种抑制水锤压力波动的PID控制方法
技术领域
本发明涉及水轮机控制领域，特别是一种抑制水锤压力波动的PID控制方法。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展，电力装机容量与电力负荷均飞速增长，电力系统的调峰调频能力成为制约电力系统发展的突出问题。为满足电力系统调峰调频需求，国家颁布《电网运行准则》等一些列规范导则，对电站调频做出了详细要求及规范。但水电站由于水流体本身的物理特性，在调节过程中会由“水锤”效应导则功率“反调”现象，这对电力系统稳定是具有十分不利的影响的。而在传统调节方法的基础上进行优化无法在“反调”抑制与调节速率要求上达到两全，因此，研究更先进的控制规律和策略存在其必然性与紧迫性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制水锤压力波动的PID控制方法，以克服传统控制方法中存在相关缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种抑制水锤压力波动的PID控制方法，包括如下步骤，
步骤S1、获取当前周期机组频率与设定频率差值作为第一差值，获取当前周期与上一周期蜗壳压力差值作为第二差值，将满足预设条件第一差值与满足预设条件的第二差值求差，作为初始变量；
步骤S2、当初始变量满足相应条件后，经过一次比例环节、二次比例环节、非线性积分环节、微分环节叠加，输出控制指令；
步骤S3、将控制指令输出至水轮机调速器控制系统，以抑制调节过程中发生的水锤压力波动现象。
在本发明一实施例中，所述步骤S1中，计算依据如下：
M＝M1–kM2
其中，M为初始变量，M1为当前周期机组频率减去设定频率的差值，即第一差值，M2为当前周期蜗壳压力减去上一周期蜗壳压力的差值，即第二差值，K1为预设条件1，K2为预设条件2，k为修正系数。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中，输出量由下式确定：
Figure GDA0002297940170000021
其中，P(k)为当前控制周期对应的比例项，Kp1为一次比例增益系数，Kp2为二次比例增益系数，Ki为积分增益系数，Kd为微分增益系数，Tw为水流惯性时间常数。
在本发明一实施例中，输出量u(t)可进行下列离散；其中比例环节根据下式确定：
Figure GDA0002297940170000022
其中，Kp1为一次比例增益系数，Kp2为二次比例增益系数，Tw为水流惯性时间常数，Δt为采样周期，意为向上取整；
积分环节根据下式确定：
Figure GDA0002297940170000024
其中，I(k)为当前周期对应的积分项，Ki为积分增益系数，Δt为采样周期；
微分环节根据下式确定：
Figure GDA0002297940170000025
其中，D(k)为当前周期对应的微分项，Kd为微分增益系数，T1v为微分衰减时间常数，Δt为采样周期；
目标PID计算公式为：
U(k)＝P(k)+I(k)+D(k)
其中，U(k)为输出控制量。
在本发明一实施例中，所述PID控制方法应用于水轮机调节控制领域，以满足对调节水锤引起的功率波动的控制要求。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种抑制水锤压力波动的PID控制方法，控制方式为机组转动频率与蜗壳压力双输入控制，改进了传统PID线性控制方式，利用二阶比例环节及非线性积分有效控制调节水锤压力波动，抑制功率反调现象的发生。
附图说明
图1控制系统系统逻辑框图。
图2为本发明中PID控制器原理示意图。
图3为本发明中PID控制方法动作过程示意图。
图4为传统PID控制方法动作过程示意图。
图5为本发明中PID控制方法功率曲线示意图。
图6为传统PID控制方法功率曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种抑制水锤压力波动的PID控制方法，包括如下步骤，
步骤S1、获取当前周期机组频率与设定频率差值作为第一差值，获取当前周期与上一周期蜗壳压力差值作为第二差值，将满足预设条件第一差值与满足预设条件的第二差值求差，作为初始变量；
步骤S2、当初始变量满足相应条件后，经过一次比例环节、二次比例环节、非线性积分环节、微分环节叠加，输出控制指令；
步骤S3、将控制指令输出至水轮机调速器控制系统，以抑制调节过程中发生的水锤压力波动现象。
所述步骤S1中，计算依据如下：
M＝M1–kM2
Figure GDA0002297940170000031
其中，M为初始变量，M1为当前周期机组频率减去设定频率的差值，即第一差值，M2为当前周期蜗壳压力减去上一周期蜗壳压力的差值，即第二差值，K1为预设条件1，K2为预设条件2，k为修正系数。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中，输出量由下式确定：
Figure GDA0002297940170000032
其中，Kp1为一次比例增益系数，Kp2为二次比例增益系数，Ki为积分增益系数，Kd为微分增益系数，Tw为水流惯性时间常数。
输出量u(t)可进行下列离散；其中比例环节根据下式确定：
Figure GDA0002297940170000041
其中，P(k)为当前控制周期对应的比例项，Kp1为一次比例增益系数，Kp2为二次比例增益系数，Tw为水流惯性时间常数，Δt为采样周期，
Figure GDA0002297940170000042
意为向上取整；
积分环节根据下式确定：
Figure GDA0002297940170000043
其中，I(k)为当前周期对应的积分项，Ki为积分增益系数，Δt为采样周期；
微分环节根据下式确定：
Figure GDA0002297940170000044
其中，D(k)为当前周期对应的微分项，Kd为微分增益系数，T1v为微分衰减时间常数，Δt为采样周期；
目标PID计算公式为：
U(k)＝P(k)+I(k)+D(k)
其中，U(k)为输出控制量。
所述PID控制方法应用于水轮机调节控制领域，以满足对调节水锤引起的功率波动的控制要求。
以下为本发明的具体实施例。
水轮机调速系统通过改变水轮机导叶开度以改变水轮发电机组出力与转速，在电力系统中电力用户的负荷随时都在变化，电力系统负荷在很大范围内不断波动，因此需要通过调速系统调节出力保障系统频率稳定。控制系统系统逻辑框图如图1，控制系统通过测频元件获得机组频率fg信号ug，将ug与给定频率fc对应的uc的差值信号△uf做为输入量m1。通过压力传感器获取水轮机蜗壳压力值信号，将相邻周期upn与upn+1的差值信号△up作为输入量m2。得到控制器输入量m为：
Figure GDA0002297940170000045
其中k为放大/缩小修正系数。
当m＞0时，表示机组频率小于给定值或机组蜗壳压力减小，由水轮发电机运动方程(其中J为机组转动惯量，ω为机组转动角速度，Mt为水轮机动力距，Mg为发电机阻力矩)及水轮机动力距公式
Figure GDA0002297940170000052
(其中ρ为水密度，H为水轮机水头，Q为水轮机流量，η为水轮机效率)可知，频率减小或蜗壳压力减小时，机组功率降低，因此控制器发增指令，执行机构向开方向运动，增大进口流量Q，提高水轮机出力Mt；反之当m＜0时，表示机组频率大于给定值或机组蜗壳压力增大，此时控制器发减指令，执行机构向关方向运动，减小进口流量Q，降低水轮机出力Mt。
微机PID控制器接受到控制信号后，经过预设的一次比例、二次比例、非线性积分环节、微分环节加权后，连续、线性地将其转化为相应的模拟信号，再通过随动系统对电/液或电/机转换元件输出，控制水轮机接力器以既定规律运动，推动水轮机调节系统正常工作。其中改进PID控制器原理示意图如图2，输出值u(m)表示式为：
Figure GDA0002297940170000053
根据拉普拉斯变换公式：
Figure GDA0002297940170000054
变换后得到拉布拉斯方程U(s)，其表示式为：
Figure GDA0002297940170000055
对(2)式进行离散后PID计算公式为：
Figure GDA0002297940170000056
其中P(k)为比例项，包含以一次比例增益系数Kp1，二次比例增益系数Kp2表示的双比例项，I(k)为积分项，其中Ki为微分增益系数，Δt为采样周期，D(k)为微分项，KD为微分增益系数。
当考虑水轮机调速系统调差反馈时，式(5)变换为：
其中bp为调差系数，Y为输出控制反馈。
输出值电信号u(m)经综合放大器放大后，再由电液转换装置进行液压放大，控制导叶按既定规律开启/关闭，推动导水机构进行流量控制。
在本实例中，提供一典型水电站调速系统，通过Matlab进行动作模拟，其中一次比例增益系数Kp1＝1，二次比例增益系数Kp2＝3，积分增益系数Ki＝7，微分增益系数KD＝0，水流惯性时间常数Tw＝2，调差系数bp＝3.5％。当PID系统接到频率偏差0.3Hz的扰动时，忽略压力波动，系统响应过程如图3所示。图4为比例增益系数Kp＝4，积分增益系数Ki＝7，微分增益系数KD＝0，水流惯性时间常数Tw＝2，调差系数bp＝3.5％，传统PID调节过程输出。仿真水轮发电机组功率输出，当扰动量0.3Hz时，使用本申请PID控制方法，功率曲线示意图如图5所示，初始功率52.5％额定负荷，调节过程由于“压力水锤”效应功率反调降至52.1％，反调功率为0.8％。图6为传统PID控制方法功率曲线示意图，初始功率52.5％额定负荷，调节过程由于“压力水锤”效应功率反调降至50.5％，反调功率为3.8％，可见本申请PID控制方法可降低反调功率79％。
在实施例中，通过在某水电站仿真模型中进行调节过程仿真，分别使用传统PID控制方式及本文论述的一种抑制水锤压力波动的PID控制方式进行调节动作过程仿真，对比两种调节方式，可见使用新型在保障调节过程快速动作、无超调的同时显著降低调节功率反调，保障调节稳定性需求。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种抑制水锤压力波动的PID控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤S1、获取当前周期机组频率与设定频率差值作为第一差值，获取当前周期与上一周期蜗壳压力差值作为第二差值，将满足预设条件第一差值与满足预设条件的第二差值求差，作为初始变量；
步骤S2、当初始变量满足相应条件后，经过一次比例环节、二次比例环节、非线性积分环节、微分环节叠加，输出控制指令；
步骤S3、将控制指令输出至水轮机调速器控制系统，以抑制调节过程中发生的水锤压力波动现象；所述步骤S1中，计算依据如下：
M＝M1–kM2
Figure FDA0002297940160000011
其中，M为初始变量，M1为设定频率减去当前周期机组频率的差值，即第一差值，M2为当前周期蜗壳压力减去上一周期蜗壳压力的差值，即第二差值，K1为预设条件1，K2为预设条件2，k为修正系数；
所述步骤S2中，输出量由下式确定：
Figure FDA0002297940160000012
其中，Kp1为一次比例增益系数，Kp2为二次比例增益系数，Ki为积分增益系数，Kd为微分增益系数，Tw为水流惯性时间常数，变量t表示时间。
2.根据权利要求1所述的一种抑制水锤压力波动的PID控制方法，其特征在于：输出量u(t)可进行下列离散；其中比例环节根据下式确定：
Figure FDA0002297940160000013
其中，P(k)为当前控制周期对应的比例项，Kp1为一次比例增益系数，Kp2为二次比例增益系数，Tw为水流惯性时间常数，Δt为采样周期，
Figure FDA0002297940160000014
意为向上取整，变量k表示周期数，变量n表示周期差值常数；
积分环节根据下式确定：
其中，I(k)为当前周期对应的积分项，Ki为积分增益系数，Δt为采样周期；
微分环节根据下式确定：
Figure FDA0002297940160000021
其中，D(k)为当前周期对应的微分项，Kd为微分增益系数，T1v为微分衰减时间常数，Δt为采样周期；
目标PID计算公式为：
U(k)＝P(k)+I(k)+D(k)
其中，U(k)为输出控制量。
3.根据权利要求1所述的一种抑制水锤压力波动的PID控制方法，其特征在于：所述PID控制方法应用于水轮机调节控制领域，以满足对调节水锤引起的功率波动的控制要求。
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