CN109814372A - 基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法 - Google Patents

基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法 Download PDF

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Abstract

基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法，基于水头开度与有功功率协联曲线，在调速器处于功率模式下，采取先分段开环控制与后PID闭环控制相结合的方式，对机组有功功率进行快速精准调节。本发明旨在解决功率模式下采用常规PID闭环控制方式，调速器调节性能难以同时满足速动性好和超调量小的要求，调节过程易受水锤反作用和机组惯性作用的影响产生发散振荡以及控制过程需要多组PID参数配合且进行PID参数整定难度大等问题，实现机组有功功率的快速精确稳定控制。

Description

基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制 方法
技术领域
本发明属于水电站自动控制领域，具体涉及一种基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法。
背景技术
目前，水轮发电机组运行过程中，调速器功率模式下机组有功功率的调节采用PID闭环控制，这种单一的调节方式有以下几个不足之处：
1、PID闭环控制方式很难同时满足调节过程速动性好和超调量小的要求，只能采取折中的方式平衡取舍两方面需求。
2、PID闭环控制方式由于受到调节过程中水锤反作用和机组惯性作用的影响，很容易造成整个控制系统发散振荡。
3、PID闭环控制方式中一组PID控制参数往往适用性有限，不同的工况需要多组不同的PID控制参数配合使用才能满足调节性能要求。
4、PID参数整定过程复杂，难度大。首先需要对系统建模仿真寻找到最佳理论参数值，然后通过繁琐的人工真机试验校验，最后通过试验结果对比选取一组满足需求的最佳参数值。
为了弥补上述不足之处，需要探索一种全新的调速器功率模式控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法，旨在解决功率模式下采用常规PID闭环控制方式，调速器调节性能难以同时满足速动性好和超调量小的要求、调节过程易受水锤反作用和机组惯性作用的影响产生发散振荡以及控制过程需要多组PID参数配合且进行PID参数整定难度大等问题，实现机组有功功率的快速精确稳定控制。
本发明采取的技术方案为：
基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法，
基于水头开度与有功功率协联曲线，在调速器处于功率模式下，采取先分段开环控制与后PID闭环控制相结合的方式，对机组有功功率进行快速精准调节；
所述分段开环控制包括两段：第一段增益系数K1大于1，调节目标为从当前开度Y到K1*Y表，用于提高有功功率调节的速动性；第二段增益系数K2等于1，调节目标为从当前开度Y到K2*Y表，用于防止有功功率调节过程产生严重超调；第一段和第二段切换条件为：有功功率给定P给定与有功功率反馈P差值绝对值小于△P开；
所述PID闭环控制用于完成一种小范围有功功率变化范围的精确调整，只需要一组合适的PID参数即可，分段开环控制与PID闭环控制切换条件为：有功功率给定P给定与有功功率反馈P差值绝对值小于△P闭。
基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法，包括以下步骤：
步骤1：调速器电控系统初始化。
步骤2：调速器电控系统检测是否处于功率模式，若是，进入步骤3；否则，继续本检测；
步骤3：调速器电控系统检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4；否则，继续本检测；
步骤4：调速器电控系统根据监控系统下发的新的有功功率给定值P给定和当前机组水头h查表计算对应的导叶开度值Y表；
步骤5：调速器电控系统采用两段开环控制方式第一段控制方法，调整导叶开度和机组有功功率。
步骤6：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4，否则进入步骤7；
步骤7：调速器电控系统调整过程中，实时检测有功功率给定与有功功率反馈绝对值是否小于△P开，若是，进入步骤8；否则返回步骤6；
步骤8：调速器电控系统采用两段开环控制方式第二段控制方法，调整导叶开度和机组有功功率。
步骤9：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4。
步骤10：调速器电控系统调整过程中，实时检测有功功率给定与有功功率反馈绝对值是否小于△P闭，若是，进入步骤11；否则，返回步骤9；
步骤11：调速器电控系统采用PID闭环控制方式，调整导叶开度和机组有功功率。
步骤12：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4；否则继续本监测。
本发明一种基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法，技术效果如下：
1、本发明的调速器功率模式控制方法既有开环控制快速的特点，又有PID闭环控制精准的长处，从而同时满足了调节过程速动性好和超调量小的要求。
2、采用本发明的调速器功率模式控制方法可以通过分段开环控制避免调节过程中受到水锤反作用和机组惯性作用的影响，降低整个控制系统发散振荡的风险。
3、本发明的调速器功率模式控制方法中的闭环PID控制只需要一组合适的PID参数即可。
4、PID参数整定过程简单。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的调速器功率模式控制结构示意图。
图2是本发明的调速器功率模式控制方法流程图。
图3是本发明的调速器功率模式PID闭环控制示意图。
具体实施方式
基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法，基于水头开度与有功功率协联曲线，在调速器处于功率模式下，采取分段开环控制与PID闭环控制相结合的方式，对机组有功功率进行快速精准调节。
水头开度与有功功率协联曲线理论上为三维曲面，但实际工程应用中近似处理为相邻离散工况点的直线连线编织的三维折面。水头开度与有功功率协联曲线数据表记录了主机厂家提供的水头开度与对应有功功率离散工况点。水头开度与有功功率协联曲线数据表格如表1所示。表1中n、m、i都为正整数，1＜i≤n，1＜j≤m，Yi,j为Hi水头Pj有功功率对应的导叶开度。
表1水头开度与有功功率协联曲线原始数据表
H<sub>1</sub> H<sub>2</sub> … H<sub>i-1</sub> H<sub>i</sub> … H<sub>n-1</sub> H<sub>n</sub>
P<sub>1</sub> Y<sub>1,1</sub> Y<sub>2,1</sub> … Y<sub>i-1，1</sub> Y<sub>i，1</sub> … Y<sub>n-1,1</sub> Y<sub>n，1</sub>
P<sub>2</sub> Y<sub>1,2</sub> Y<sub>2,2</sub> … Y<sub>i-1，2</sub> Y<sub>i，2</sub> … Y<sub>n-1,2</sub> Y<sub>n，2</sub>
… … … … … … … … …
P<sub>j-1</sub> Y<sub>1，j-1</sub> Y<sub>2，j-1</sub> … Y<sub>i-1，j-1</sub> Y<sub>i，j-1</sub> … Y<sub>n-1,j-1</sub> Y<sub>n，j-1</sub>
P<sub>j</sub> Y<sub>1，j</sub> Y<sub>2，j</sub> … Y<sub>i-1，j</sub> Y<sub>i，j</sub> … Y<sub>n-1,j</sub> Y<sub>n，j</sub>
… … … … … … … … …
P<sub>m-1</sub> Y<sub>1，m-1</sub> Y<sub>2，m-1</sub> … Y<sub>i-1，m-1</sub> Y<sub>i，m-1</sub> … Y<sub>n-1,m-1</sub> Y<sub>n，m-1</sub>
P<sub>m</sub> Y<sub>1，m</sub> Y<sub>2，m</sub> … Y<sub>i-1，m</sub> Y<sub>i，m</sub> … Y<sub>n-1,m</sub> Y<sub>n，m</sub>
功率模式是水轮发电机组并网运行后，调速器选择的一种运行方式，该方式下，调速器接受水电站监控系统下达的的功率给定指令，调节目标为机组功率等于功率给定。
本发明方法采用先分段开环控制，后PID闭环控制的控制方法。
分段开环控制主要目的是完成一种大范围有功功率变化范围的快速调整，一般采用两段：
第一段调节目标为从当前开度Y到K1*Y表，用于提高有功功率调节的速动性。增益系数K1大于1，可以确保K1*Y表大于调速器电控系统根据监控系统下发的有功功率给定值P给定和当前机组水头h查表计算对应的导叶开度值Y表，从而增加有功功率调节的速度，减小调节到目标值的时间，提高有功功率调节的速动性。
第二段调节目标为从当前开度Y到K2*Y表，用于防止有功功率调节过程产生严重超调。增益系数K2等于1，可以确保最终的导叶开度调节目标为调速器电控系统根据监控系统下发的有功功率给定值P给定和当前机组水头h查表计算对应的导叶开度值Y表，功率的最终调节目标为监控系统下发的有功功率给定值P给定，从而避免有功功率调节过程产生严重超调。
第一段和第二段切换条件为：有功功率给定P给定与有功功率反馈P差值绝对值小于△P开。由于增益系数K1大于1，第一段调节过程导叶调节的速度偏快，最终的有功功率调节目标也会大于监控系统下发的有功功率给定值P给定，因此必须在有功功率出现超调前降低导叶的开度，为有功功率调节减速，故设计一个阈值△P开，当有功功率给定P给定与有功功率反馈P差值绝对值小于△P开时，在未达到监控系统下发的有功功率给定值P给定时，提前减速，进入第二段控制，避免有功功率调节过程产生严重超调。
分段开环控制避免调节过程中受到水锤反作用和机组惯性作用的影响，降低整个控制系统发散振荡的风险。
闭环PID控制主要目的是完成一种小范围有功功率变化范围的精确调整，只需要一组合适的PID参数即可。
分段开环控制与PID闭环控制切换条件为：有功功率给定P给定与有功功率反馈P差值绝对值小于△P闭。开环控制是基于水头开度与有功功率协联曲线进行控制的，不可避免与实际存在一定小幅偏差。闭环PID控制是一种基于负反馈控制系统的精确调整，可以自动消除控制偏差。因此有必要设计一个阈值△P闭，当进行分段开环控制时，有功功率给定P给定与有功功率反馈P差值绝对值小于△P闭时，进入PID闭环控制，消除控制偏差，实现有功功率的精确调整。
本发明的调速器功率模式控制方法，详细过程步骤如下：
步骤1：调速器电控系统初始化，对电控程序控制变量赋初值。
步骤2：调速器电控系统检测是否处于功率模式，若是，进入步骤3；否则，继续本检测。
步骤3：调速器电控系统检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4；否则，继续本检测。
步骤4：调速器电控系统根据监控系统下发的新的有功功率给定值P给定和当前机组水头h查表计算对应的导叶开度值Y表。
步骤5：调速器电控系统采用两段开环控制方式第一段控制方法，调整导叶开度和机组有功功率。
步骤6：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4，否则进入步骤7。
步骤7：调速器电控系统调整过程中，实时检测有功功率给定与有功功率反馈绝对值是否小于△P开，若是，进入步骤8；否则返回步骤6。
步骤8：调速器电控系统采用两段开环控制方式第二段控制方法，调整导叶开度和机组有功功率。
步骤9：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4。
步骤10：调速器电控系统调整过程中，实时检测有功功率给定与有功功率反馈绝对值是否小于△P闭，若是，进入步骤11；否则，返回步骤9。
步骤11：调速器电控系统采用PID闭环控制方式，调整导叶开度和机组有功功率。
步骤12：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4；否则继续本监测。

Claims (2)

1.基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法，其特征在于：
基于水头开度与有功功率协联曲线，在调速器处于功率模式下，采取先分段开环控制与后PID闭环控制相结合的方式，对机组有功功率进行快速精准调节；
所述分段开环控制包括两段：第一段增益系数K1大于1，调节目标为从当前开度Y到K1*Y表，用于提高有功功率调节的速动性；第二段增益系数K2等于1，调节目标为从当前开度Y到K2*Y表，用于防止有功功率调节过程产生严重超调；第一段和第二段切换条件为：有功功率给定P给定与有功功率反馈P差值绝对值小于△P开；
所述PID闭环控制用于完成一种小范围有功功率变化范围的精确调整，只需要一组合适的PID参数即可，分段开环控制与PID闭环控制切换条件为：有功功率给定P给定与有功功率反馈P差值绝对值小于△P闭。
2.基于水头开度与有功功率协联曲线的调速器功率模式控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：调速器电控系统初始化；
步骤2：调速器电控系统检测是否处于功率模式，若是，进入步骤3；否则，继续本检测；
步骤3：调速器电控系统检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4；否则，继续本检测；
步骤4：调速器电控系统根据监控系统下发的新的有功功率给定值P给定和当前机组水头h查表计算对应的导叶开度值Y表；
步骤5：调速器电控系统采用两段开环控制方式第一段控制方法，调整导叶开度和机组有功功率；
步骤6：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4，否则进入步骤7；
步骤7：调速器电控系统调整过程中，实时检测有功功率给定与有功功率反馈绝对值是否小于△P开，若是，进入步骤8；否则返回步骤6；
步骤8：调速器电控系统采用两段开环控制方式第二段控制方法，调整导叶开度和机组有功功率；
步骤9：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4；
步骤10：调速器电控系统调整过程中，实时检测有功功率给定与有功功率反馈绝对值是否小于△P闭，若是，进入步骤11；否则，返回步骤9；
步骤11：调速器电控系统采用PID闭环控制方式，调整导叶开度和机组有功功率；
步骤12：调速器电控系统调整过程中，实时检测水电站监控系统是否向调速器下发一个新的有功功率给定值P给定，若是，进入步骤4；否则继续本监测。
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