CN116044645A - 一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，属于水电机组控制技术领域，该方法解决了前馈控制存在稳定误差、控制精度不高的问题，同时解决了反馈控制参数难以整定的问题，提高了水电机组功率控制的响应速度与稳态精度，本发明主要技术特征是：根据给定功率和一次调频信号形成的目标功率和当前的工作水头，由前馈控制直接产生所需的控制输出，较反馈控制具有调节速度快、无过调的现象，同时通过反馈修正对前馈控制进行修正，使前馈控制具有自学习的功能，最终能使前馈控制实现高精度调节，本发明适用于水轮机调速器的并网控制。

Description

一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法

技术领域

本发明涉及水轮发电机组功率控制技术领域，具体地指一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法。

背景技术

在电力系统中，水电机组承担了大量的调峰调频任务。水电机组应根据电网调度要求和电网频率变化情况，及时快速地调整水电机组的输出功率，以满足电网有功功率平衡和频率调节的需要。对于并网水电机组，为满足电网的调节需要，大量采用功率调节模式进行调节。传统的功率调节模式为反馈控制方式，其利用目标功率与实际功率的差值，按照一定的功率规律产生水轮机接力器控制输出。传统调节模式对调节参数整定的要求较高，当控制参数过大时，容易出现振荡与过调；而当控制参数较小时，调节速度又往往不能满足要求，加上水轮机特性的非线性影响，在现有功率调节模式下，当水头与开度变化时，需根据工况的变化采用不同的控制参数，因此，难以在各种不同工况下取得良好的控制效果。基于以上原因，水电行业提出了前馈控制算法，根据当前运行水头和目标功率，依据水电机组的功率特性计算出当前对应的接力器行程，直接用于控制输出。该方法能保证不同工况下均具有较快的调整速度和较小的超调，但该方法为开环控制，控制精准度取决于前馈控制值的准确度。由于很难精准地知道水电机组的功率输出特性，再加之水头测量的不准确性，该种方法难以实现精确的功率控制，需加以修正。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，在保证前馈控制快速、超调小的优点的同时，减小前馈控制的误差、提高前馈控制的稳态精度。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，它包括如下步骤：

S1、目标功率形成：功率给定信号模块得到的功率给定信号和一次调频信号模块得到的一次调频信号送至目标功率形成模块形成目标功率信号；该信号分别送至前馈控制模块、前馈修正模块和误差形成模块；

S2、前馈控制信号产生：前馈控制模块根据水头测量模块测量的水头信号与目标功率形成模块输出的目标功率信号，按照事先建立的前馈控制算法产生对应的导叶接力器控制信号，并输出至控制输出模块；

S3、前馈修正信号产生：前馈修正模块根据水头测量模块测量的水头信号与目标功率形成模块输出的目标功率信号，按照前馈修正算法产生对应的导叶接力器控制修正信号，并输出至控制输出模块；

S4、反馈控制信号产生：目标功率形成模块输出的目标功率信号与功率测量模块测量的实际功率信号输入到误差形成模块中形成功率偏差信号，根据偏差信号大小再由反馈控制模块按照一定的算法形成校正信号，并输出至控制输出模块；

S5、控制信号输出部分：前馈控制模块输出的开度信号和前馈修正模块的输出信号及反馈控制模块的输出信号送至控制输出模块，在该模块中将上述三个信号进行叠加，然后产生控制输出信号；

S6、前馈修正调整部分：稳定后，误差形成模块的输出信号为0，此时，若反馈控制模块的输出为0，则表示前馈控制能精准地调节水电机组输出功率；若反馈控制模块的输出不为0，则表示前馈控制存在一定的稳态误差；当误差形成模块的输出信号为0持续超过一定时间T1时触发调整启动逻辑模块，取当前的反馈控制模块的输出值作为修正目标值送入修正值调整模块，对前馈修正模块的值进行修正；修正完成后，反馈控制模块趋近于0。

优选地，步骤S1具体包括如下步骤：

S11、由功率给定信号模块得到给定功率C_p；

S12、由一次调频信号模块得到一次调频功率f_p；

S13、由目标功率形成模块得到目标功率P_set；

P_set＝C_p+f_p

优选地，步骤S2具体包括如下步骤：

S21、由水头测量模块测量水轮机当前工作水头H；

S22、根据水头测量模块的水头信号H和步骤1形成的目标功率信号P_set，直接由前馈控制模块得到当前对应的导叶接力行程y_f：

y_f＝g(H,P_set)

y_f＝g(H,P_set)为事先建立的水轮发电机组输出功率与工作水头、导叶接力器行程的关系曲线，该关系曲线可以用机组功率与水头为坐标、导叶接力器行程为输出的三维表，也可以用神经网络(NN)来表述，即：

y_f＝NN(H,P_set)

优选地，步骤S3具体包括如下步骤：

S31、根据水头测量模块的水头信号H和步骤1形成的目标功率信号P_set，直接由前馈修正模块得到当前对应的导叶接力行程修正值y_m：

y_m＝m(H,P_set)

y_m＝m(H,P_set)为以工作水头和目标功率为坐标的10*10的二维表，若前馈表非常准确，则该二维表内的值全部为0，初始状态下该表内的值为0。

优选地，步骤S4具体包括如下步骤：

S41、由功率测量模块测量机组的实际功率信号P；

S42、由步骤1形成的目标功率P_set与测量到的实际功率P通过误差形成模块形成功率偏差信号P_e；

P_e＝P_set-P

S43、根据误差形成模块形成的功率偏差，按一定控制规律由反馈控制模块产生反馈控制输出信号；反馈控制采用积分控制方法：

y_b＝∫K_i·P_e

式中：K_i为积分系数，取固定常数。

优选地，步骤S5具体包括如下步骤：

控制输出信号由前馈控制模块输出的开度信号、前馈修正模块的输出信号及反馈控制模块的输出信号三者叠加：

y_c＝y_f+y_m+y_b

优选地，步骤S6具体包括如下步骤：

S61、稳定后，误差形成模块的输出信号为0，此时，若反馈控制模块的输出为0，则表示前馈控制能精准调节水电机组输出功率；

S62、若反馈控制模块的输出不为0，则表示前馈控制存在一定的稳态误差，当误差形成模块的输出信号为0持续超过一定时间T1时触发调整启动逻辑模块；

S63、若调整启动逻辑模块有输出，取当前的反馈控制模块的输出值作为修正目标值送入修正值调整模块；

y_mm＝y_b

S64、对前馈修正模块的值进行修正：

式中，H₁与H₂为与H相邻的两个表格点的水头值；

P₁与P₂为与P_set相邻的两个表格点的功率值；

y_m11为H₁与P₁点对应的修正值，y_m12为与H₁与P₂对应的修正值；y_m21为与H₂与P₁对应的修正值；y_m22为与H₂与P₂对应的修正值；

S65、修正完成后，将反馈控制模块输出趋近于0。

本发明的有益效果：

1、本发明针对水电机组功率前馈控制存在稳态误差的不足，在保证前馈控制快速、超调小的优点的同时，减小前馈控制的误差、提高前馈控制的稳态精度。

2、本发明保留了前馈控制调节速度快的优点，能保证各种工况下功率调节速度响应性的要求。

3、本发明通过前馈修正，解决开环控制的调节精度问题，保证了功率调节的精度。

4、本发明无需参数整定，即可保证较好的动态调节性能和静态调节精度。

5、本发明解决了前馈控制存在稳定误差、控制精度不高的问题，同时解决了反馈控制参数难以整定的问题，提高了水电机组功率控制的响应速度与稳态精度，本发明主要技术特征是：根据给定功率和一次调频信号形成的目标功率和当前的工作水头，由前馈控制直接产生所需的控制输出，较反馈控制具有调节速度快、无过调的现象，同时通过反馈修正对前馈控制进行修正，使前馈控制具有自学习的功能，最终能使前馈控制实现高精度调节，本发明适用于水轮机调速器的并网控制。

附图说明

图1为一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，它包括如下步骤：

S1、目标功率形成：功率给定信号模块得到的功率给定信号和一次调频信号模块得到的一次调频信号送至目标功率形成模块形成目标功率信号；该信号分别送至前馈控制模块、前馈修正模块和误差形成模块；

S2、前馈控制信号产生：前馈控制模块根据水头测量模块测量的水头信号与目标功率形成模块输出的目标功率信号，按照事先建立的前馈控制算法产生对应的导叶接力器控制信号，并输出至控制输出模块；

S3、前馈修正信号产生：前馈修正模块根据水头测量模块测量的水头信号与目标功率形成模块输出的目标功率信号，按照前馈修正算法产生对应的导叶接力器控制修正信号，并输出至控制输出模块；

S4、反馈控制信号产生：目标功率形成模块输出的目标功率信号与功率测量模块测量的实际功率信号输入到误差形成模块中形成功率偏差信号，根据偏差信号大小再由反馈控制模块按照一定的算法形成校正信号，并输出至控制输出模块；

S5、控制信号输出部分：前馈控制模块输出的开度信号和前馈修正模块的输出信号及反馈控制模块的输出信号送至控制输出模块，在该模块中将上述三个信号进行叠加，然后产生控制输出信号；

S6、前馈修正调整部分：稳定后，误差形成模块的输出信号为0，此时，若反馈控制模块的输出为0，则表示前馈控制能精准地调节水电机组输出功率；若反馈控制模块的输出不为0，则表示前馈控制存在一定的稳态误差；当误差形成模块的输出信号为0持续超过一定时间T1时触发调整启动逻辑模块，取当前的反馈控制模块的输出值作为修正目标值送入修正值调整模块，对前馈修正模块的值进行修正；修正完成后，反馈控制模块趋近于0。

优选地，步骤S1具体包括如下步骤：

S11、由功率给定信号模块得到给定功率C_p；

S12、由一次调频信号模块得到一次调频功率f_p；

S13、由目标功率形成模块得到目标功率P_set；

P_set＝C_p+f_p

优选地，步骤S2具体包括如下步骤：

S21、由水头测量模块测量水轮机当前工作水头H；

S22、根据水头测量模块的水头信号H和步骤1形成的目标功率信号P_set，直接由前馈控制模块得到当前对应的导叶接力行程y_f：

y_f＝g(H,P_set)

y_f＝g(H,P_set)为事先建立的水轮发电机组输出功率与工作水头、导叶接力器行程的关系曲线，该关系曲线可以用机组功率与水头为坐标、导叶接力器行程为输出的三维表，也可以用神经网络(NN)来表述，在本实施例中，采用事先训练好的含有20个隐层节点的BP神经网络表示：

y_f＝NN(H,P_set)

优选地，步骤S3具体包括如下步骤：

S31、根据水头测量模块的水头信号H和步骤1形成的目标功率信号P_set，直接由前馈修正模块得到当前对应的导叶接力行程修正值y_m：

y_m＝m(H,P_set)

y_m＝m(H,P_set)为以工作水头和目标功率为坐标的10*10的二维表，若前馈表非常准确，则该二维表内的值全部为0，初始状态下该表内的值为0。

优选地，步骤S4具体包括如下步骤：

S41、由功率测量模块测量机组的实际功率信号P；

S42、由步骤1形成的目标功率P_set与测量到的实际功率P通过误差形成模块形成功率偏差信号P_e；

P_e＝P_set-P

S43、根据误差形成模块形成的功率偏差，按一定控制规律由反馈控制模块产生反馈控制输出信号；一般，反馈控制可采用比例+积分的控制方法。为简化起见，在本实施例中采用了积分控制方法：

y_b＝∫K_i·P_e

式中：K_i为积分系数，在本实施例中，K_i取较小的固定常数。

优选地，步骤S5具体包括如下步骤：

控制输出信号由前馈控制模块输出的开度信号、前馈修正模块的输出信号及反馈控制模块的输出信号三者叠加：

y_c＝y_f+y_m+y_b

优选地，步骤S6具体包括如下步骤：

S61、稳定后，误差形成模块的输出信号为0，此时，若反馈控制模块的输出为0，则表示前馈控制能精准调节水电机组输出功率；

S62、若反馈控制模块的输出不为0，则表示前馈控制存在一定的稳态误差，当误差形成模块的输出信号为0持续超过一定时间T1时触发调整启动逻辑模块；

S63、若调整启动逻辑模块有输出，取当前的反馈控制模块的输出值作为修正目标值送入修正值调整模块；

y_mm＝y_b

S64、对前馈修正模块的值进行修正：

式中，H₁与H₂为与H相邻的两个表格点的水头值；

P₁与P₂为与P_set相邻的两个表格点的功率值；

y_m11为H₁与P₁点对应的修正值，y_m12为与H₁与P₂对应的修正值；y_m21为与H₂与P₁对应的修正值；y_m22为与H₂与P₂对应的修正值；

S65、修正完成后，将反馈控制模块输出趋近于0。

下面以具体算例展开：

S11、由功率给定信号模块得到给定功率C_p＝0.7；

S12、由一次调频信号模块得到一次调频功率f_p＝0.00；

S13、由目标功率形成模块得到目标功率P_set；

P_set＝C_p+f_p＝0.7

S21、由水头测量模块测量水轮机当前工作水头H＝1.05；

S22、根据水头测量模块的水头信号H和步骤1形成的目标功率信号P_set，直接由前馈控制模块得到当前对应的导叶接力行程y_f：

y_f＝g(H,P_set)

y_f＝g(H,P_set)为事先建立的水轮发电机组输出功率与工作水头、导叶接力器行程的关系曲线，该关系曲线可以用机组功率与水头为坐标、导叶接力器行程为输出的三维表，也可以用神经网络(NN)来表述，在本实施例中，采用事先训练好的含有20个隐层节点的BP神经网络表示：

y_f＝NN(H,P_set)＝0.4766

S31、根据水头测量模块的水头信号H和步骤1形成的目标功率信号P_set，直接由前馈修正模块得到当前对应的导叶接力行程修正值y_m：初始状态下导叶接力行程修正值y_m＝0；

y_m＝m(H,P_set)

y_m＝m(H,P_set)为以工作水头和目标功率为坐标的10*10的二维表，若前馈表非常准确，则该二维表内的值全部为0，初始状态下该表内的值为0。

S41、由功率测量模块测量机组的实际功率信号P＝0.690；

S42、由步骤1形成的目标功率P_set与测量到的实际功率P通过误差形成模块形成功率偏差信号P_e；

P_e＝P_set-P＝0.035

S43、根据误差形成模块形成的功率偏差，按一定控制规律由反馈控制模块产生反馈控制输出信号；一般，反馈控制可采用比例+积分的控制方法。为简化起见，在本实施例中采用了积分控制方法：

y_b＝∫K_i·P_e＝0.0069

式中：K_i为积分系数，在本实施例中，K_i取较小的固定常数0.14。

步骤S5：控制输出信号由前馈控制模块输出的开度信号、前馈修正模块的输出信号及反馈控制模块的输出信号三者叠加：

y_c＝y_f+y_m+y_b＝0.4835

S61、稳定后，误差形成模块的输出信号为0，此时，若反馈控制模块的输出为0，则表示前馈控制能精准调节水电机组输出功率；

S62、若反馈控制模块的输出不为0(不在误差范围内)，则表示前馈控制存在一定的稳态误差，当误差形成模块的输出信号为0持续超过一定时间T1时触发调整启动逻辑模块；

S63、若调整启动逻辑模块有输出，取当前的反馈控制模块的输出值作为修正目标值送入修正值调整模块；

y_mm＝y_b＝0.0069

S64、对前馈修正模块的值进行修正：

式中，H₁与H₂为与H相邻的两个表格点的水头值；

P₁与P₂为与P_set相邻的两个表格点的功率值；

y_m11为H₁与P₁点对应的修正值，y_m12为与H₁与P₂对应的修正值；y_m21为与H₂与P₁对应的修正值；y_m22为与H₂与P₂对应的修正值。

根据y_m11、y_m12、y_m21、y_m22计算出来y_m＝0.0107，y_f+y_m＝0.4766+0.0107＝0.4873。

S65、修正完成后，将反馈控制模块输出趋近于0，此时y_b＝0.0003。

在本实施例中，修正前反馈控制模块输出为0.0069，修正后反馈控制模块输出为0.0003。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、目标功率形成：功率给定信号模块得到的功率给定信号和一次调频信号模块得到的一次调频信号送至目标功率形成模块形成目标功率信号；该信号分别送至前馈控制模块、前馈修正模块和误差形成模块；

S2、前馈控制信号产生：前馈控制模块根据水头测量模块测量的水头信号与目标功率形成模块输出的目标功率信号，按照事先建立的前馈控制算法产生对应的导叶接力器控制信号，并输出至控制输出模块；

S3、前馈修正信号产生：前馈修正模块根据水头测量模块测量的水头信号与目标功率形成模块输出的目标功率信号，按照前馈修正算法产生对应的导叶接力器控制修正信号，并输出至控制输出模块；

S4、反馈控制信号产生：目标功率形成模块输出的目标功率信号与功率测量模块测量的实际功率信号输入到误差形成模块中形成功率偏差信号，根据偏差信号大小再由反馈控制模块按照一定的算法形成校正信号，并输出至控制输出模块；

S5、控制信号输出部分：前馈控制模块输出的开度信号和前馈修正模块的输出信号及反馈控制模块的输出信号送至控制输出模块，在该模块中将上述三个信号进行叠加，然后产生控制输出信号；

S6、前馈修正调整部分：稳定后，误差形成模块的输出信号为0，此时，若反馈控制模块的输出为0，则表示前馈控制能精准地调节水电机组输出功率；若反馈控制模块的输出不为0，则表示前馈控制存在一定的稳态误差；当误差形成模块的输出信号为0持续超过一定时间T1时触发调整启动逻辑模块，取当前的反馈控制模块的输出值作为修正目标值送入修正值调整模块，对前馈修正模块的值进行修正；修正完成后，反馈控制模块趋近于0。

2.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，其特征在于：步骤S1具体包括如下步骤：

S11、由功率给定信号模块得到给定功率C_p；

S12、由一次调频信号模块得到一次调频功率f_p；

S13、由目标功率形成模块得到目标功率P_set；

P_set＝C_p+f_p。

3.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，其特征在于：步骤S2具体包括如下步骤：

S21、由水头测量模块测量水轮机当前工作水头H；

S22、根据水头测量模块的水头信号H和步骤1形成的目标功率信号P_set，直接由前馈控制模块得到当前对应的导叶接力行程y_f：

y_f＝g(H,P_set)

y_f＝g(H,P_set)为事先建立的水轮发电机组输出功率与工作水头、导叶接力器行程的关系曲线，该关系曲线可以用机组功率与水头为坐标、导叶接力器行程为输出的三维表，也可以用神经网络(NN)来表述，即：

y_f＝NN(H,P_set)。

4.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，其特征在于：步骤S3具体包括如下步骤：

S31、根据水头测量模块的水头信号H和步骤1形成的目标功率信号P_set，直接由前馈修正模块得到当前对应的导叶接力行程修正值y_m：

y_m＝m(H,P_set)

y_m＝m(H,P_set)为以工作水头和目标功率为坐标的10*10的二维表，若前馈表非常准确，则该二维表内的值全部为0，初始状态下该表内的值为0。

5.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，其特征在于：步骤S4具体包括如下步骤：

S41、由功率测量模块测量机组的实际功率信号P；

S42、由步骤1形成的目标功率P_set与测量到的实际功率P通过误差形成模块形成功率偏差信号P_e；

P_e＝P_set-P

S43、根据误差形成模块形成的功率偏差，按一定控制规律由反馈控制模块产生反馈控制输出信号；反馈控制采用积分控制方法：

y_b＝∫K_i·P_e

式中：K_i为积分系数，取固定常数。

6.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，其特征在于：步骤S5具体包括如下步骤：

控制输出信号由前馈控制模块输出的开度信号、前馈修正模块的输出信号及反馈控制模块的输出信号三者叠加：

y_c＝y_f+y_m+y_b。

7.根据权利要求1所述的一种水轮发电机组调速器功率前馈控制修正方法，其特征在于：步骤S6具体包括如下步骤：

S61、稳定后，误差形成模块的输出信号为0，此时，若反馈控制模块的输出为0，则表示前馈控制能精准调节水电机组输出功率；

S62、若反馈控制模块的输出不为0，则表示前馈控制存在一定的稳态误差，当误差形成模块的输出信号为0持续超过一定时间T1时触发调整启动逻辑模块；

S63、若调整启动逻辑模块有输出，取当前的反馈控制模块的输出值作为修正目标值送入修正值调整模块；

y_mm＝y_b

S64、对前馈修正模块的值进行修正：

式中，H₁与H₂为与H相邻的两个表格点的水头值；

P₁与P₂为与P_set相邻的两个表格点的功率值；

y_m11为H₁与P₁点对应的修正值，y_m12为与H₁与P₂对应的修正值；y_m21为与H₂与P₁对应的修正值；y_m22为与H₂与P₂对应的修正值；

S65、修正完成后，将反馈控制模块输出趋近于0。

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