柬埔寨达岱电厂基于自适应控制策略的调速器系统分析

潘道明

（湖北清江水电开发有限责任公司达岱项目部，柬埔寨戈公省）

柬埔寨达岱电厂基于自适应控制策略的调速器系统分析

潘道明

（湖北清江水电开发有限责任公司达岱项目部，柬埔寨戈公省）

通过长距离压力隧洞引水的水轮发电机组，往往具有较大的水力时间常数，在引水隧洞后半段设置调压井是减小水力时间常数的方法。在高水头的水电站中，机组在甩负荷时，必然会引起转速和蜗壳压力超过标准规定值，调节导叶关闭规律可以改善转速和蜗壳压力上升率，也是一种最直接、最经济的方法。调速器针对不同的工况，选择最优的PID参数，就能提高机组的动态性能，文中还详细叙述了自适应控制策略和操作方法。

调速器；自适应；水锤效应；导叶分段关闭；参数优化

柬埔寨达岱电厂位于柬埔寨戈公省境内，电厂装机容量246MW，安装3台82MW的混流式水轮发电机组，设计年发电量8.49亿kW·h。机组采用一管三岔引水隧洞方式，引水隧洞全长9982.414m，在引水隧洞末端设置有调压井。水锤效应是影响水轮机调速器调节的一个重要因素，调速器不同关闭规律对调节系统性能有着重要影响，改变导叶分段关闭规律是解决水电站甩负荷时压力钢管压力上升率和混流式水轮机组转速上升率矛盾的重要措施［1］。

目前水轮机调速器的控制基本还是PID控制系统，PID参数的设置往往只是在机组投运时，通过现场调试结合经验公式设置一组参数［2］，当机组的工况改变时，固定参数的PID控制很难满足现代电力系统的需求［3］。变参数变结构的调速器通过判断机组的不同工况，相应改变PID参数，使系统性能达到最优。文中探讨了调速器自动适应工况的变参数变结构控制策略，以及实现变参数调结构的方法。发电机参数如下：

单台发电机容量：P=82MW；

额定水头：HP=188m；

额定转速：n=375r/min；

飞逸转速：nr=650r/min；

转轮直径：D=2.5m；

发电机转动惯量：GD2=1800t·m2；

调速器型号：SAFR-2000H。

1　调速器结构分析

传统的调速器系统参数主要是以PID结构作为基本结构，而调速器的PID参数通过理论计算给出参数范围，再经过现场调试，找到最优的参数，以作为机组运行的最佳参数。一般调速器只有一组固定的PID参数，不能根据不同的工况来调节参数，传统的PID传递函数如图1所示。

图1　传统PID传递函数方框图

由图1可以求出调速器PID传递函数如下：

达岱电厂的调速系统型号为SAFR-2000H，对系统结构进行了一定改进，将传统的永态转差系数的输入由PID综合输出，改为由积分环节输出，称为改进型PID结构。同时，还在结构上单独将导叶反馈单独成立一个闭环，称为副环，而PID环节称为主环。即频率环为主环，导叶环为副环，其结构如图2所示［4］。

图2　SAFR-2000H调速器改进型系统结构图

由图2可以求出调速器的主环的PID传递函数如下：

比较式（1）和式（2）两个传递函数，可以发现式（2）的传递函数的分子与式（1）的相同，则传递函数的零点相同，而分母则少了一阶，也就是改进型PID结构在传递函数上比传统PID传递函数少了一个极点。-bpKI为主导闭环极点，主导闭环极点对系统的动态性能具有主导作用［5］，效果要优于传统的闭环极点，这使得改进型PID结构拥有更好的调节性能，稳定域也更宽。在Matlab中对两个传递函数做阶跃响应仿真，响应图形如图3所示。

图3　系统阶跃响应图调速器的运行方式主要有：频率方式、开度方式和功率方式，由于功率闭环已经在监控系统中实现，在调速器本身就取消了功率闭环方式，所以，调速器正常运行时，只有频率方式和开度方式。在机组并网前采用频率方式，机组频率跟踪电网频率；机组并网之后采用开度方式，机组开度维持在给定开度。

2　系统分析

2.1水利因素分析

水利因素是影响机组稳定的一个重要因素，通过分析水利因素的大小来确定对机组运行的影响。电厂采用长距离隧洞引水方式，在引水隧洞后半段设置有溢流式调压井，压力钢管末端设计为“一主三岔”方式，三路支管分别对应三台机组，引水隧洞结构图如图4所示。

计算水力时间常数TW。

式中，TW为水力时间常数；LV∑为调压井后引水隧洞的每段长度与水的流速的乘积之和，4341m2/s［6］；g为重力加速度，9.81m/s2；HP为设计水头，188m。

由于水力时间常数计算值小于2.5s，在标准范围之内，机组可以正常运行。

2.2过渡过程分析

机组的过渡过程是指水力机组由一种稳定工况或状态转换到另一工况或状态的瞬时或短时间的变动过程［7］。引起机组过渡过程的原因主要有：增减负荷，电力系统振荡等。机组的过渡过程会导致水锤的变化，将水锤的变化率控制在一定安全范围之内，这就需要对系统进行理论计算，从而找到合适的解决方法。下面对电厂的机组过渡过程进行理论分析。

图4　引水隧洞结构图

机组甩负荷时，导叶快速关闭，加剧蜗壳末端的水锤效应，在较大的水流力矩的情况下，发电机的转速会急速升高，而机组转速的升高必然会威胁到机组及水工建筑物的安全，所以，必须将机组转速的上升率控制在安全的范围之内。

以下对系统参数进行计算［8］

压力钢管的平均流速

式中，Q为压力钢管设计流量，147.4m3/s；D为压力钢管直径，8m。

压力钢管常数

式中，a为水压波在压力钢管中的传播速度，取1000m/s；H为额定水头，188m。

由于ρτ＜1（τ为导叶开度大小，取100%），故该水锤类型为首相水锤。

压力钢管的特征系数

式中，LV∑为压力钢管长度与平均流速的乘积，取4341m2/s；sT′为接力器直线关闭规律运动所需时间，取8s。

水锤波往返时间

式中，L为从调压井到最远机组1号机进水蝶阀距离，1179.68m。

水锤波从调压井到机组往返的次数

在管导叶过程中水锤波从机组到调压井有三次回波。

机组甩负荷后机组转速上升计算

由摩根史密斯化简公式可得

式中，N为水轮机出力，82000kW；GD2为发电机转动惯量，1800t·m2；n为发电机额定转速，375r/min。

考虑效率下降修正系数

式中，nk为发电机飞逸转速，650r/min。

由上式计算可知，水锤类型为间接首相水锤，则水压上升率

考虑水击的修正系数

则转速上升率可以计算

由上式的计算可知，三台机组同时甩额定负荷时，机组的转速上升了53.3%，水锤压力上升了39.3%，超过了标准要求（标准要求β＜0.5）。以上计算是基于导叶一段关闭规律计算的，而导叶采用两段关闭规律可以对压力升高ξp和转速升高β 进行相对调整［9］，将导叶关闭时间sT′由8s，调整为15.8s，如图5所示。

图5 导叶两段关闭规律

图5中，T0为导叶不动时间：T0=0.2s；τ0为甩负荷时对应的导叶开度；Yg为导叶分段关闭的拐点：Yg=65%Ymax；Tg1为第一段关闭时间：Tg1=2.8s，TS1=8s；Tg2为第二段关闭时间：Tg2=13s，Ts2=20s。

经过调整导叶关闭规律之后，重新用式（4）至式（13）式对参数进行计算，计算结果见表1。

对单台机组进行了甩100%负荷试验（不具备三台机同时甩额定负荷条件），机组的转速上升了35.4%，与计算结果结果接近（试验水头低于额定水头），如图6所示。

图6　单台机组甩100%负荷曲线

表1　机组甩负荷参数计算

3　自适应控制方法

目前，调速器控制系统都实现了微机化和网络化，所有的PID运算都能在计算机中进行，调速器有几种不同的运行工况，不同的参数和结构又对机组的动态性能有很大的影响［1］，所以要让系统达到性能最优化，必须要根据不同的工况调整系统的参数和结构［10］。

调速器系统运行的工况主要有：开机、空载、发电、停机和手动。每种工况的参数设置都不相同，下面对各个工况进行分析。

3.1开机

调速器接收到监控系统的开机令后，在10s之内将频率给定值设定为50Hz，参数为空载PID参数，人工失灵区为0，永态转差系数为0，电气开限为空载开限加10%。在整个开机过程中，系统一直跟踪机组频率，采用多段导叶开度控制方法，如图7所示。

图7　开机过程曲线

由图7可以看出，机组开机过程，采用了多段导叶控制方法，转速上升平稳，无冲击现象。在控制的每个拐点都以机组转速为标准，该方法能有效缩短开机时间，满足快速并网的要求，又可减小超调量。

3.2空载

在开机完成，转速达到95%以后或机组出口开关断开之后，发电机进入空载状态，参数为空载PID参数，人工失灵区为0，永态转差系数为0，电气开限为空载开限加10%。机组转速=网频+滑差，自动跟踪电网频率。

3.3发电

发电机出口开关合闸之后，机组进入发电态，频率给定值为50Hz，参数为发电PID参数，人工失灵区和永态转差系数为设定值。

3.4停机

调速器收到停机令后，系统直接将开度给定值设为0，导叶迅速关闭，直到转速为0。

3.5手动

调速器切到手动状态时，调速器处于开度模式，反馈信号只有导叶开度，调速器只跟踪当前的导叶开度。

针对以上5种不同的工况，调速器参数优化前会选择一组经验PID参数，在现场进行静态和动态调试时，根据试验数据来逐步优化相关参数，参数优化流程如图8所示。

图8　参数优化流程图

选定一组最优参数，并将其保存到PLC的寄存器中，最后通过做扰动试验检验参数的最优性，见表2。

表2　空载扰动试验检验参数最优性

从表2的试验数据可以看出，最终优化的参数超调量很小，完全能满足系统运行需求。再通过对机组开机运行来检验在各个工况下系统性能，如图9所示，即为机组开机、停机及并网各个工况切换的过程。

图9 机组工况切换过程

图9中包括了发电机组所有的运行工况，分别为：工况（1）发电态；工况（2）停机过程；工况（3）停机态；工况（4）开机过程，其中开机过程和停机过程都包括了空载态。在几个工况转换的过程中未发生突变情况，系统响应速度快，而超调量又非常小，系统性能达到了最优化。

在调速器运行过程中，经常会遇到某个测量元器件故障的情况，一旦发生此种情况，必须将故障信号切除，这就是该型号的调速器具有的适应式变结构特点，在系统中配置了容错策略。所谓适应式变结构算法就是通过改变系统的结构来提高系统可靠性和提高调解品质［4］。所以调速器在遇到故障信号时，会自动将故障信号回路切除。

如：频率反馈总共有三路信号，即残压测频、齿盘测频和系统频率。在系统中的优先级依次由高到低，当残压测频故障时，调速器自动切换到齿盘测频，依次类推。当一路测频回路出现故障时，调速器会自动改变主环结构，选择正常的测频信号替代故障的测频信号，这样就不会影响整个系统的运行，有效提高了系统的可靠性。

4　结论

水轮机调节系统是一个闭环自动调节系统［11］，系统的过渡过程容易受到水锤效应的影响，改变导叶关闭规律能够调节转速和水压的上升率，这也是最有效最经济解决的途径［1］。经过实测数据分析，柬埔寨达岱电厂在调整导叶关闭规律之后，转速上升率和水压上升率得到了有效控制，可以满足实际运行要求。改进型调速器系统突出了积分环节作用，有利于改善系统的动态性能，提高了系统的稳定域度。

由于柬埔寨国家电网的容量小，负荷不稳定，经常出现低频振荡现象，SAFR-2000H型调速器能自动适应当前工况，调取最优的参数配置，达到系统性能的最优化，在电厂并网运行之后，达岱电厂承担了柬埔寨电网的大量负荷，到目前为止，调速器已经连续满负荷不间断运行半年，据初步统计，电网的低频振荡次数与2014年相比有明显减小，稳定性有了很大提高，自动适应式调速器系统为稳定柬埔寨国家电网起到了至关重要的作用。

［1］ 高仝. 南美水电站导叶分段关闭的调节保证计算［J］.小水电， 2008（5）： 21-24.

［2］ 曹程杰， 莫岳平. 基于现代智能控制技术的水轮机自适应工况PID调速器研究［J］. 电力系统保护与控制， 2010， 38（3）： 81-85， 94.

［3］ 于波， 肖惠民. 水轮机原理与运行［M］. 北京： 中国电力出版社， 2008.

［4］ 南京南瑞集团公司水利水电技术分公司. 微机水轮机调速器培训教材［Z］. 3版， 2011.

［5］ 胡寿松. 自动控制原理［M］. 3版. 北京： 科学出版社，2010.

［6］ 达岱水电站工程可行性研究报告［Z］.

［7］ 郑源， 张健. 水力机组过渡过程［M］. 北京： 北京大学出版社， 2008.

［8］ 周泰经， 吴应文. 水轮机调速器实用技术［M］. 北京：中国水利水电出版社， 2010.

［9］ 赵锁明， 冯素金. 水轮机导水叶采用两段关闭的调节保证计算［J］. 青海水力发电， 2001（4）： 55-56.

［10］ 叶鲁卿， 魏守平， 等. 水轮发电机组变参数变结构控制［J］. 华中理工大学学报， 1989， 17（3）： 89-96.

［11］ 魏守平， 罗萍， 张富强. 水轮机调节系统的适应式变参数控制［J］. 水电能源科学， 2003， 21（1）： 64-67.

The Governor Systems Analysis based on Adaptive Control Strategy in DadaiHydropower Station of Cambodia

Pan Daoming
（Dadai Project Department of Hubei Qingjiang Hydropower Development Co.， Ltd，KohKong Province. Cambodia）

Over longpressure tunneldiversion， the hydro-generating unittend to have a largerhydraulic time constant， setting surge shaft in the second half of diversion tunnel is the method to reduce the hydraulic time constant. Inhighwater headhydropower station， generator load rejecting，inevitably leads to speed and volute pressure exceeds the standard value， adjusting the guide vanes closing regularity can improve the speed and volute pressure rising rate， it is one of the most direct and most economical way. Governor according todifferent operating conditions， selects the optimum PID parameters， can improve the dynamic performance of the unit.，the paper details the adaptive control strategies and methods of operation.

governor； adaptive； water hammer effect； vane segment closed； parameter optimization

潘道明（1978-），男，广西永福县人，硕士研究生，高级工程师，主要从事水电站自动化控制系统维护工作。