水轮机控制策略分析与研究论文：水轮机微机调速器控制策略分析与研究

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1、水轮机控制策略分析与研究论文：水轮机微机调速器控制策略分析与研究摘　要:水轮机调速器分为机械液压型、电气液压型和微机调速器,前两种只能采用常规PI或PID控制策略,难以满足和提高大型水轮机组或孤立电网带负荷机组调节系统的控制品质和要求,因此变参数PID调节、自适应控制、模糊控制等复杂和更高级的控制策略只能依靠计算机来完成,由于水轮机调节系统是一个具有非线性、时变性的非最小相位系统,采用线性理论分析和设计的调速器无法得到满意的结果,因此对微机调速器的结构和控制策略进行对比分析,从中找出较合适的控制结构和策略。　　关键词:水轮机;微机调速器;控制策

2、略;非线性;智能控制1　水轮机调节系统组成水轮机调速器的基本任务就是根据电力系统负荷的变化来调节导叶开度y使水轮机调整出力mt,进而调整发电机组的有功功率输出,并维持机组转速x(频率)在规定的范围内。水轮机调节系统主要由调速器和被控对象组成。被控对象由水轮机组段系统和发电机系统组成;水轮机组段系统除了水轮机本体外还包括水力系统,如有压引水道、调压井及尾水等;发电机系统包括机械惯性、电压调节和电气3部分组成。因此控制系统是一个集水力、机械、电气为一体的复杂系统[1]。在实际工程中,系统数学模型的建立可以合并和忽略一些不重要的参数,当把水击作为刚性

3、水击考虑时,引水系统为单机单管,不考虑水流摩擦损失时,水轮机组段的传递函数为[2]:Gt(s)=ey1-eTws1+eqhTws(1)Ts=LQrgHrSe=eqyehey-eqh式中:Tw为水流惯性时间常数;ey、eh为接力器行程、水头对力矩的传递系数;eqy、eqh为接力器行程、水头对流量的传递系数。调速器电液机构传递函数为:Gy(s)=1Tys+1(2)式中:Ty为接力器时间常数。发电机系统常用的数学模型有一阶、二阶、三阶和高阶,在分析水轮机调节系统时可以采用一阶模型,其传递函数为:Gs(s)=1Tas+en(3)en=eg-exTa=G

4、D2n2r3580Preg=mgx式中:Ta为机组惯性时间常数;GD2为水轮发电机飞轮力矩(kN·m),包括发电机转子、水轮机转轮和大轴、水轮机转轮区水流三部分的力矩;eg为发电机负荷自调整系数;ex为机组转速对力矩的传递系数。调速器的传递函数根据其器件以及校正、反馈环节的不同大致划分为三类,分别为辅助接力器型、中间接力器型和并联PID型调速器。微机调速器一般采用并联PID型,其传递函数为:Gr(s)=Y(s)E(s)=KDs2+Kps+KIbp[KDs2+(Kp+1/bp)s+KI](Tys+1)(4)式中:KP、KI、KD为PID调节系

5、数;bp为永态转差系数。由系统传递函数可知,水轮机调节系统由于水轮机组段传递函数分子中有正零点,故为非最小相位系统,并且由于系统负荷及水轮机运行工况是变化的,系统还具有时变特性。同时由于调速器在电气、液压及机械传动各个环节等存在间隙、死区等非线性特性,使得调速器为保证机组稳定运行的控制十分重要。2　微机调速器控制结构调速器的发展先后经历了3个阶段:机械液压型调速器、电气液压型调速器和微机调速器。随着计算机技术的发展,计算机控制技术大量应用于水轮机调节系统,机械液压型调速器和电气液压型调速器的调节规律只能采用的PI或PID调节,一旦设计制造完成,

6、控制结构、策略和参数无法灵活调整。微机调速器采用先进的计算机技术,具有测频精度高,运算速度快,人机界面好,可靠性高等特点,其控制策略由软件编程形成,容易设计出各种结构的控制器和调整控制参数,方便实现更高级和更复杂的控制策略。微机调速器的发展也经历了几个阶段,主要有以下几种类型:①单板计算机或单片机组成的专用计算机;②STD总线工业控制机;③可编程控制器(PLC);④工业PC机(IPC);⑤可编程计算机控制器(PCC)。单板计算机或单片机以及采用STD总线组成的双机冗余结构的微机调速器属于早期产品,由于生产批量小,部分模块需要用户自行设计,制造工

7、艺和与元器件质量较差,难以保证长期稳定无故障运行,产品很难达到工业级水平和要求[3]。工业PC机(IPC)虽然功能强大,但其价格高并且可靠性一般,一般应用于中小型系统中。可编程控制器(PLC)高可靠性的硬件系统成为生产厂家的首选,目前微机调速器的主流产品都是采用PLC作为控制器,由于PLC软件编程一般是采用梯形图或汇编指令,复杂的数学运算功能及运算速度远不及PC机,因此一种具有PLC和IPC功能的控制器———可编程计算机控制器(PCC)成为实现复杂控制策略最理想的控制器。3　微机调速器控制策略3.1　PID调节控制策略当被控对象的结构和参数不能

8、完全掌握,或者得不到精确的数学模型时,系统控制器的结构和参数只能依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制最为方便。PID控制因其结构简单、参数易于