水轮机调节技术的发展与展望

1、第 六 章 水轮发电机组ICMMS研讨与教学平台的研制.PAGE 114：.；水轮机调理技术的开展与展望武汉大学 程远楚2007年6月水轮机调理技术的开展与展望PAGE 11水电机组控制的义务与种类水电机组控制设备主要完成水轮发电机组的操作、调理、控制和事故维护。主要有：调理控制系统：水轮机调速系统发电机励磁系统操作控制与监视系统：计算机监控系统，同期安装事故维护：发电机继电维护，机组过速维护等辅机控制系统二水电机组控制系统的特点水电机组控制系统是一个水机电过程相互影响、相互制约的复杂系统，它具有时变被控对象的构造和参数均随时间和运转工况的改动而变化、非线性、非最小相位等复杂特性，常规控制器难

2、以满足其对控制性能目的和稳定性的要求。另一方面，由于水电机组控制系统的性能目的与稳定性，直接关系到水电厂与整个电力系统的平安运转、供电质量及经济效益，水电机组的平安控制与优化控制不断是该领域研讨的中心问题，也是长期存在的实际和技术难题。随着控制技术的开展，水电机组控制系统的控制规律也在不断地开展和完善。从定参数PI、PID到变参数PID1，从常规控制到变构造控制、励磁系统附加稳定控制(PSS)，水轮机调理系统和发电机励调理系统的性能得到了不断的提高。但随着单机容量的增大，长间隔 输电线路的添加，水电厂无人值班、少人值守的实施，对水电机组控制系统的性能目的提出了更高的要求。如在建的三峡水电站，其

3、机组容量大，水头变幅大，运转范围变化宽有功从0空载700MW；初期水头61米最高水头113米；再加上水电机组运转工况的变化及电网负荷的变动导致系统动态特性的变化均较难预测。基于离线模型1的顺应式变参数难以保证调理系统在不同的工况下均有较好的动态质量。另一方面，互联电网容量的不断扩展，为提高电力系统的暂态稳定性，往往采用高顶值电压的快速励磁系统，由此能够使长输电线弱联络的大型电力系统阻尼严重减弱。机械械方式阻尼的缺乏，会引发互联络统中出现每分钟只需几个周波至几十个周波的低频自激振荡。这种振荡的加剧会破坏发电机组间的并列运转。大容量机组的普遍采用，远间隔 、超高压、大功率输电系统的不断出现，不但使

4、小干扰稳定问题和由于系统阻尼缺乏引起的低频振荡成为一个严重的问题，电力系统在大干扰下的稳定问题也成为一个突出的问题。一旦电力系统的稳定遭到破坏，会导致电力系统的解体和瓦解，从而给国民经济和人民生活带来宏大的损失。在这方面，我国过有多次惨痛的教训，美国、日本、欧洲等也曾发生过多起电力系统瓦解的事故2。长期以来，就如何保证和提高电力系统的平安稳定性进展了大量的研讨，提出了许多有效的控制措施和方法。其中，改善控制系统的性能、提高控制系统的质量是最主要的方法。因此，为提高大型互联络统的稳定性，为改善水电机组的控制性能，基于现代控制实际的自顺应控制3、变构造时变参数自完善控制4 5、模型参考多变量最优控

5、制6 7、鲁棒控制8 9等的有关水轮机调理系统的控制模型和控制方法也被提出并进展了大量的实际研讨。然而，由于需求被控对象的准确数学模型，而水电机组的数学模型至今尚未完全建立，特别是水轮机特性，因具有严重的非线性，只能以图表或曲线的方式给出，参数估计和参数辨识较为困难，故未能得到很好的实践运用。基于现代控制实际的励磁系统最优控制10,11、非线性控制12,13、自顺应PSS14,15等进展了大量的实验研讨，有些还在实践中得到了运用。近年来，随着智能控制技术的出现，基于专家系统、模糊逻辑和神经网络及遗传算法的水电机组智能控制规律被提了出来16-26，并引起了一股研讨热潮。智能控制造为一门新兴的实际

6、和技术，其开展得益于许多学科，其中，包括人工智能、现代自顺应控制、最优控制、生物控制、学习实际、模糊控制、神经网络及再励学习等27。智能控制实际开展时间不长，实际体系尚不完好，但开展很快。智能控制系统因其特有的自学习功能、自组织功能、良好的自顺应性能，已在生物、农业、地质、军事、空间技术、环境科学等领域得到了运用。研讨者以为：智能控制的开展和完善必将引起控制领域的全面革命28,29。目前，智能控制的研讨已从单学科研讨开展成为多学科实际交叉研讨27,29-32 。大量的研讨阐明，智能控制是提高水电机组控制系统的鲁棒性和顺应性的有效方法和途径。然而，由于智能控制实际尚不完善，智能控制在实践工程中运

7、用的结果与实际研讨的结果尚有不小的差距。特别是对像水电机组控制系统这样一类性能目的要求较高、运转域变化较大、参数变化较为猛烈的时变且存在随机扰动而又相对快速的控制系统，智能控制的研讨仅限于计算机仿真和实验室实验，智能控制的运用实例尚未见到报导。水轮机调理系统的开展水轮机调理系统是以水轮机调速器作为控制器，水轮发电机组作为被控对象所构成的闭环控制系统。水轮机调理系统的根本义务，是根据负荷的变化不断地调理水轮发电机组的有功功率，以维持机组转速(频率)在规定的范围内。水轮发电机组在电网中经常担任调频和调峰义务，开停机频繁，其性能的好坏，自动化程度的高低，直接影响到机组的正常运转。因此，水轮机调理系统

8、的性能好坏，对电力系统的电能质量(频率、电压)及平安可靠运转具有艰苦的影响。自水轮机问世之初起，便有了水轮机调速器。随着电子技术的控制实际的提高，水轮机调速器得到了快速地开展。在近一个世纪的开展中，水轮机调速器先后阅历了机械液压型调速器、电气液压型调速器和微机调速器三个开展阶段。机械液压型调速器以其原理简单、便于掌握等特点，在相当一段时间内得到了广泛的运用，在上世纪50年代到达了全盛时期，但由于其静、动态特性较差，而且存在机件磨损问题，因此其运用遭到限制。上世纪40年代未，随着电子管式电气液压调速器的问世，因其具有呼应快、精度高的优点，逐渐在电力系统中得到了运用。随着晶体管式电液调速器的问世，

9、特别是上世纪70年代大规模集成电路技术开展迅速，集成电路运算放大器运用于水轮机调速器，其控制性能进一步提高，模拟式电气液压型调速器迅速取代了机械液压式调速器，得到了广泛的运用。计算机技术的飞速开展，促进了水轮机调速器的又一次飞跃。1982年ASEA公司引入微计算机技术，研制出了出第一台微机调速器。以后，法国的NEYRPIC、比利时的BCEC、日本的HITACHI、瑞士的SULZER、美国的WOODWARD等大公司相继研制消费出各种类型的微机调速器。在我国，华中科技大学与天津水电控制设备厂共同研制开发了我国第一台微机调速器，于1984年在湖南欧阳海电站投入运转。应该说，微机调速器的出现是水轮机调

10、速器开展的艰苦变革。与模拟式电气液压调速器不同，微机调速器在实现方法上带来了一次彻底的革命，模拟式调速器是完全由硬件电路实现的，因此任何控制战略上的变化都会导致部分甚至全部电气安装的改动，这既提高了本钱，也给调速器的更新、改造以及更高级、复杂控制规律的实现带来了困难。而微机调速器在实现方法上由硬件和软件两部分构成，其控制功能的实现由软件完成，因此带来了很大的灵敏性。同时，微计算机强大的运算处置才干和逻辑功能为实现复杂控制功能提供了根底。自微机调速器问世以来，它以其高性能/价钱比、高精度和高可靠性及易于与水电站其它计算机控制设备接口得到了迅速的推行运用。由于微机调速器在实现方法上与传统的水轮机调

11、速器不同，其硬件构造、软件配置、容错战略和可靠性措施是确保其高可靠性和良好的动静态性能的保证。为此，在微机调速器的构造方式、功能设置、软件设计和容错措施方面进展了大量的研讨92-98，获得了丰盛的成果。调速器的方式构造主要有三类：缓冲式调速器由暂态与永态反响元件及放大元件、主接力器等构成调理规律，这些元件的静动态特性和非线性要素对调理规律有影响，且转速死区较大。图1缓冲式调速器中间接力器式调速器由暂态与永态反响元件及放大元件、中间接力器等构成调理规律，由主配压阀和主接力器组成液压随动系统进展功率放大并驱动导水机构，其优点是控制规律构成与导叶动分开，调整方便，死区较小，但随动系统存在机械反响，对

12、转速死区与动态性能有影响图2中间接力器式调速器电子调理器式调速器调理规律准确，机构简单，死区小。图3电子调理器式调速器当前微机调速器的适用方式是：微机控制器+伺服系统，水轮机调速器的另一个开展是液压随动系统的提高。近年来，在液压伺服系统方面进展了大量的研讨99-101。这些研讨成果主要表达在以下几个方面。 实现手段。国内先后开发出基于单板机，单片机、STD总线、可编程控制器(PLC)，工业个人控制计算机(IPC)，可编程计算机(PCC)等的微机调速器。构造方式。在开展过程中，不少科研单位对水轮机调速器的构造方式进展了很多尝试，大致有：单微机方式，双微机方式，双通道系统，混合型双微机并联方式，完

13、全双通道混合型并联方式，三微机冗余方式等。液压伺服系统。总体看，一是提高伐速系统油压等级，与其它工业领域中的液压技术靠势在必行，以实现集成化，规范化，小型化。二是在伺服系统在开展过程中方式上进展变革，以提高抗油污才干和可靠性，实现数学化控制。目前主要的液压伺服系统构造方式有：电液伺服阀系统，比例阀伺服系统，步进电机伺服系统，直流电机或交流电机伺服系统，数学阀伺服系统等。当前采用较多的微机调速器的构造方式：a. 电液转换器/电液执行机构型b. 交流伺服/电液执行机构型c.交流伺服直流伺服中间接力器/机械液压随动系统d.步进电机/机械液压随动系统e. 三态阀数字式液压随动系统调速器是水电站重要的自

14、动化设备，其性能的好坏直接影响到电能质量和电站的平安经济运转。近十多年来，由于设计的改良、高可靠性电液伺服阀的研制、电液随动系统的简单化与革新、任务油压的提高、微机技术的普遍采用、加工和制造工艺的提高，使得现代水轮机调速器的性能大为改观，对水电站的自动化程度的提高作出了宏大奉献。四水轮机调速器控制战略研讨随着超高压远间隔 输电的大规模互联电力系统的日益开展，高水头大容量水轮机组和大容量抽水蓄能机组的出现，用电部门对电能质量要求不断提高，对水轮机调理系统的频率调理质量、调理稳定边境、水轮机发电效率、水机电结合最正确控制都提出了更高的要求。原有的简单控制方式曾经难以顺应，它势必要被更为复杂、高级的

15、现代控制实际所替代。而控制实际的开展，微机调速器的大量运用使得新型控制规律在水轮机调理中的运用成为能够。在机械液压型调速器时期，由于机械系统的局限性，不断采用的是PI型控制规律。直到电气型调速器出现后才实现了PID控制规律。在这一时期，为处理水轮机调速器的参数整定问题，文献102105研讨了控制参数对调理性能的影响，文献106以Roth-Hurwitz稳定性准那么导出了稳定参数区域，文献107,108那么给出PID控制参数的整定方法。目前主要运用的有斯坦因公式和克里夫琴科公式109。 在实践运转过程中，水轮机的工况点是变化的，此时假设依然采用同一组控制参数能够得不到理想的控制效果。文献110指

16、出定参数PID调理没有思索控制对象非线性、时变等特性，以一组参数用于整个控制域，无法获得全任务域的最正确调理。文献1,111,112根据变参数PID的思想提出了顺应式控制规律，以机组的运转工况及工况点位置来决议当前的PID控制参数。文献113开展了以负荷程度调整参数的方法。文献114经过求线性二次型目的函数最小值得到PID优化参数。文献115那么利用遗传算法来优化水轮机调速器的参数，文献116研讨了在不同负荷下抽水蓄能机组调速器的最优参数整定问题。由于调理系统的特性特别是非线性、变构造变参数等，经典控制实际难以顺应越来越高的调理要求，更为复杂、高级的现代控制实际的运用成为必然。随着现代控制实际

17、的开展，基于现代控制实际的自顺应控制3、变构造时变参数自完善控制4,5,117、模型参考多变量最优控制6 7、鲁棒控制8 9 、预测控制118、非线性补偿控制等的有关水轮机调理系统的控制模型和控制方法也被提出并进展了大量的实际研讨。经典控制实际基于线性PID控制，很难实现非线性系统的控制，同时对系统的参数顺应性差。现代控制实际基于被控对象的准确数学模型设计，当被控对象的信息缺乏时，就能够无法进展系统辨识和系统构造重构。而所谓顺应性、鲁棒性都是在一定的范围内满足一定的约束条件前提下实现的。自顺应过多地依赖于被控对象的构造信息，控制效果取决于参考模型的正确程度，它只适宜于被控对象参数变化缓慢、非线性不严重的场所，并且由于其辨识及控制算法复杂并要求调速器具有较高的实时性，这限制了它在实践中的运用。当水轮机调理对象在多工况、多构造、大范围运转时，呵斥自顺应控制详细实现上的困难。随着智能控制实际蓬勃开展，人们尝试将智能控制的实际和方法用于水轮机控制系统中。文献4首先将智能处置技术引入水电机组控制中，改善了控制效果。其后，文献18,21,23将模糊控制引入水轮机调理中，文献24，121讨论了水轮机调速系统的神经网络控制，文献25将神经网络控制与模糊控制结合讨论了水轮机调速系统的模糊神经网络复合控制，文献22那么给出了一种模糊神经网络PID复合控制