水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展與展望

1、第 六 章 水輪發(fā)電機(jī)組ICMMS研討與教學(xué)平臺的研制.PAGE 114：.；水輪機(jī)調(diào)理技術(shù)的開展與展望武漢大學(xué) 程遠(yuǎn)楚2007年6月水輪機(jī)調(diào)理技術(shù)的開展與展望PAGE 11水電機(jī)組控制的義務(wù)與種類水電機(jī)組控制設(shè)備主要完成水輪發(fā)電機(jī)組的操作、調(diào)理、控制和事故維護(hù)。主要有：調(diào)理控制系統(tǒng)：水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)操作控制與監(jiān)視系統(tǒng)：計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，同期安裝事故維護(hù)：發(fā)電機(jī)繼電維護(hù)，機(jī)組過速維護(hù)等輔機(jī)控制系統(tǒng)二水電機(jī)組控制系統(tǒng)的特點水電機(jī)組控制系統(tǒng)是一個水機(jī)電過程相互影響、相互制約的復(fù)雜系統(tǒng)，它具有時變被控對象的構(gòu)造和參數(shù)均隨時間和運轉(zhuǎn)工況的改動而變化、非線性、非最小相位等復(fù)雜特性，常規(guī)控制器難

2、以滿足其對控制性能目的和穩(wěn)定性的要求。另一方面，由于水電機(jī)組控制系統(tǒng)的性能目的與穩(wěn)定性，直接關(guān)系到水電廠與整個電力系統(tǒng)的平安運轉(zhuǎn)、供電質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益，水電機(jī)組的平安控制與優(yōu)化控制不斷是該領(lǐng)域研討的中心問題，也是長期存在的實際和技術(shù)難題。隨著控制技術(shù)的開展，水電機(jī)組控制系統(tǒng)的控制規(guī)律也在不斷地開展和完善。從定參數(shù)PI、PID到變參數(shù)PID1，從常規(guī)控制到變構(gòu)造控制、勵磁系統(tǒng)附加穩(wěn)定控制(PSS)，水輪機(jī)調(diào)理系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵調(diào)理系統(tǒng)的性能得到了不斷的提高。但隨著單機(jī)容量的增大，長間隔 輸電線路的添加，水電廠無人值班、少人值守的實施，對水電機(jī)組控制系統(tǒng)的性能目的提出了更高的要求。如在建的三峽水電站，其

3、機(jī)組容量大，水頭變幅大，運轉(zhuǎn)范圍變化寬有功從0空載700MW；初期水頭61米最高水頭113米；再加上水電機(jī)組運轉(zhuǎn)工況的變化及電網(wǎng)負(fù)荷的變動導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)特性的變化均較難預(yù)測?；陔x線模型1的順應(yīng)式變參數(shù)難以保證調(diào)理系統(tǒng)在不同的工況下均有較好的動態(tài)質(zhì)量。另一方面，互聯(lián)電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)展，為提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，往往采用高頂值電壓的快速勵磁系統(tǒng)，由此能夠使長輸電線弱聯(lián)絡(luò)的大型電力系統(tǒng)阻尼嚴(yán)重減弱。機(jī)械械方式阻尼的缺乏，會引發(fā)互聯(lián)絡(luò)統(tǒng)中出現(xiàn)每分鐘只需幾個周波至幾十個周波的低頻自激振蕩。這種振蕩的加劇會破壞發(fā)電機(jī)組間的并列運轉(zhuǎn)。大容量機(jī)組的普遍采用，遠(yuǎn)間隔 、超高壓、大功率輸電系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，不但使

4、小干擾穩(wěn)定問題和由于系統(tǒng)阻尼缺乏引起的低頻振蕩成為一個嚴(yán)重的問題，電力系統(tǒng)在大干擾下的穩(wěn)定問題也成為一個突出的問題。一旦電力系統(tǒng)的穩(wěn)定遭到破壞，會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的解體和瓦解，從而給國民經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來宏大的損失。在這方面，我國過有多次慘痛的教訓(xùn)，美國、日本、歐洲等也曾發(fā)生過多起電力系統(tǒng)瓦解的事故2。長期以來，就如何保證和提高電力系統(tǒng)的平安穩(wěn)定性進(jìn)展了大量的研討，提出了許多有效的控制措施和方法。其中，改善控制系統(tǒng)的性能、提高控制系統(tǒng)的質(zhì)量是最主要的方法。因此，為提高大型互聯(lián)絡(luò)統(tǒng)的穩(wěn)定性，為改善水電機(jī)組的控制性能，基于現(xiàn)代控制實際的自順應(yīng)控制3、變構(gòu)造時變參數(shù)自完善控制4 5、模型參考多變量最優(yōu)控

5、制6 7、魯棒控制8 9等的有關(guān)水輪機(jī)調(diào)理系統(tǒng)的控制模型和控制方法也被提出并進(jìn)展了大量的實際研討。然而，由于需求被控對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，而水電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型至今尚未完全建立，特別是水輪機(jī)特性，因具有嚴(yán)重的非線性，只能以圖表或曲線的方式給出，參數(shù)估計和參數(shù)辨識較為困難，故未能得到很好的實踐運用?；诂F(xiàn)代控制實際的勵磁系統(tǒng)最優(yōu)控制10,11、非線性控制12,13、自順應(yīng)PSS14,15等進(jìn)展了大量的實驗研討，有些還在實踐中得到了運用。近年來，隨著智能控制技術(shù)的出現(xiàn)，基于專家系統(tǒng)、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法的水電機(jī)組智能控制規(guī)律被提了出來16-26，并引起了一股研討熱潮。智能控制造為一門新興的實際

6、和技術(shù)，其開展得益于許多學(xué)科，其中，包括人工智能、現(xiàn)代自順應(yīng)控制、最優(yōu)控制、生物控制、學(xué)習(xí)實際、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及再勵學(xué)習(xí)等27。智能控制實際開展時間不長，實際體系尚不完好，但開展很快。智能控制系統(tǒng)因其特有的自學(xué)習(xí)功能、自組織功能、良好的自順應(yīng)性能，已在生物、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、軍事、空間技術(shù)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域得到了運用。研討者以為：智能控制的開展和完善必將引起控制領(lǐng)域的全面革命28,29。目前，智能控制的研討已從單學(xué)科研討開展成為多學(xué)科實際交叉研討27,29-32 。大量的研討闡明，智能控制是提高水電機(jī)組控制系統(tǒng)的魯棒性和順應(yīng)性的有效方法和途徑。然而，由于智能控制實際尚不完善，智能控制在實踐工程中運

7、用的結(jié)果與實際研討的結(jié)果尚有不小的差距。特別是對像水電機(jī)組控制系統(tǒng)這樣一類性能目的要求較高、運轉(zhuǎn)域變化較大、參數(shù)變化較為猛烈的時變且存在隨機(jī)擾動而又相對快速的控制系統(tǒng)，智能控制的研討僅限于計算機(jī)仿真和實驗室實驗，智能控制的運用實例尚未見到報導(dǎo)。水輪機(jī)調(diào)理系統(tǒng)的開展水輪機(jī)調(diào)理系統(tǒng)是以水輪機(jī)調(diào)速器作為控制器，水輪發(fā)電機(jī)組作為被控對象所構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。水輪機(jī)調(diào)理系統(tǒng)的根本義務(wù)，是根據(jù)負(fù)荷的變化不斷地調(diào)理水輪發(fā)電機(jī)組的有功功率，以維持機(jī)組轉(zhuǎn)速(頻率)在規(guī)定的范圍內(nèi)。水輪發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中經(jīng)常擔(dān)任調(diào)頻和調(diào)峰義務(wù)，開停機(jī)頻繁，其性能的好壞，自動化程度的高低，直接影響到機(jī)組的正常運轉(zhuǎn)。因此，水輪機(jī)調(diào)理系統(tǒng)

8、的性能好壞，對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量(頻率、電壓)及平安可靠運轉(zhuǎn)具有艱苦的影響。自水輪機(jī)問世之初起，便有了水輪機(jī)調(diào)速器。隨著電子技術(shù)的控制實際的提高，水輪機(jī)調(diào)速器得到了快速地開展。在近一個世紀(jì)的開展中，水輪機(jī)調(diào)速器先后閱歷了機(jī)械液壓型調(diào)速器、電氣液壓型調(diào)速器和微機(jī)調(diào)速器三個開展階段。機(jī)械液壓型調(diào)速器以其原理簡單、便于掌握等特點，在相當(dāng)一段時間內(nèi)得到了廣泛的運用，在上世紀(jì)50年代到達(dá)了全盛時期，但由于其靜、動態(tài)特性較差，而且存在機(jī)件磨損問題，因此其運用遭到限制。上世紀(jì)40年代未，隨著電子管式電氣液壓調(diào)速器的問世，因其具有呼應(yīng)快、精度高的優(yōu)點，逐漸在電力系統(tǒng)中得到了運用。隨著晶體管式電液調(diào)速器的問世，

9、特別是上世紀(jì)70年代大規(guī)模集成電路技術(shù)開展迅速，集成電路運算放大器運用于水輪機(jī)調(diào)速器，其控制性能進(jìn)一步提高，模擬式電氣液壓型調(diào)速器迅速取代了機(jī)械液壓式調(diào)速器，得到了廣泛的運用。計算機(jī)技術(shù)的飛速開展，促進(jìn)了水輪機(jī)調(diào)速器的又一次飛躍。1982年ASEA公司引入微計算機(jī)技術(shù)，研制出了出第一臺微機(jī)調(diào)速器。以后，法國的NEYRPIC、比利時的BCEC、日本的HITACHI、瑞士的SULZER、美國的WOODWARD等大公司相繼研制消費出各種類型的微機(jī)調(diào)速器。在我國，華中科技大學(xué)與天津水電控制設(shè)備廠共同研制開發(fā)了我國第一臺微機(jī)調(diào)速器，于1984年在湖南歐陽海電站投入運轉(zhuǎn)。應(yīng)該說，微機(jī)調(diào)速器的出現(xiàn)是水輪機(jī)調(diào)

10、速器開展的艱苦變革。與模擬式電氣液壓調(diào)速器不同，微機(jī)調(diào)速器在實現(xiàn)方法上帶來了一次徹底的革命，模擬式調(diào)速器是完全由硬件電路實現(xiàn)的，因此任何控制戰(zhàn)略上的變化都會導(dǎo)致部分甚至全部電氣安裝的改動，這既提高了本錢，也給調(diào)速器的更新、改造以及更高級、復(fù)雜控制規(guī)律的實現(xiàn)帶來了困難。而微機(jī)調(diào)速器在實現(xiàn)方法上由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，其控制功能的實現(xiàn)由軟件完成，因此帶來了很大的靈敏性。同時，微計算機(jī)強(qiáng)大的運算處置才干和邏輯功能為實現(xiàn)復(fù)雜控制功能提供了根底。自微機(jī)調(diào)速器問世以來，它以其高性能/價錢比、高精度和高可靠性及易于與水電站其它計算機(jī)控制設(shè)備接口得到了迅速的推行運用。由于微機(jī)調(diào)速器在實現(xiàn)方法上與傳統(tǒng)的水輪機(jī)調(diào)

11、速器不同，其硬件構(gòu)造、軟件配置、容錯戰(zhàn)略和可靠性措施是確保其高可靠性和良好的動靜態(tài)性能的保證。為此，在微機(jī)調(diào)速器的構(gòu)造方式、功能設(shè)置、軟件設(shè)計和容錯措施方面進(jìn)展了大量的研討92-98，獲得了豐盛的成果。調(diào)速器的方式構(gòu)造主要有三類：緩沖式調(diào)速器由暫態(tài)與永態(tài)反響元件及放大元件、主接力器等構(gòu)成調(diào)理規(guī)律，這些元件的靜動態(tài)特性和非線性要素對調(diào)理規(guī)律有影響，且轉(zhuǎn)速死區(qū)較大。圖1緩沖式調(diào)速器中間接力器式調(diào)速器由暫態(tài)與永態(tài)反響元件及放大元件、中間接力器等構(gòu)成調(diào)理規(guī)律，由主配壓閥和主接力器組成液壓隨動系統(tǒng)進(jìn)展功率放大并驅(qū)動導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點是控制規(guī)律構(gòu)成與導(dǎo)葉動分開，調(diào)整方便，死區(qū)較小，但隨動系統(tǒng)存在機(jī)械反響，對

12、轉(zhuǎn)速死區(qū)與動態(tài)性能有影響圖2中間接力器式調(diào)速器電子調(diào)理器式調(diào)速器調(diào)理規(guī)律準(zhǔn)確，機(jī)構(gòu)簡單，死區(qū)小。圖3電子調(diào)理器式調(diào)速器當(dāng)前微機(jī)調(diào)速器的適用方式是：微機(jī)控制器+伺服系統(tǒng)，水輪機(jī)調(diào)速器的另一個開展是液壓隨動系統(tǒng)的提高。近年來，在液壓伺服系統(tǒng)方面進(jìn)展了大量的研討99-101。這些研討成果主要表達(dá)在以下幾個方面。 實現(xiàn)手段。國內(nèi)先后開發(fā)出基于單板機(jī)，單片機(jī)、STD總線、可編程控制器(PLC)，工業(yè)個人控制計算機(jī)(IPC)，可編程計算機(jī)(PCC)等的微機(jī)調(diào)速器。構(gòu)造方式。在開展過程中，不少科研單位對水輪機(jī)調(diào)速器的構(gòu)造方式進(jìn)展了很多嘗試，大致有：單微機(jī)方式，雙微機(jī)方式，雙通道系統(tǒng)，混合型雙微機(jī)并聯(lián)方式，完

13、全雙通道混合型并聯(lián)方式，三微機(jī)冗余方式等。液壓伺服系統(tǒng)?？傮w看，一是提高伐速系統(tǒng)油壓等級，與其它工業(yè)領(lǐng)域中的液壓技術(shù)靠勢在必行，以實現(xiàn)集成化，規(guī)范化，小型化。二是在伺服系統(tǒng)在開展過程中方式上進(jìn)展變革，以提高抗油污才干和可靠性，實現(xiàn)數(shù)學(xué)化控制。目前主要的液壓伺服系統(tǒng)構(gòu)造方式有：電液伺服閥系統(tǒng)，比例閥伺服系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)，直流電機(jī)或交流電機(jī)伺服系統(tǒng)，數(shù)學(xué)閥伺服系統(tǒng)等。當(dāng)前采用較多的微機(jī)調(diào)速器的構(gòu)造方式：a. 電液轉(zhuǎn)換器/電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)型b. 交流伺服/電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)型c.交流伺服直流伺服中間接力器/機(jī)械液壓隨動系統(tǒng)d.步進(jìn)電機(jī)/機(jī)械液壓隨動系統(tǒng)e. 三態(tài)閥數(shù)字式液壓隨動系統(tǒng)調(diào)速器是水電站重要的自

14、動化設(shè)備，其性能的好壞直接影響到電能質(zhì)量和電站的平安經(jīng)濟(jì)運轉(zhuǎn)。近十多年來，由于設(shè)計的改良、高可靠性電液伺服閥的研制、電液隨動系統(tǒng)的簡單化與革新、任務(wù)油壓的提高、微機(jī)技術(shù)的普遍采用、加工和制造工藝的提高，使得現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速器的性能大為改觀，對水電站的自動化程度的提高作出了宏大奉獻(xiàn)。四水輪機(jī)調(diào)速器控制戰(zhàn)略研討隨著超高壓遠(yuǎn)間隔 輸電的大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)的日益開展，高水頭大容量水輪機(jī)組和大容量抽水蓄能機(jī)組的出現(xiàn)，用電部門對電能質(zhì)量要求不斷提高，對水輪機(jī)調(diào)理系統(tǒng)的頻率調(diào)理質(zhì)量、調(diào)理穩(wěn)定邊境、水輪機(jī)發(fā)電效率、水機(jī)電結(jié)合最正確控制都提出了更高的要求。原有的簡單控制方式曾經(jīng)難以順應(yīng)，它勢必要被更為復(fù)雜、高級的

15、現(xiàn)代控制實際所替代。而控制實際的開展，微機(jī)調(diào)速器的大量運用使得新型控制規(guī)律在水輪機(jī)調(diào)理中的運用成為能夠。在機(jī)械液壓型調(diào)速器時期，由于機(jī)械系統(tǒng)的局限性，不斷采用的是PI型控制規(guī)律。直到電氣型調(diào)速器出現(xiàn)后才實現(xiàn)了PID控制規(guī)律。在這一時期，為處理水輪機(jī)調(diào)速器的參數(shù)整定問題，文獻(xiàn)102105研討了控制參數(shù)對調(diào)理性能的影響，文獻(xiàn)106以Roth-Hurwitz穩(wěn)定性準(zhǔn)那么導(dǎo)出了穩(wěn)定參數(shù)區(qū)域，文獻(xiàn)107,108那么給出PID控制參數(shù)的整定方法。目前主要運用的有斯坦因公式和克里夫琴科公式109。 在實踐運轉(zhuǎn)過程中，水輪機(jī)的工況點是變化的，此時假設(shè)依然采用同一組控制參數(shù)能夠得不到理想的控制效果。文獻(xiàn)110指

16、出定參數(shù)PID調(diào)理沒有思索控制對象非線性、時變等特性，以一組參數(shù)用于整個控制域，無法獲得全任務(wù)域的最正確調(diào)理。文獻(xiàn)1,111,112根據(jù)變參數(shù)PID的思想提出了順應(yīng)式控制規(guī)律，以機(jī)組的運轉(zhuǎn)工況及工況點位置來決議當(dāng)前的PID控制參數(shù)。文獻(xiàn)113開展了以負(fù)荷程度調(diào)整參數(shù)的方法。文獻(xiàn)114經(jīng)過求線性二次型目的函數(shù)最小值得到PID優(yōu)化參數(shù)。文獻(xiàn)115那么利用遺傳算法來優(yōu)化水輪機(jī)調(diào)速器的參數(shù)，文獻(xiàn)116研討了在不同負(fù)荷下抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器的最優(yōu)參數(shù)整定問題。由于調(diào)理系統(tǒng)的特性特別是非線性、變構(gòu)造變參數(shù)等，經(jīng)典控制實際難以順應(yīng)越來越高的調(diào)理要求，更為復(fù)雜、高級的現(xiàn)代控制實際的運用成為必然。隨著現(xiàn)代控制實際

17、的開展，基于現(xiàn)代控制實際的自順應(yīng)控制3、變構(gòu)造時變參數(shù)自完善控制4,5,117、模型參考多變量最優(yōu)控制6 7、魯棒控制8 9 、預(yù)測控制118、非線性補(bǔ)償控制等的有關(guān)水輪機(jī)調(diào)理系統(tǒng)的控制模型和控制方法也被提出并進(jìn)展了大量的實際研討。經(jīng)典控制實際基于線性PID控制，很難實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的控制，同時對系統(tǒng)的參數(shù)順應(yīng)性差?，F(xiàn)代控制實際基于被控對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型設(shè)計，當(dāng)被控對象的信息缺乏時，就能夠無法進(jìn)展系統(tǒng)辨識和系統(tǒng)構(gòu)造重構(gòu)。而所謂順應(yīng)性、魯棒性都是在一定的范圍內(nèi)滿足一定的約束條件前提下實現(xiàn)的。自順應(yīng)過多地依賴于被控對象的構(gòu)造信息，控制效果取決于參考模型的正確程度，它只適宜于被控對象參數(shù)變化緩慢、非線性不嚴(yán)重的場所，并且由于其辨識及控制算法復(fù)雜并要求調(diào)速器具有較高的實時性，這限制了它在實踐中的運用。當(dāng)水輪機(jī)調(diào)理對象在多工況、多構(gòu)造、大范圍運轉(zhuǎn)時，呵斥自順應(yīng)控制詳細(xì)實現(xiàn)上的困難。隨著智能控制實際蓬勃開展，人們嘗試將智能控制的實際和方法用于水輪機(jī)控制系統(tǒng)中。文獻(xiàn)4首先將智能處置技術(shù)引入水電機(jī)組控制中，改善了控制效果。其后，文獻(xiàn)18,21,23將模糊控制引入水輪機(jī)調(diào)理中，文獻(xiàn)24，121討論了水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，文獻(xiàn)25將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制結(jié)合討論了水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合控制，文獻(xiàn)22那么給出了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID復(fù)合控制