一種燈泡貫流式機組調速器系統運行參數尋優方法

五凌電力有限公司株溪口水電站 劉 禹 申潘威 錢 程 張 培 莫建安 五凌電力科技有限公司 張 培

水輪機調速系統一般采用PID控制規律，根據經驗或現場反復試驗獲取PID參數往往不易獲得最佳參數。雖然調速器廠家給出了調速器PID控制參數的可調范圍，但大部分均是給出一組PID參數，此組控制參數的選取需大量試驗驗證得到，在實際的水電機組上進行長時間、多工況及大規模試驗是不現實、也是不允許的。但如進行更真實的仿真，不能忽略水輪機和隨動系統部分的非線性因素，建立以神經網絡算法的水輪機非線性模型并對隨動系統加入限速、飽和等非線性環節，將大大提高仿真的真實性和可靠性。

優化調速器的速度控制環和功率控制環并給出最優控制器參數，結合引水系統、水輪機非線性模型、調速器模型、發電機模型、負荷模型、隨動系統模型，建立完整的非線性水輪機調節系統模型，以合理的分段線性化的水輪發電機組模型為基礎，以MATLAB計算機仿真為基本工具對速度控制環和功率控制環進行了優化，并給出了可供參考的最優控制器參數。

1 調速器運行參數尋優方法

1.1 調速器調節模式分析

在大多數情況下，機組并網后調速器的速度控制模式基本處于開環狀態，靠調整導葉開度(改變開度設定值)或通過監控系統LCU的AGC功能實現機組負荷的自動調整。在機組并網運行時，以上調節方式難以滿足電網系統動態、暫態和靜態調節要求。從系統動態特性的角度講，若不采用特定的調節器控制參數，機組調整導葉開度將需很長時間的過渡調節過程。從系統靜態特性看，需不斷地設定導葉開度，而導葉開度與機組有功功率并不存在一一對應關系，所以要實現機組輸出某一期望的有功功率，通常要經多次試驗才能得到調速器的相關調節參數，在很大程度上依賴于調度運行人員個人經驗。速度控制模式在并網運行的這些缺陷，不滿足電力系統水輪機調速系統一次調頻性能要求。

1.2 調節參數尋優方法

當給定有功功率變化時，機組須以較快速度和期望的軌跡過渡到有功功率給定值，就可節約加速調節過程的調節時間，提高電網電能質量。所以要找到“最優”的調節器參數并與機組的運行工況相匹配，其實就是PID調節參數優化問題。由于機組處于不同的實際工作水頭、不同的空載開度，其帶孤網負荷的調節性質不同，機組調速器PLC有不同的調節參數。所以機組在某一工況下的“最優”PID參數在另一工況就可能不是最優的參數。

為解決這一問題一般有二方面措施：為滿足系統對調速器調節動態品質的需求，采用自適應控制的邏輯思路，機組配置連續的變參數調節，當機組運行工況變化時調速器的PID調節參數也需連續變化。用一般的可編程序控制器難以實現這樣算法復雜的控制方法，需在線辨識機組的調節特性，在實現路徑上存在一定的困難；基于魯棒控制的基本思路，可找到一個基于結構奇異值理論的水輪機調速器參數設計方法，該方法同時考慮了系統的穩定性與跟蹤性能，尋找這樣一組PID參數，當機組運行工況參數變化時能保證調速器系統的動態調節品質滿足要求。當機組參數發生大范圍變化時不一定存在這樣的PID參數。

結合上述兩種方法將機組運行工況劃分若干工況，在不同的運行工況下尋找一組“最優”的PID調節參數與之對應。既克服了第一種方法難以實現的困難，也解決了第二種方法難以找到“最優”PID調節參數問題，這也是目前株溪口電廠調速器采用的方法。在充分考慮各種因素的前提下，對于株溪口電廠調速器的功率控制器模式，在不同的工況下控制器采用可變最優PI調節參數以獲得盡可能快的調節時間。其優點在于不可能出現前饋失調現象，且一般情況下調節時間也可控制在更短時間以內。對于機組不同工況，最優PID調節參數獲取采用的主要工具為生物地理學算法。

通過以上分析，結合水輪機模型綜合特性曲線和飛逸特性曲線作為研究基礎，并輔以相應的運行參數，如在特定水頭下機組開度與出力的運行關系、機組甩負荷過程曲線等，用可變采樣頻率的特征線法模擬引水系統，運用神經網絡算法模擬水輪機組的流量特性、力矩特性，建立非線性仿真模型，為調速系統的仿真儀器提供研究基礎。株溪口電站現有調速器主要有速度控制模式和開度控制模式，據此研究調節系統動態品質，包括：調節系統在原有調節器參數、額定水頭下的動態品質仿真研究；水頭在全部可能的工作范圍內、調節系統在原有調節器參數的動態品質仿真研究，并給出相應評價；在水頭全部可能的工作范圍內，利用生物地理學算法找到一組“最優”PID參數，給出相應動態過程仿真并做出相應的評價，電站應用利用尋優參數整定后，在試驗過程中得出仿真與真機對比結論。

2 調速器實時仿真試驗及真機試驗對比分析

2.1 試驗風險分析

利用電站新改造的調速器在現場安裝完畢后的功能投運機會，把真實調速器和株溪口電站水輪發電機組調速系統仿真測試儀進行連接，通過水輪機調節系統過渡過程的實時仿真和離線仿真，避免真機試驗對機組造成的損壞。在無水情況下進行所有工況下各種故障進行模擬試驗（如調速器在功率控制模式下功率反饋故障模擬），查找新改造的調速器軟件和硬件上存在的問題并進行必要調整，減少有水情況下故障模擬的安全風險。

在無水情況下進行了各種動態特性試驗，通過設置調速器不同工作水頭和控制模式來整定調速器在各種工況下的調節器參數（包括一次調頻PID參數等），節約真機有水情況下進行大量試驗的時間，只需在有水情況下對優選的參數進行驗證即可，減少了對真機多次進行階躍擾動試驗帶來的破壞性風險。對于定PID參數的調速器，針對優選出來的PID參數在不同的水頭下進行仿真驗證，避免出現機組在不同工況下PID參數設置不當導致調節系統不穩定。

在無水情況下進行了甩負荷試驗，對真機甩負荷頻率上升情況和蝸殼水壓上升情況進行預估，提前判斷機組關機規律是否合理，避免真機甩負荷出現頻率過高、蝸殼進口水壓上升過高對機組造成巨大的損害。對電站可能出現的調速系統調節異常故障（如負荷反調、負荷波動）進行事故重演，有利于現場專業人員方便查出故障原因。仿真測試儀集成了調速系統測試儀的功能，可對調速系統進行各種動、靜態試驗，并進行各種指標分析。

2.2 實時仿真方法

由電站已安裝完畢的真實調速器（北京中水科技有限公司研制的調速器）和本實時仿真裝置一起構成閉環調節系統進行了一系列的實時仿真測試。布置測點儀器測量信號：導葉接力器行程；仿真儀器輸出信號：機組頻率、機組有功、發電機出口斷路器開關狀態。通過機組上位機監控系統下“開機令”至“調速器”，用調速系統綜合測試仿真儀記錄導葉開度及仿真模型輸出的機組頻率變化情況。在流道無水完成自動開機仿真試驗、空載擾動試驗、負荷調節試驗，在流道有水條件下進行負載工況開度控制模式的負荷調節試驗和甩負荷試驗，并經多次仿真試驗篩選，得出機組調速器最優空載調節參數和負載調節參數。

在整個試驗過程中需隨時記錄仿真機組在甩負荷時機組頻率、導葉接力器行程、蝸殼水壓的變化情況，檢驗調節控制參數的試驗結果是否滿足調保計算及閉環調速系統動態品質要求。

比較表1中真機和仿真機數據和圖1易知，在機組甩負荷后，兩者機頻上升曲線與蝸殼壓力變化曲線存在略微差異，但趨勢基本一致，對于不同水頭的甩負荷試驗，真機與仿真模型的過渡過程差異表現是不相同的。

表1 機組甩負荷頻率上升表

圖1 參數尋優后機組甩負荷過程圖

當真機做甩負荷試驗時，首先甩25%負荷，模型與真機的過渡過程幾乎一致；然后甩50%負荷，模型與真機轉速差最大是在轉速上升的最高點，之后的調速器反映的過渡過程表現一致；再甩75%負荷，模型與真機的轉速上升最大值誤差明顯偏大，最大差異有10%。由此可見，機組甩負荷過程中的轉速模型相近程度更好。甩負荷過程中，仿真機與真機調節的過渡過程存在差異，其根本原因是機組的運行工況(主要指導葉開度、流量和轉速)經歷了大幅變化，暫時無法獲得此過程中機組所穿越的工況區的準確力矩或流量樣本，如大轉速、小開度、高水頭、低負荷等。所以在此區域內，依據不真實的機組樣本訓練的神經網絡算法無法準確輸出符合機組自身的調節特性。

3 結語

通過調速器仿真裝置可離線進行調速器的控制規律、控制算法、控制邏輯和調節參數的尋優，避免在實際水輪機上進行長時間、大規模的試驗，提高電站水輪發電機組的可靠性、安全性。同時可通過離線仿真能再現機組負荷調整等過渡過程，便于過渡過程分析與評價，每次大修均可通過仿真儀器進行甩負荷試驗對比分析，維持了電站機組安全生產可持續發展的穩定局面。