水輪機調(diào)速器PID參數(shù)的智能化控制

1、如果您需要使用本文檔，請點擊下載按鈕下載!水輪機調(diào)速器PID參數(shù)的智能化控制武漢事達電氣股份有限公司摘要：當前大型機組的調(diào)速器國產(chǎn)化日漸成熟，相對于進口設(shè)備，我國的硬件水平和國外相對而言還有很大的差距，但在軟件方面，我們的設(shè)計理念還是處于國際先進水平，本文詳細的介紹了當前調(diào)速器PID參數(shù)設(shè)定的智能化控制的方法。關(guān)鍵字：調(diào)速器、PID參數(shù)、IPC、智能化控制Keyword：Speed Governor，PID parameter，IPC，Intelligent control1、 水輪機調(diào)速器的大致介紹水輪發(fā)電機組把水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┕I(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)及人民生活等用戶使用。用戶在用電過程中除要求供電

2、安全可靠外，對電網(wǎng)電能質(zhì)量也有十分嚴格的要求。按我國電力部門規(guī)定，電網(wǎng)的額定頻率為50Hz，大電網(wǎng)允許的頻率偏差為0.2Hz。對我國的中小電網(wǎng)來說，系統(tǒng)負荷波動有時會達到其總?cè)萘康?%10%；而且即使是大的電力系統(tǒng)，其負荷波動也往往會達到其總?cè)萘康?%3%。電力系統(tǒng)負荷的不斷變化，導(dǎo)致了系統(tǒng)頻率的波動。因此，不斷地調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組的輸出功率，維持機組的轉(zhuǎn)速（頻率）在額定轉(zhuǎn)速（頻率）的規(guī)定范圍內(nèi)，就是水輪機調(diào)節(jié)的基本任務(wù)。 水輪機調(diào)速器是水電站水輪發(fā)電機組的重要輔助設(shè)備，它與電站二次回路或計算機監(jiān)控系統(tǒng)相配合，完成水輪發(fā)電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等任務(wù)。水輪機調(diào)速器還可以與其他裝置一

3、起完成自動發(fā)電控制（AGC）、成組控制、按水位調(diào)節(jié)等任務(wù)。同時在目前的電網(wǎng)的需要下，對于微機調(diào)速器必須具備一次調(diào)頻功能，要求水輪機調(diào)速器能夠在根據(jù)電網(wǎng)的頻率來改變自身的符合達到參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)的作用。2、 水輪機調(diào)速器的PID結(jié)構(gòu)介紹 目前在水輪機調(diào)速器系統(tǒng)除國外極少數(shù)公司采用串聯(lián)PID結(jié)構(gòu)外，國內(nèi)大多數(shù)公司都采用并聯(lián)PID結(jié)構(gòu)，下圖 圖1所示為國內(nèi)目前常用微機調(diào)速器的PID結(jié)構(gòu)圖。圖1 微機調(diào)速器結(jié)構(gòu)圖圖1中： fg機組頻率（Hz）； fc頻率給定（Hz）； yc開度給定相對值；如果您需要使用本文檔，請點擊下載按鈕下載! KP比例增益； KD微分增益（s）； KI積分增益（s1）；T1v微

4、分環(huán)節(jié)時間常數(shù)（s）。由上圖構(gòu)成的傳遞函數(shù)如下： （1-1） DF(S)為頻差Df的拉普拉斯變換。在式(1-1)中，若忽略數(shù)值上很小的Ty和T1v，且取永態(tài)差值系數(shù)bp=0，則它就成為下式： （1-2）比較式（1-1）可得： （1-3） 由于微機調(diào)速器的微機調(diào)節(jié)器已經(jīng)不再包括接力器，故其傳遞函數(shù)為： （1-4） 3、 水輪機調(diào)速器PID參數(shù)的數(shù)字化描述【1】（1）暫態(tài)差值系數(shù)bt 永態(tài)差值系數(shù)（bp）為零時，緩沖裝置不起衰減作用，它在穩(wěn)態(tài)下的差值系數(shù)就稱為暫態(tài)差值系數(shù)bt。 圖2所示為暫態(tài)差值系數(shù)bt的表述： （1-5） 圖2中可以看出：緩沖裝置不起衰減作用時，暫態(tài)差值系數(shù)bt和永態(tài)差值系數(shù)b

5、p有相同的含義為調(diào)速器靜態(tài)特性圖上某點切線斜率的負數(shù)。在工程應(yīng)用上可取為接力器全關(guān)(y=0)和全開(y=1.0)時對應(yīng)的頻率相對值之差。當然，實際的緩沖裝置特性是衰減的，因而可以認為bt是緩沖裝置在動態(tài)過程中“暫時”起作用的強度。如果您需要使用本文檔，請點擊下載按鈕下載! 圖2 暫態(tài)差值系數(shù) 圖3 緩沖裝置時間常數(shù) （2）緩沖裝置時間常數(shù)Td 輸入信號停止變化后，緩沖裝置將來自接力器位移的反饋信號衰減的時間常數(shù)稱為緩沖裝置的時間常數(shù)Td（見圖3）。如果把某一開始衰減的緩沖裝置輸出信號強度設(shè)為1.0，那么至它衰減了0.63為止的時間就是Td。 （3）加速時間常數(shù)Tn圖4 加速時間常數(shù) 當取永態(tài)差

6、值系數(shù)bp和暫態(tài)差值系數(shù)bt為零，頻率信號x按如圖4所示形狀變化，接力器剛剛反向運動時，被控參量（頻率）相對偏差x1與加速度(dx/dt)1之比的負數(shù)稱為加速度時間常數(shù)。 （1-6） 4、 PID參數(shù)智能化控制的分析由上述介紹可以得知，水輪機調(diào)速器PID參數(shù)具體整定值與Tw和Ta有關(guān)，根據(jù)國內(nèi)外對于水輪機調(diào)速器的相對穩(wěn)定性分析的結(jié)論：在單機工作時，水輪機調(diào)速器參數(shù)整定范圍應(yīng)既能保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定，又要能獲得良好的動態(tài)品質(zhì)。在與大電網(wǎng)并列工作時，調(diào)速器參數(shù)整定主要考慮調(diào)速器的速動性。實際上每一個工況，水輪機及負荷的參數(shù)均不同，為了獲得最佳的動態(tài)過程，均可找出一組特定的參數(shù)整定值。目前國內(nèi)生產(chǎn)的微機

7、調(diào)速器調(diào)節(jié)器主要采用兩組參數(shù)。大多數(shù)電站一組參數(shù)按單機空載工況整定，另一組按與大電網(wǎng)并列運行工況整定。所以前一組參數(shù)較大，以保證穩(wěn)定性；后一組參數(shù)較小，以保證速動性。兩組參數(shù)可自動切換，一般采用調(diào)速器內(nèi)部的工況轉(zhuǎn)換系統(tǒng)自動識別。Tw水流慣性時間常數(shù)（s）； Ta機組慣性時間常數(shù)（s）；該參數(shù)具體定義如下：如果您需要使用本文檔，請點擊下載按鈕下載!水輪機過水管道存在著水流慣性，通常用水流慣性時間常數(shù)Tw來表述： （1-7）式中： A每段過水管道的截面積（m2）； L相應(yīng)每段過水管道的長度（m）； v相應(yīng)每段過水管道內(nèi)的流速（m/s）； g重力加速度（m/s2）；Tw水流慣性時間常數(shù)（s）。水流慣

8、性時間常數(shù)Tw的物理概念是：在額定水頭Hr作用下，過水管道內(nèi)的流量Q由0加大至額定流量Qr所需要的時間。水輪發(fā)電機組存在著機械慣性，可用機組慣性時間常數(shù)Ta來表述： （1-8）式中： 額定轉(zhuǎn)速時機組的慣性矩（kgm2）； Mr機組額定轉(zhuǎn)矩（Nm）； GD2機組飛輪力矩（kNm2）； nr機組額定轉(zhuǎn)速（r/min）； Pr機組額定功率（kW）； Ta機組慣性時間常數(shù)（s）。 機組慣性時間常數(shù)Ta的物理概念是：在額定力矩Mr作用下，機組轉(zhuǎn)速n由0上升至額定轉(zhuǎn)速nr所需要的時間。由上述公式可得知，當電站修建完成后，壓力鋼管直徑、長度、水頭、機組功率、轉(zhuǎn)速、基本都為定值，可得機組慣性時間常數(shù)Ta和水流

9、慣性時間常數(shù)Tw。 國外研究情況【2】對于調(diào)速器參數(shù)的整定，在國外有大量的研究，通過計算機的計算，主要的采用的是斯坦因和克里夫琴科提出的推薦值。斯坦因建議：Tn0.5Tw，BpBt1.5Tw/Ta，Td3Tw （1-9）而克里夫琴科根據(jù)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在階越符合擾動作用下，過渡過程的調(diào)節(jié)時間Tp和最大超調(diào)量來評判動態(tài)品質(zhì)?？死锓蚯倏平ㄗh：TnTw， BtTa22.5Tw，Td11.5Tw （1-10）國內(nèi)研究情況【1】 相對于Ta和Tw的PID參數(shù)的整定范圍區(qū)間如下：如果您需要使用本文檔，請點擊下載按鈕下載! （1-11） 例如：某電站通過設(shè)計院查的當前機組的Ta=10.7s,Tw=2.65s，

10、那么根據(jù)公式1-11可得：Tn0.52.65=1.325s37%Bt74%7.95sTd15.9s由上述計算可知，當機組Tw和Ta一定的情況下，可使機組調(diào)速器的PID參數(shù)能夠在一定范圍內(nèi)。初步結(jié)論為：大型混流式機組由于其Ta和適中的Tw，故其Bt和Ta可按往小的方向整定，而對于貫流式機組，由于其流量較大，故其Tw較大而Ta較小，所以PID參數(shù)中的Bt和Td往大值方向整定。PID參數(shù)智能化控制的實現(xiàn)對于當前大中型水電站的調(diào)速器產(chǎn)品，目前對于微機調(diào)節(jié)器采用的集中數(shù)據(jù)采集單元采用的主要為PLC或其他的控制器，與其接口的人機界面目前主要采用的是平板液晶電腦，由于其集成了Windows的操作系統(tǒng)和大的存

11、儲設(shè)備，采用豐富的開發(fā)工具，例如C+Builder、VB、VC等等，是的參數(shù)的整定判斷成為可能。實現(xiàn)的步驟如下：輸入水輪機組的Tw和Ta，使其固化在平板液晶電腦中，作為數(shù)據(jù)判斷用。根據(jù)Ta和Tw，計算出調(diào)速器系統(tǒng)PID參數(shù)的整定范圍，并給予一定的裕度。對于滿足公式1-9，1-10，或1-11要求的參數(shù)準予下發(fā)至微機調(diào)節(jié)器中。而對于明顯不合理的PID參數(shù)例如：Bt20，Td16s的PID參數(shù)一定對用戶提醒，按此整定的PID參數(shù)會給機組帶來振蕩的后果。如用戶一定要求使用該組參數(shù)，則經(jīng)過再次確認后仍可下發(fā)至微機調(diào)節(jié)器。如果您需要使用本文檔，請點擊下載按鈕下載!該參數(shù)整定的流程如圖5圖5 PID參數(shù)智能化整定流程圖隨著當前大中型水電站的投產(chǎn)，對于采用IPC作為人機界面的調(diào)速器越