水轮机调速器PID参数的智能化控制

水轮机调速器PID 参数的智能化控制

武汉事达电气股份有限公司

摘要：当前大型机组的调速器国产化日渐成熟，相对于进口设备，我国的硬件水平和国外相对而言还有很大的差距，但在软件方面，我们的设计理念还是处于国际先进水平，本文详细的介绍了当前调速器PID 参数设定的智能化控制的方法。 关键字：调速器、PID 参数、IPC 、智能化控制

Keyword ：Speed Governor，PID parameter，IPC ，Intelligent control

1、 水轮机调速器的大致介绍

水轮发电机组把水能转变为电能供工业、农业、商业及人民生活等用户使用。用户在用电过程中除要求供电安全可靠外，对电网电能质量也有十分严格的要求。按我国电力部门规定，电网的额定频率为50Hz ，大电网允许的频率偏差为±0.2Hz 。对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其总容量的5%~10%；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2%~3%。电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动。因此，不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。

水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路或计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。水轮机调速器还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC ）、成组控制、按水位调节等任务。同时在目前的电网的需要下，对于微机调速器必须具备一次调频功能，要求水轮机调速器能够在根据电网的频率来改变自身的符合达到参与系统的频率调节的作用。

2、 水轮机调速器的PID 结构介绍

目前在水轮机调速器系统除国外极少数公司采用串联PID 结构外，国内大多数公司都采用并联PID 结构，下图 图1所示为国内目前常用微机调速器的PID 结构图。

测频

图1 微机调速器结构图

图1中：

fg ——机组频率（Hz ）； fc ——频率给定（Hz ）； yc ——开度给定相对值；

KP ——比例增益； KD ——微分增益（s ）； KI ——积分增益（s –1）； T1v ——微分环节时间常数（s ）。 由上图构成的传递函数如下：

1T y S

1+

(b t +b p ) T d S +b p

1+T d S

1∙

T y S

1+T n S Y (S )

=-∆F (S ) 1+T 1v S

∙

=-

1+T d S 1+T n S

∙（1-1）

1+T 1v S T y T d S 2+[(b p +b t ) T d +T y ]S +b p

∆F(S)为频差∆f 的拉普拉斯变换。

在式(1-1)中，若忽略数值上很小的Ty 和T1v ，且取永态差值系数bp=0，则它就成为下式： 比较式（1-1）可得：

T d +T n ⎫

⎪b t T d ⎪

⎪1⎪

K I =⎬

b t T d

⎪⎪T n

K D =⎪

⎪b t ⎭

K P =

⎛T d +T n T n ⎫Y (S ) 1

=- ++S ⎪ b T ⎪ ∆F (S ) b T S b t d t ⎝t d ⎭

（1-2）

（1-3）

由于微机调速器的微机调节器已经不再包括接力器，故其传递函数为：

⎛T d +T n Y (S ) 1=- + b T ∆F (S ) b t T d ⎝t d

∙

1(T n /b t ) S ⎫

⎪ +⎪S 1+T 1v S ⎭

（1-4）

3、 水轮机调速器PID 参数的数字化描述【1】

（1）暂态差值系数bt

永态差值系数（bp ）为零时，缓冲装置不起衰减作用，它在稳态下的差值系数就称为暂态差值系数bt 。

图2所示为暂态差值系数bt 的表述： b t =-

d x f

d y （1-5）

图2中可以看出：缓冲装置不起衰减作用时，暂态差值系数bt 和永态差值系数bp 有相同的含义——为调速器静态特性图上某点切线斜率的负数。在工程应用上可取为接力器全关(y=0)和全开(y=1.0)时对应的频率相对值之差。当然，实际的缓冲装置特性是衰减的，因而可以认为bt 是缓冲装置在动态过程中“暂时”起作用的强度。

图2 暂态差值系数 图3 缓冲装置时间常数

（2）缓冲装置时间常数Td 输入信号停止变化后，缓冲装置将来自接力器位移的反馈信号衰减的时间常数称为缓冲装置的时间常数Td （见图3）。如果把某一开始衰减的缓冲装置输出信号强度设为1.0，那么至它衰减了0.63为止的时间就是Td 。 （3）加速时间常数Tn

当取永态差值系数bp 和暂态差值系数bt 为零，频率信号x 按如图4所示形状变化，接

力器刚刚反向运动时，被控参量（频率）相对偏差x1

与加速度(dx/dt)1之比的负数称为加速度时间常数。

T n =-

x 1

(dx /d t ) 1 （1-6）

图4 加速时间常数

4、 PID 参数智能化控制的分析

由上述介绍可以得知，水轮机调速器PID 参数具体整定值与Tw 和Ta 有关，根据国内外对于水轮机调速器的相对稳定性分析的结论：

在单机工作时，水轮机调速器参数整定范围应既能保证调节系统稳定，又要能获得良好的动态品质。在与大电网并列工作时，调速器参数整定主要考虑调速器的速动性。实际上每一个工况，水轮机及负荷的参数均不同，为了获得最佳的动态过程，均可找出一组特定的参数整定值。

目前国内生产的微机调速器调节器主要采用两组参数。大多数电站一组参数按单机空载工况整定，另一组按与大电网并列运行工况整定。所以前一组参数较大，以保证稳定性；后一组参数较小，以保证速动性。两组参数可自动切换，一般采用调速器内部的工况转换系统自动识别。

Tw ——水流惯性时间常数（s ）； Ta ——机组惯性时间常数（s ）； 该参数具体定义如下：

水轮机过水管道存在着水流惯性，通常用水流惯性时间常数Tw 来表述：

T w =

Q r gH r

∑A =∑gH

L Lv

（1-7）

式中：

A ——每段过水管道的截面积（m2）； L ——相应每段过水管道的长度（m ）； v ——相应每段过水管道内的流速（m/s）； g ——重力加速度（m/s2）；

Tw ——水流惯性时间常数（s ）。

水流惯性时间常数Tw 的物理概念是：在额定水头Hr 作用下，过水管道内的流量Q 由0加大至额定流量Qr 所需要的时间。

水轮发电机组存在着机械惯性，可用机组惯性时间常数T a 来表述：

GD 2∙n r 2

T a ==

M r 3580P r

式中：

J ωr

（1-8）

J ωr

——额定转速时机组的惯性矩（kg ·m2）；

Mr ——机组额定转矩（N ·m ）； GD2——机组飞轮力矩（kN ·m2）； nr ——机组额定转速（r/min）； Pr ——机组额定功率（kW ）； Ta ——机组惯性时间常数（s ）。

机组惯性时间常数T a 的物理概念是：在额定力矩Mr 作用下，机组转速n 由0上

升至额定转速nr 所需要的时间。

由上述公式可得知，当电站修建完成后，压力钢管直径、长度、水头、机组功率、转速、

GD 2基本都为定值，可得机组惯性时间常数T a 和水流惯性时间常数Tw 。

国外研究情况

【2】

对于调速器参数的整定，在国外有大量的研究，通过计算机的计算，主要的采用的是斯坦因和克里夫琴科提出的推荐值。斯坦因建议：

Tn ＝0.5Tw ，Bp ＋Bt ＝1.5Tw/Ta，Td ＝3Tw （1-9） 而克里夫琴科根据水轮机调节系统在阶越符合扰动作用下，过渡过程的调节时间Tp 和最大超调量来评判动态品质。克里夫琴科建议：

Tn ＝Tw ， Bt ×T a ＝2～2.5Tw ，Td ＝1～1.5Tw （1-10） 国内研究情况

【1】

相对于Ta 和Tw 的PID 参数的整定范围区间如下：

T n =0. 5T w 1. 5

T w T

3T w

⎫

⎪⎪⎬⎪⎪⎭ （1-11）

例如：某电站通过设计院查的当前机组的Ta=10.7s,Tw=2.65s，那么根据公式1-11可

得：

Tn ＝0.5×2.65=1.325s 37%

该参数整定的流程如图5

7.95s

由上述计算可知，当机组Tw 和Ta 一定的情况下，可使机组调速器的PID 参数能够在一定范围内。初步结论为：大型混流式机组由于其Ta 和适中的Tw ，故其Bt 和Ta 可按往小的方向整定，而对于贯流式机组，由于其流量较大，故其Tw 较大而Ta 较小，所以PID 参数中的Bt 和Td 往大值方向整定。

PID 参数智能化控制的实现

对于当前大中型水电站的调速器产品，目前对于微机调节器采用的集中数据采集单元采用的主要为PLC 或其他的控制器，与其接口的人机界面目前主要采用的是平板液晶电脑，由于其集成了Windows 的操作系统和大的存储设备，采用丰富的开发工具，例如C++Builder、VB 、VC 等等，是的参数的整定判断成为可能。实现的步骤如下：

输入水轮机组的Tw 和Ta ，使其固化在平板液晶电脑中，作为数据判断用。

根据Ta 和Tw ，计算出调速器系统PID 参数的整定范围，并给予一定的裕度。

对于满足公式1-9，1-10，或1-11要求的参数准予下发至微机调节器中。

而对于明显不合理的PID 参数例如：Bt ＝20％，Td ＝16s 的PID 参数一定对用户提醒，按此整定的PID 参数会给机组带来振荡的后果。如用户一定要求使用该组参数，则经过再次确认后仍可下发至微机调节器。

图5 PID 参数智能化整定流程图

随着当前大中型水电站的投产，对于采用IPC 作为人机界面的调速器越来越多，也必将成为大型调速器发展的必然方向，仅需在上位机IPC 编制简单的程序就可实现PID 参数智能化判断的功能，同时也能使电站在参数整定过程中避免因错误的操作参数整定单元造成机组的振荡。

参考文献：

1 水轮机控制工程 魏守平 华中科技大学出版社 2005年 2、水轮机调节 沈祖诒 河海大学 1992年