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1、水力发电学报2003年第4期JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERING总第83期水轮机调速器的PID调节规律魏守平卢本捷(华中科技大学水电与数字化工程学院,武汉430074)摘要:本文根据水轮机调节系统的特点分析了PID调节规律在水轮机调速器中的具体应用及PID参数的选择,指出现代水轮机调速器中的主导调节规律还是PID调节。关键词:自动控制技术;水轮机电液调速器;PID调节;并联式结构;串联式结构+中图分类号:TK73041文献标识码:A1引言[1]国内外水轮机数字式电液调速器均采用PID或以PI
2、D为基础的调节规律。在PID调节中,又有并联PID和串联PID(即频率微分+缓冲式)两种基本结构。国内生产厂家均采用并联结构,近几年从国外进口的大型机组的调速器则大多采用串联结构。近年来,国内外都在进行自适应控制、模糊控制等调节规律在水轮机调节中应用的仿真研究与应用探索,取得了一些初步理论结果,但尚无采用这些调节规律的数字式电液调速器在水电站试验成功的报道。2水轮机调速器的调节规律21水轮机调节系统的特点水轮机调节系统是一个闭环自动控制系统,除具有闭环系统固有的特征外,还具有以下特点:1)存在水流惯性时间常数Tw,即有引水系统水锤效应
3、,使系统成为一个非最小相位系统;2)存在机组惯性时间常数Ta,使调节系统有一个Ta=(2~12)秒的惯性环节;3)机组型式的多样性(混流式、轴流式、贯流式)导致的特性差异,水轮机功率对于水头及导叶开度的非线性特性,机组空载、并入大网和孤立等运行工况的不同性能要求,使其成为一个复杂的非线性系统。22水轮发电机组不同运行工况对调速器的主要技术要求GBT965211997对于调速器性能和功能要求已作了明确详细的规定,水轮机调速器[3]应满足其要求。从水电站当前的运行实践看,机组不同运行工况对水轮机调速器的主要求可归纳如下:1)调速器的调
4、节规律应具有以永态转差系数bp为特征的满足转速死区ix要求的静态特性。收稿日期:20021114作者简介:魏守平,1939年生,男,教授魏守平等:水轮机调速器的PID调节规律1132)被控机组在空载运行工况下应能在运行水头范围内,调节机组的转速使其摆动值小于标准规定的要求,有利于机组快速地并入电网。3)被控机组在并入大电网运行时,由于现代电力系统的总容量很大且负荷容量和性质变化复杂,即使是被控机组容量很大的调速器,不可能也不必要辨识出电力系统的负荷特性。这种情况下的主要要求是:调速器接收水电站自动发电控制系统(AGC)指令,快速而单调地
5、使被控机组有功功率等于给定值;当被控机组承担调频任务时,按水电站自动发电控制系统(AGC)调频指令,调节被控机组的有功功率,与其它调频机组一起维持电网频率在正常范围内;在机组断路器分闸时,调速器能够快速可靠地控制机组至空载运行工况。至于牵涉到电力系统振荡和稳定、电力系统潮流控制等问题,则应由电力系统调度系统AGC、水电站和变电站继电保护系统和水电站计算机监控系统AGC来进行控制。换言之,调速器控制的机组可近似看成是并入一个无穷大容量的电网,在大多数情况下,调速器主要是工作于机组功率(导叶开度)控制器的模式。4)被控机组与并入的大电网解列、在
6、孤立小电网运行,对于大多数机组而言是一种事故和暂时的工况。此时对调速器的主要要求是,根据电网频率偏差调节控制机组的有功功率,使电网频率保持在允许范围内;在负荷变化时,使电网频率的恢复过程能有良好的动态性能。值得指出的是:国际和国内的有关标准对于这种小网运行工况的技术性能,都没有具体的规定。这是由于这种工况的影响因素多而复杂,例如:被控机组功率占小网总容量的比例、负荷性质、最大负荷突变值占小电网总容量的比例等。23水轮机调速器的PID调节规律231并联PID调节结构和串联PID的结构图1并联PID传递函数结构图Fig.1Stru
7、ctureoftheparallelPIDtransferfunction114水力发电学报图2串联PID传递函数结构图Fig.2StructureoftheserialPIDtransferfunction图1和图2给出了并联和串联PID的传递函数结构图。图中:f频率偏差,yPID计算导叶开度,KP、KI、KD比例、积分、微分系数,bp(ep)永态差值系数(功率永态差值系数),bt、Td、Tn暂态差值系数、缓站时间常数、加速度时间常数,T1v微分衰减时间常数,Ty积分环节时间常数。232机组频差F(S)至计算导叶开
8、度YPID(S)的传递函数[1]当取bp=0和忽略Ty,T1v的作用时,并联和串联PID结构有同样的传递函数:TnSYPID(S)K1KDSTd+Tn11bt=KP++=++(1
