水轮发电机组最佳开机规律研究与实践.doc

水 利 学 报 2004 年 3 月 shuili xuebao 第3期文章编号：0559-9350 2004 03-0053-07 水轮发电机组最佳开机规律研究与实践 张江滨， 解建仓， 焦尚彬 西安理工大学 水电学院，陕西 西安，710048 摘要：本文对常见的水轮发电机组开机规律进行了深入分析比较，指出其存在的问题。在综合开环开机规律和闭环 开机规律优点的基础上，提出了“开环闭环”新型开机模式，解决了开机过程中的快速性与平稳性之间的矛盾，并 且分析研究了调节参数以及测频信号有效起始点对开机过程的影响。在不引入水头信号情况下，?庵挚侥芄?很好地处理开机过程中启动开度设定问题，在微机调速器中以简单的控制实现了自适应开机规律。通过仿真计算与 电站运行证明，效果显著。 关键词：水轮发电机组； 最佳开机规律； 超调量； 微机调速器 中图分类号：tk730.7 文献标识码：a 水电机组在电力系统中主要承担着调峰、调频任务和事故备用任务，机组启停频繁，要求水轮机调速器必须要具备快速开机并网控制功能，文献1对机组的开机并网过程已有相应的规定。机械液压型调速器和绝大部分电气液压型调速器开停机操作借助于机械开度限制机构，并通过外部的机组顺控线路盘实现对开限电机的控制.微机调速器和少数电调能够直接接受简单的开停机接点指令信号，由内部电气开度限制实现机组开停机操作。 微机调速器经过近 20 年发展已基本成熟，但其开停机操作一直沿用传统的控制思路，用开度限制实现机组的停机状态到空载调节状态平稳过渡开机，或强行退出空载调节状态使机组开度关到零停机。微机调速器在接到开机令后，先将开度限制打到启动开度空载开度稍上， 导叶开度快速跟随至启动开度，当转速接近给定值（额定转速情况下，pid 自动调节发挥作用，使机组转速稳定在给定值附近。这种开机过程存在着快速性与平稳性之间的矛盾，如果启动开度大，转速上升快，较短时间内可以达到额定转速，但由于自动调节反应滞后，转速升高大；相反地，如果启动开度小，转速上升慢，开机时间延长，那么很 2难选择一个合适的启动开度。改进型开机规律采用两个启动开度 ， 开机时先将开限打到第一启动开度较大，等到转速达到 90额定转速时，再将开限打到第二启动开度较小，以限制过快的转速上升速率。同时为了适应水头变化对空载开度的影响，把水位信号引入微机内对启动开度进行补偿运算，在一定程度上缓解了上述矛盾。许多微机调速器说明中都具有 “自适应开机”功能，如武汉水电控制设备公司的 wt_plc 3系列可编程微机调速器 、武汉事达电气有限公司 bwt/mfwt 系列可编程微机调速器等都属于改进型的开机规律。但是，这种开机规律在实际应用中经常收不到预期的效果，因为启动开度的设定和切换时刻的选择带有任意性，不同机组的空载开度随水头、 效率变化存在一定差异， 加之导水机构死区和导叶间隙变化，造成开机参数的整定很难把握，在机组运行中时常要人为修改开机参数。 上述开机规律在开始的较长时间内，转速频率信号未参与调节，因而称其为开环开机。开环系统对自身参数的变化比较敏感，而闭环控制则能实现高精度控制，以闭环控制方式实现的开机过程称为闭环开 收稿日期：2003-07-15 基金项目：国家自然科学基金项目资助50279041 作者简介：张江滨1962-，男，陕西泾阳人，副教授，主要从事水利电力自动化科学研究及教学工作。 53 水 利 学 报 2004 年 3 月 shuili xuebao 第3期 4机规律。闭环开机早在电调中就有采用 ，如武汉长江控制设备研究所的 jst_100 集成电路式电调，以及 3近年生产的 dkt_k 系列可编程微机调速器 。 闭环开机的转速给定值从零到额定转速按一定的变化规律直线或指数变化，机组转速跟踪给定值变化，不像开环开机的转速给定值一开始就为额定转速，文献5介绍一种模型参考闭环开机规律，频率给定的变化规律由参考模型给出。闭环开机的前提条件是要能检测到较低的机组转速，微机调速器原则上能够测量 1hz 以下的信号，但为了消除噪声的影响，残压测频取最低信号幅值为 0.20.5v，按额定转速下残压 12v 折算，实际上有效最低测量频率在 525hz，考虑到长期停机转子剩磁会减小，设计时留有一定的裕量，认为大于 30hz 信号才十分可靠。通常闭环开机转速给定值一开始上升较快，但此时却没有转速信号反馈，等到能检测到机组转速时，导叶可能已开到远大于空载开度的位置，之后转速上升很快，将大大超过额定转速。本文综合了开环开机和闭环开机的优点，采用“开环闭环”开机规律，能很好地解决了开机过程中快速性与平稳性之间的矛盾，并已在实际应用中取得了良好的效果。1 “开环闭环”开机原理 机组在停机状态下，调速器接到开机命令后，在开度控制方式下，将开度给定设置为启动开度，频率给定设定为 40hz，开度迅速开大到启动开度，当频率上升至 40hz 时，pid 调节自动投入，并且频率给定值开始按设定规律从 40hz 自动增加到 50hz频率跟踪情况下为电网频率，机组频率将比较平稳地进入到50hz。 当启动开度设定值比空载开度大时，频率上升很快，进入 pid 调节后，比例p、积分i和微分d三部分同时作用迅速使开度减小，频率上升速率减缓，之后频率上升将跟随频率给定值上升到 50hz 稍上；当启动开度设定值小于空载开度时，频率上升较慢，如果频率能达到 40hz 进入 pid 调节，此时 p、i 和 d三部分同时作用使开度增大超过启动开度，频率上升速率加快，之后频率变化过程与上述相同。 经过分析，调速器启动开度最小值可设定在空载开度以下40hz 空转对应的开度稍上，启动开度最大 5值可设定在 24 倍空载开度 。 对于水头变幅较大的机组，设定的启动开度取最低水头下空载开度的 1.2倍，该启动开度能可靠保证进入 pid 调节阶段，而该启动开度一般不会大于最高水头下空载开度的 24倍，因而也不需要担心机组过速。 虽然开环开机规律与“开环闭环”开机规律具有类似的过程，但是开环开机进入 pid 调节时刻的机组频率为 45hz、频率给定值为 50hz，pid 调节一旦投入，必然作用于开大机组开度，如果启动开度偏大，势必造成过大的转速上升，必须借助于开度限制关小开度以限制机组过速。相反地，如果启动开度偏小，即使能进入 pid 调节，由于开限控制方式限制了开度增大，使 pid 调节作用不能有效发挥，导致机组开不起来。而“开环闭环”开机进入 pid 调节后，频率给定值从 40hz 增加到 50hz 有一段时间，机组频率从40hz 上升到 50hz 也需要一定的时间，在开度控制方式下，pid 调节输出结果与开度控制结果叠加，允许pid 自由调节开度大小，机组频率从给定值 40hz 开始调节，经过一段时间可以保证机组频率在给定值 50hz基本达到稳定。2 开机规律仿真研究 为了充分说明“开环闭环”开机规律的正确性，现建立系统的数学模型分析计算，在图 1 水轮机转速自动调节系统框图中，水轮机为考虑刚性水击数学模型，并取 eg0，ey1.0，ex-0.3，eh1.5，eqy1.0，eqx0eqh0.5，tw1.0s发电机为单机带负荷空载数学模型，并取 ta5.0s，eg0；调速器为微分加速度校正的辅助接力器型数学模型，调节参数选用斯坦因推荐值：tn0.5tw0.5s，bt1.5tw/ta0.3，td3.0tw3.0s，并取 bp0，ty0.1s。 54 水 利 学 报 2004 年 3 月 shuili xuebao 第3期 开环开机时，接力器开启规律如图 2 所示。其中 y0 为启动开度，tk 为开机时间，接力器开度 y 的拉 图1 水轮机转速自动调节系统框图氏变换为 1 y s 2 1 e st0 1 tk s转速 x 的拉氏变换为 1 tw s 1 1 x s gt s g g s y s 1 e st0 2 1 0.5tw s ta s e x tk s 2 闭环开机时，为了分析问题简单起见，设转速给定 c 也按直线变化规律。在 tc 时间内，c 从 0 直线增加到 1，之后保持不变。同样地，在进行适当简化后，可以得到转速 x 的拉氏变换 td s 1 1 tw s 1 x s 1 e st0 ty tc s 2 3 bt td s s 1 1 0.5tw s ta s e x tn s 1td s 1 1 tw s b t 图2 开环开机接力器开启规律 图3 水轮发电机组开机过程模型 55 水 利 学 报 2004 年 3 月 shuili xuebao 第3期 对式2进行反拉氏变换就得出开环开机在未投入 pid 调节前转速 xt的变化规律，同样地，对式3进行反拉氏变换就得出闭环开机转速 xt的变化规律。但是进行反拉氏变换需要大量复杂的数学演算过程，此时运用经典控制理论中频域法进行间接分析。图 1 模型适用于线性小波动情况，对于工况变化较大的开机过程，模型中还需计入非线性环节。但是频域法对非线性系统分析有局限性。建立系统仿真模型，编制计算机程序进行仿真计算，能直接得出各变量随时间变化过程。仿真模型一般为一阶微分方程组，即系统状态方程，可由线性系统的传递函数、结构框图转换得到，也可以直接建立描述系统运动的一阶微分 6方程组，与非线性环节代数方程一起，可构成非线性系统仿真模型 。 matlab 语言是目前国际上流行的科学与工程计算软件，具有强大的工具箱函数，所提供的 simulink可视化图形模块对动态系统建模、仿真和分析十分方便，它可以将使用者从繁琐的底层编程中解放出来， 7将主要精力花在解决问题上 。图 3 是采用 simulink 建立的水轮发电机组开机过程模型。其中：接力器开启时间 tk4tw4.0s，有效始点频率 fst0.2fe相当于 10hz，空载开度 yk30。在图 3 中，频率给定值 c 由阶跃输入 step 和斜波输入 ramp 通过选择开关 switch 在不同转速时进行组合，开度限制 yl 在不同转速时由选择开关 switch1 进行切换，转速 x 有效起始点由选择开关 switch2 进行切换。 图 4 所示为闭环开机过程仿真曲线，tc 分别取 0s，15s，30s。可以看出，不管频率给定值 c 是快速改变图 4a，还是慢速改变图 4c，接力器行程 y 和转速 x 摆动都非常剧烈。原因是水击作用使得机组出力滞后，机组惯性使得转速变化滞后，频率信号大于 fst 才有，频率给定 c 还未发生较大变化时，接力器已开到很大开度，导致随后的调节过程变化剧烈。 图 5 所示为开环开机过程仿真曲线，用开度限制 yl 设定启动开度，yl 分别取 60，45，28。可以看出，随着启动开度的减小，转速上升到额定转速的时间延长，超调量减小，对于图 5c启动开度小于空载开度即 ylltyk情况，转速根本达不到额定值，机组则不能正常开启。 图4 闭环开机过程仿真曲线 图5 开环开机过程仿真曲线 图 6 所示为“开环闭环”开机过程仿真曲线，先用开度控制设定启动开度，同样地 yl 分别取 60， 56 水 利 学 报 2004 年 3 月 shuili xuebao 第3期45，28。开机时，频率给定值 c 设定为 0.8fe 额定频率，当转速上升到 0.8ne 额定转速后，频率给定值按 tc30s 的变化斜率上升到额定值。 图6 “开环闭环”开机过程仿真曲线 可以看出，转速在上升到 0.8ne 之前的转速变化曲线与开环开机过程相同，进入闭环调节后，开度变化曲线与开环开机过程明显不同。特别值得注意的是，在闭环调节阶段，开度已不受启动开度的限制，能够进行自由调节，从而在启动开度小于空载开度时，也能将机组正常开启。这样一来，当启动开度在较大范围内设定时，并不影响机组的正常开机，同时转速超调较小，且大小基本不变。因此，对于水头变化较大的机组，启动开度可以以最小水头下对应的最大空载开度为准，当水头为最大水头时，开机过程也不会产生过速现象。以上三种开机过程中的 pid 调节参数是按推荐公式整定的，为了说明调节参数变化对开机过程的影响，下面采用直接闭环开机，转速给定值 c 阶跃输入如图 4a，现另取三组调节参数，图 7 给出了仿真曲线。其中在第 3 组调节参数下结果比较理想，虽然转速上升速率很大，可是转速并没有超调，这是因为测频微分时间常数 tn 较大的缘故。较大的超前调节作用能有效地抑制了转速过调。另外，要使测频微分能够发挥作用，首先要能够检测到频率信号。图 8 给出了有效始点频率 fst0.4fe，0.6fe，0.8fe 时的仿真曲线。可以看出，在 fst0.8fe 时转速有高达 20的超调量。因此，测频信号有效起点或 pid 调节投入时刻不能太晚。 1bt0.6，td1.5s，tn1.0s 1fst0.4fe，2fst0.6fe，3fst0.8fe 2bt1.2，td0.75s，tn2.0s 图8 频率有效起点变化时开机过程仿真曲线 3bt1.8，td0.5s，tn3.0s bt1.8，td0.5s，tn3.0s 图7 调节参数变化时开机过程仿真曲线fst0.2fe3 实际应用 “开环闭环”开机原理已成功用于陕西省宁强县卧龙台水电站两台 ywt_3000 调速器、云南省永平县沘江水电站两台电调改造为 ywt_3000 调速器以及其他水电站实际运行中。ywt_h 微机调节器采用飞利浦高 57 水 利 学 报 2004 年 3 月 shuili xuebao 第3期性能微控制器 p87c552 为核心，采用芯片级电路整体结构优化设计，除开关电源外，微机调节器仅有主控和显示两块电路板，内部基本上取消转接线，具有很高的可靠性和抗干扰能力。在主控电路板上，用光耦代替了传统的机组、电网频率隔离变压器，用 at89c2051 单片机实现的 pwm 电压调制式五相步进电机驱动电源。显示电路板装有 led 数码管以及指示各种状态的发光二极管，能够同时显示机组频率、频率给定开度给定、实际开度、限制开度，另有设置窗口切换显示各种参数。调速器液压系统结构为步进式机液随动系统。图 9 所示为 ywt_h 微机调速器系统框图。 图9 ywt_h 微机调速器系统框图 ywt_h 微机调速器除具备常规的控制调节功能外，还具有开机频率跟踪，手动自动无扰动切换，与上位机通讯，无信号保护，断电、上电保护等功能，特别适合于中小型水电站应用。ywt_h 微机调速器的“开环闭环”开机软件流程如图 10 所示。4 结 论 通过上面分析和仿真研究以及应用可得到以下结论： 1.闭环开机虽然能够充分利用转速在开机过程反馈调节作用。 但是闭环开机要求调速器必须能够测量到很低的机组转速磁盘测频，还要求选择较好的调节参数以及合适的频率给定变化规律，而这些往往会受到实际条件的限制。 2.广泛采用的开环开机方式，通过开度限制能实现机组从停机状态到空载状态的平稳过渡，安全可靠。但是在空载开度变化较大的情况下，要想得到较好的效果，运行操作比较繁琐，或者控制条件复杂。3.“开环闭环”开机综合了开环开机和闭环开机的优点，先开环开机进行转速的粗调，使机组接近空载运行状态， 转速信号可靠有效，进入闭环开机后，利用自动调节作用进行转速细调。在闭环调节过程中转速给定值与实际转速不会产生过大 图 10 “开环闭环”开机软件流程图的偏差，从而不会引起较大的转速波动。4.“开环闭环”开机过程中不使用电气开限设置为运行最大值，而采用开度控制方式设定启动开度，因此在进入 pid 闭环调节后，开度不会受电气开限的限制。所以， “开环闭环”开机过程既快又稳，又能够适应机组空载开度在较大范围变化，是一种简单较理想的开机控制方式。经过多个实际电站运行，控制效果优良。参考文献： 58 水 利 学 报 2004 年 3 月 shuili xuebao 第3期 1 iec61362:1998，guide to specification of hydraulic turbine control systems. 2 魏守平.现代水轮机调节技术m.武汉：华中科技大学出版社，2002. 3 王定一等.水电厂计算机监视与控制m.北京：中国电力出版社，2001. 4 沈祖诒. 水轮机调节第一版m.北京：水利电力出版社，1980. 5 叶鲁卿.水力发电过程控制理论、应用与发展m.武汉：华中科技大学出版社，2002. 6