CN114725956A - 一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，包括：在频差的输入环节，分别在比例、积分和微分环节，对输入的频差进行限制；在PID总的输出环节增加一个预设的空载开度，对频率PID进行调节，其中，所述空载开度为机组在空载工况，维持在额定频率时，对应的导叶开度；根据预设的水头与空载开度的数组，采用插值法查找空载开度，利用空载开度反算出积分输出限制的最大值，对积分输出进行限制；在机组空载时，如果机组暂时没有同期并网的需求，暂时将PID计算闭锁，将当前综合导叶开度给定保持不变，对频率的稳定性进行控制，本发明实现了水电机组频率控制的速动性和稳定性控制要求。

Description

一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法

技术领域

本发明涉及一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，属于水轮发电机技术领域。

背景技术

目前国内，水电机组调速器大部分采用的是数字调速器，频率控制采用经典的PID调节，机组在空载态运行，需要的是将机组频率快速而精准地稳定在额定频率附近，为快速并网提供技术条件。常规的控制方法频率拉升较慢、超调量大、精准度差。图1是常见的调速器频率调节原理框图，

图1中，可以看到，频率给定与频率反馈做差后，得出Δf，送至PID模块计算，得出PID输出，然后施加到执行机构，控制水轮发电机组的机组频率。

机组从静止提升到额定转速过程中，由于机组自身存在一定的惯性(惯性大小因机组类型、质量不一)，这样如果需要机组快速启动到额定转速时，由于PID参数不能设置过大(设置过大，将导致小频差调节不稳定)，所以只能以小参数、慢调节进行启动，否则将超调。

其次是，经典的PID调节中的积分环节，在动态调节过程中，积分计算速度很快，当频率与给定值偏差较大时，很容易短时间内计算出一个较大的数值。当频率发生超调时，需要对积分进行一定的限制和非线性处理，才能防止积分饱和和超调过大。

所以，经典的PID参数设置及控制策略较难满足频率的精准、快速调节，需要对其控制方法进行改进，才能达到水电机组频率的精准控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，实现水电机组频率控制的速动性和稳定性控制要求。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，包括：

在频差的输入环节，分别在比例、积分和微分环节，对输入的频差进行限制；

在PID总的输出环节增加一个预设的空载开度，对频率进行调节，其中，所述空载开度为机组在空载工况，维持在额定频率时，对应的导叶开度；

根据预设的水头与空载开度的数组，采用插值法查找空载开度，利用空载开度反算出积分输出限制的最大值，对积分输出进行限制；

在机组空载时，如果机组暂时没有同期并网的需求，暂时将PID计算闭锁，将当前综合导叶开度给定保持不变，对频率的稳定性进行控制。

进一步的，所述在频差的输入环节，分别在比例、积分和微分环节，对输入的频差进行限制，其中，比例限制为±5Hz，积分限制为±1Hz区，微分限制为±1Hz。

进一步的，所述在PID总的输出环节增加一个预设的空载开度，对频率PID进行调节，包括：

在PID输出环节增加一个预设的空载开度Ynld，其中，所述空载开度和电站水头呈现对应关系；

在机组启动时，暂时闭锁PID输出，同时将综合导叶开度给定直接设定为0.9*Ynld，当频率接近目标值的95％时，再投入PID进行频率计算，这时综合导叶开度给定＝Ypid+Ynld，其中Ypid为PID输出。

进一步的，所述空载开度和电站水头呈现的对应关系根据电站多年运行数据获取。

进一步的，所述利用空载开度反算出积分输出限制的最大值，公式如下：

Yi_Max＝0.8*Ynld-Yp-Yd

其中，Yi_Max为积分输出的最大值限制值；Ynld为空载开度，Yp为比例输出，Yd为微分输出。

进一步的，所述将当前综合导叶开度给定保持不变，对频率的稳定性进行控制，包括：

在未收到同期信号时，将Ypid赋值给预先设定的PID输出的中间值Ypid_Temp，只赋值一次，随后Ypid＝0，然后综合导叶开度给定＝Ypid_Temp+Ynld；

当收到同期信号时，综合导叶开度给定＝Ypid+Ynld。

进一步的，还包括：基于数值的开方特性，对频率采样值进行滤波处理，具体方法为：

对当前采样值和上一个周期采样值进行开方，然后2个数值相乘的方法处理，公式如下：

其中p为处理后的采样值，p_(t-1)为当前采样值，p_(t)为上一个周期的采样值。

如果毛刺较密，采用拉大周期的方式进行处理，公式如下：

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

1、本发明提供一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，为实现水电机组频率控制的速动性和稳定性控制要求，提出了在PID入口增加限制，在PID积分输出，和PID总的输出上叠加空载开度的方法；改进了调速器经典的频率PID调节控制方法；

2、本发明提供一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，提出了根据水头采用插值法查找空载开度的方法，然后利用空载开度反算出积分输出限制的最大值，防止PID计算过快、积分输出过多；

3、本发明提供一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，提出在机组空载时，如果机组暂时没有同期并网的需求，暂时将PID计算闭锁，将当前综合导叶开度给定(综合输出)保持不变，以达到***稳定运行目的。

4、本发明提供一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，针对机组频率自身的波动(机组自身惯性、水力因素或电磁干扰所致)对频率调节的不利影响，基于数值的开方特性(非线性弯曲)，提出了一种新的频率采样值滤波方法，有效虚弱采样尖峰，又不有损精度和响应速度的具体方法，从而改善了频率调节的稳定性。

附图说明

图1是本发明背景技术中调速器空载工况下频率调节原理框图；

图2是本发明实施例提供的空载工况下调速器改进型机组频率调节原理框图；

图3是本发明实施例提供的综合给定的处理方法示意图；

图4是本发明实施例提供的机组频率采样示意图；

图5是本发明实施例提供的机组频率PID调节模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例介绍一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，包括：

在频差的输入环节，分别在比例、积分和微分环节，对输入的频差进行限制；

在PID总的输出环节增加一个预设的空载开度，对频率进行PID调节，其中，所述空载开度为机组在空载工况，维持在额定频率时，对应的导叶开度；

根据预设的水头与空载开度的数组，采用插值法查找空载开度，利用空载开度反算出积分输出限制的最大值，对积分输出进行限制；

在机组空载时，如果机组暂时没有同期并网的需求，暂时将PID计算闭锁，将当前综合导叶开度给定保持不变，对频率的稳定性进行控制。

本实施例提供的空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，其应用过程具体涉及如下步骤：

(1)针对快速开机、抑制大频率调节超调量的控制方法

调速器频率调节改进型原理框图如图2所示，在软件控制框图中，在频差的输入环节，分别在比例、积分和微分环节，对输入的频差进行限制。比例限制为±5Hz，比例限制为±1Hz区，微分限制为±1Hz。在输入环节对频差进行限制，这样可以将PID计算的速度限制在一定的范围内，可以有效抑制大频差的调节超调问题。同时为了防止积分过大饱和，对其输出也有最大限制，限制值的大小依据来自经验数据。

同时，在PID输出环节增加一个预设的“空载开度”(机组在空载工况，能够维持机组在额定转速旋转的导叶开度；符号表示为：Ynld)。

空载开度和电站水头呈现对应关系。该数据关系可以根据电站多年运行数据获知，数据如表格1，表内数据关系为示意举例。由于水电站的水头是连续变化的，为完整的得出每个水头下的空载开度，程序内采用插值法线性处理或拟合为方程进行计算处理。

表1 9个水头和空载开度对应关系

由于事先预知了额定转速对应的空载开度，所以在机组启动时，暂时闭锁Ypid输出，同时将综合导叶开度给定直接设定为0.9*Ynld，当频率接近目标值的95％时，再投入PID进行频率计算，这时综合导叶开度给定＝Ypid+Ynld。采用这种方法，可以有效抑制开机超调问题，也能实现快速开机。

积分输出限幅的最大值Yi_Max的计算方法为：

Yi_Max＝0.8*Ynld-Yp-Yd

式中，Yi_Max为积分输出的最大值限制值；Ynld为空载开度，Yp为比例输出，Yd为微分输出。

(2)频率的稳定性控制。

机组在空载工况，调速器维持机组频率在频率给定附近(目标值)，最终目的是使机组追踪电网频率，让机组完成并网。但由于电站运行需要，机组可能在一段时间内需要空载运行但不需要立即并网。这时如果调速器始终进行PID调节，会导致调速器机械执行机构和接力器频繁调整，引起油压损耗和油泵起停频繁。为了较少不必要的灵敏控制，以增强调速器和机械液压执行机构的稳定性，可以将综合导叶开度给定保持当前值不变，方法如下：

在未收到同期信号时，将Ypid赋值给Ypid_Temp(定义为PID输出的中间值)，只赋值一次，随后Ypid＝0，然后综合导叶开度给定＝Ypid_Temp+Ynld。

当收到同期信号时，综合导叶开度给定＝Ypid+Ynld。整个逻辑过程可用图3表示。

(3)频率反馈的滤波模块

图4为发电机组频率采样录波示意图，频率信号一般以5-12V高频脉冲信号号输入到调速器高速计数模块，经过模数转换，转换成对应的码值。一般1Hz对应4000，50Hz对应200000。

假设，A点的频率信号的为50.3Hz，对应码值为201200；B点(下一个周期的采样点)的频率信号的模拟量为51.5Hz，对应码值为206000；如果采用均值滤波，处理方法为，(A+B)/2＝203600。本发明，采用的是对当前采样值和上一个周期采样值进行开方，然后2个数值相乘的方法处理，即：

采用开2次方，根据开方数据曲线特性(非线性弯曲)可知，可以有效将瞬间的畸变高峰削弱，如果毛刺较密，可以采用

即拉大周期。以上述数值为例，对A、B点处理后的采样值应为：

与均值法计算的结果相比，该数值更接近实际数值。

该滤波功能在机组频率大波动调节过程中在可投入，也可切除，对功率调节均没有实质影响。当频率调节进入收敛阶段和稳态时，比如在5％的偏差内，投入是利于频率精准、稳定控制的。

(4)频率调节模块总体设计

如果将本项目所提方法作为一个专门的控制模块，可以用图5进行表示。外部输入的开关量信号为开机令、同期令。输入的模拟量为水头，输入的测频脉冲量为机组频率反馈。

调节模块接受到输入的信号，进行计算、切换等，最终输出为“综合导叶开度给定”。综合导叶开度给定驱动机组导水机构(执行机构)，从而控制机组的转速。

从机组开机到并网，整个调节过程可简述如下：

1)调速器收到外部(监控***)开机令，调速器转入“开机过程”，同时调取开机曲线，依据开机规律，直接改变导叶开度给定(也称为：开度给定、导叶给定，即执行机构的目标值)，从而驱动执行机构，将机组开启。

此过程称为“开机过程”，控制模式为“开度模式”，频率给定为50赫兹。

2)当机组大于95％时，调速器转入“空载”，进入频率模式，即以频率目标为调节的主要任务。此时投入频率PID计算，机组频率经过程序滤波，形成负反馈。

此时频率给定，即控制目标是50Hz，

3)进入频率模式，综合导叶给定＝PID计算输出(Ypid)+空载开度(Ynld)之和。

空载开度与水头呈现表9中表示的关系，可以依据水头自动计算。

4)综合导叶给定通过液压放大，驱动执行机构，执行机构驱动导叶，从而控制水的流量，从而控制机组的转速。

5)但外部发出同期并网令的时候，频率给定由50Hz改变为：网频+0.05Hz，即机组频率(转速)的目标值。使得机组频率(转速)跟踪网频，使得机组满足并网的频率精度的要求。

因前文已对具体PID调节细节进行阐述，此处仅简述了整个控制转换过程。

本发明的有益效果为：

调速器是水电机组频率控制的核心设备，业内常规的做法为采用常规PID模型进行频率调节控制。由于机组频率自身因水力因素导致的不稳定，加之存在机组由静止-开机-空载的工况变化，如果在这样的启动过程，仍然采用常规PID控制，是无法满足速动性、稳定性的控制要求。

所以针对大波动(大频差)调节，根据已知的空载开度，在机组启动过程中，只依据空载开度来改变综合导叶开度给定，PID不参与计算。当频率接近目标值后，再投入PID计算。这样可以有效降低开机超调问题。

同时，为了防止PID计算过快、积分输出过多(积分计算过多容易饱和，不利于反向回调)，在比例、积分和微分的入口分别设置了频差大小限制，该限制值为经验值；在积分输出上也增加限制，该限制值是依托空载开度进行反算，反算方法见上。

其次本发明，针对机组频率采样，也提出了基于开方特性的一种新的滤波方法，有效虚弱采样尖峰，又不有损精度和响应速度的具体方法，从而改善了频率调节的稳定性。

本发明为纯软件控制策略，控制结构简单，易编程；滤波方法计算简单、有效可行。

其中：导叶(活动导叶)及导叶开度：装设在反击式水轮机转轮前方、沿圆周方向均匀分布、可转动调节的活动叶片。用来引导与截断水流和调节通过水轮机的流量。导叶为水电站引水***的，其作用类似控制水流量大小的水门。导叶开度，为导叶打开或关闭的开口大小。

水轮发电机组：包括水轮机、发电机以及其间连接大轴，水轮机是原动机，吸收水能量，在并网工况下，发电机发出有功功率。

空载开度：机组在空载工况，维持在额定频率时，对应的导叶开度为空载开度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，其特征在于，包括：

在频差的输入环节，分别在比例、积分和微分环节，对输入的频差进行限制；

在PID总的输出环节增加一个预设的空载开度，对频率进行调节，其中，所述空载开度为机组在空载工况，维持在额定频率时，对应的导叶开度；

根据预设的水头与空载开度的数组，采用插值法查找空载开度，利用空载开度反算出积分输出限制的最大值，对积分输出进行限制；

在机组空载时，如果机组暂时没有同期并网的需求，暂时将PID计算闭锁，将当前综合导叶开度给定保持不变，对频率的稳定性进行控制。

2.根据权利要求1所述的空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，其特征在于：所述在频差的输入环节，分别在比例、积分和微分环节，对输入的频差进行限制，其中，比例限制为±5Hz，积分限制为±1Hz区，微分限制为±1Hz。

3.根据权利要求1所述的空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，其特征在于：所述在PID总的输出环节增加一个预设的空载开度，对频率PID进行调节，包括：

在PID输出环节增加一个预设的空载开度Ynld，其中，所述空载开度和电站水头呈现对应关系；

在机组启动时，暂时闭锁PID输出，同时将综合导叶开度给定直接设定为0.9*Ynld，当频率接近目标值的95％时，再投入PID进行频率计算，这时综合导叶开度给定＝Ypid+Ynld，其中Ypid为PID输出。

4.根据权利要求3所述的空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，其特征在于：所述空载开度和电站水头呈现的对应关系根据电站多年运行数据获取。

5.根据权利要求1所述的空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，其特征在于：所述利用空载开度反算出积分输出限制的最大值，公式如下：

Yi_Max＝0.8*Ynld-Yp-Yd

其中，Yi_Max为积分输出的最大值限制值；Ynld为空载开度，Yp为比例输出，Yd为微分输出。

6.根据权利要求1所述的空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，其特征在于：所述将当前综合导叶开度给定保持不变，对频率的稳定性进行控制，包括：

在未收到同期信号时，将Ypid赋值给预先设定的PID输出的中间值Ypid_Temp，只赋值一次，随后Ypid＝0，然后综合导叶开度给定＝Ypid_Temp+Ynld；

当收到同期信号时，综合导叶开度给定＝Ypid+Ynld。

7.根据权利要求1所述的空载工况下水轮发电机组频率调节的改进方法，其特征在于，还包括：基于数值的开方特性，对频率采样值进行滤波处理，具体方法为：

对当前采样值和上一个周期采样值进行开方，然后2个数值相乘的方法处理，公式如下：

其中p为处理后的采样值，p_(t-1)为当前采样值，p_(t)为上一个周期的采样值。

如果毛刺较密，采用拉大周期的方式进行处理，公式如下：

Images