專利名稱：梯級串聯電站聯合運行雙pid并聯控制調節器的制作方法
技術領域：
本發明屬于水電站運行控制技術領域背景技術目前，水電站的調節系統均對每臺機組單獨采用PID調速器，在電力系統的負荷發生變化、機組轉速出現偏差時進行調節，相應改變機組流量，使改變后的水輪機水力矩與發電機負荷阻力矩達到新的平衡，以維持頻率(機組轉速)在規定的范圍內。
常規電站由于站前庫容大，在受到負荷干擾后進行頻率調節時，可以認為水庫水位不變，每臺機組單獨采用PID調速器，根據負荷變化，調節機組的導水機構，使水輪機流量作相應變化，以保持機組轉速穩定，保證頻率穩定在電力系統要求的范圍內。由于電站前有較大緩沖庫容，電站的調節對于流域內其他電站的運行影響很小，只要合理調度，各電站即可充分利用水能資源并安全運行。
近年來隨著西部開發和國家建設對能源需求的增長，西南的各江河流域都在大力開發水電資源。目前在我國，特別是西部的河流上規劃了一些電站間沒有調節庫容僅用明渠和管道連接或者調節庫容很小的梯級電站，該類電站系統運行中各級電站彼此間影響較大，可以稱為半開式梯級串聯電站。由于電站之間的可調節庫容小或者沒有可調節庫容，在受到負荷干擾以后不僅要進行頻率的調節，也要進行串聯電站間的流量平衡調節。
對于站前調節庫容小或者沒有調節庫容的半開式梯級串聯電站，采用常規水電站的調節方式，當各級電站的機組采用獨立的PID調速器控制機組時，由于PID調速器只能反饋機組轉速，因此只能在機組轉速發生偏差的情況下進行轉速調節，對于系統的流量平衡卻不能做出貢獻。這種控制方式雖然在短時間能調整轉速，但不能保證各級電站的總流量相等，不能改變站間流量不平衡的情況。在此情況下，由于站間庫容小或者沒有調節庫容，電站間的水庫或明渠的水位因其進出流量的持續不平衡而導致水面不能穩定，將出現緩慢的持續下降或上升，其快慢取決于上下游電站間流量差以及調節庫容的大小，最終將導致站間水庫或明渠出現溢流或漏底的情況，不能使電站穩定運行。由于該類梯級串聯電站調節目標的特殊性，即在電站受到負荷干擾以后不僅要進行頻率調節，也要進行串聯電站間的水位控制(流量平衡)調節，而傳統的PID調速器為單輸入/單輸出閉環控制系統，在這種系統中，只關心輸出結果一個量(被調節量)，因此，傳統的PID調速器不能滿足該類串聯電站系統的穩定性及動態品質的要求。
本課題組針對半開式梯級串聯電站的特點，采用雙PID并聯調節器，即將需要反饋的水位值通過PID運算后與轉速的PID控制信號并聯作用于機組接力器，從而建立半開式梯級串聯電站的聯合運行雙PID并聯調節系統，在半開式梯級串聯電站系統聯合運行、聯合調節的情況下，以該串聯電站群為整體對電網輸送電力，在電網負荷變化時，同時調節該系統中機組轉速和站間流量平衡，實現系統的穩定運行。

發明內容
本發明的目的在于提供一種能同時進行流量調節和轉速調節以能使整個串聯電站群的總負荷在站間流量平衡基礎上進行分配的梯級串聯電站聯合運行控制的調節器。
本發明的特征在于梯級串聯電站聯合運行雙PID并聯控制調節器，其特征在于，該調節器是設置在所述梯級串聯電站中的每一臺機組i上的用于計算水輪機組調整規律的數字計算機或數字集成電路芯片，設n是該梯級串聯電站內機組的總臺數，i為機組序號，在所述的每一數字集成電路或數字計算機上設有第1比較器、轉速PID控制環節、水位PID控制環節、第2比較器、第1積分運算環節、第3比較器及第2積分運算環節，其中第1比較器，有1個，該比較器有以下2個輸入信號x，轉速偏差相對值，等于機組轉速和系統穩態運行時機組額定轉速的偏差值相對于系統穩態運行時機組額定轉速的比值，通過機組的測頻電路獲得；bpP，其中，P為該梯級串聯電站所有運行機組總功率的偏差相對值，P=(Σi=1mpi-p)/p,]]>等于整個梯級串聯電站運行機組的總功率與整個梯級串聯電站系統額定總功率p的偏差值相對于整個梯級串聯電站系統額定總功率p的比值，通過機組的功率測量回路得到；pi為該串聯電站第i臺機組出力，bp為整個梯級串聯電站聯合運行系統的永態轉差系數，是一設定值，其范圍為0～0.08；轉速PID控制環節，有n個，每個環節輸入端與所述相應的第1比較器的輸出端相連，以進行KPxi+KIxis+KDxis1+TDxis]]>運算，其中，KPxi為轉速PID控制環節比例系數，KIxi為轉速PID控制環節積分系數，KDxi為轉速PID控制環節微分系數，TDxi為轉速PID控制環節微分時間常數，單位為s；水位PID控制環節，有n個，每個環節輸入信號為hi，hi是機組i的相應需要反饋的水位偏差相對值，等于測點水位與該點的目標水位的偏差值和設定的基準水位的比值，其中，目標水位為控制所要求該處水位的最終穩態值，基準水位為選取的系統中水位的基準值；以進行KPhi+KIhis+KDhis1+TDhis]]>運算，其中，KPhi為水位PID控制環節比例系數，KIhi為水位PID控制環節積分系數，KDhi為水位PID控制環節微分系數，TDhi為水位PID控制環節微分時間常數，單位為s；第2比較器，有n個，每個比較器有3個輸入信號，其中兩個為相應轉速PID控制環節的輸出；相應水位PID控制環節的輸出；第1積分運算環節，有n個，每個環節輸入端與所述相應的第2比較器的輸出端相連，對輸入信號進行 運算，其中，Tmi為機組i的液壓放大裝置的時間常數，單位為s，而輸出信號則負反饋至所述相應的第2比較器的輸入端；第3比較器，有n個，每個比較器輸入端與所述相應的第1積分運算環節的輸出端相連；第2積分運算環節，有n個，每個環節輸入端與所述相應的第3比較器的輸出端相連，對輸入信號進行 運算，其中，Tyi為機組i的接力器時間常數，單位為s，而輸出信號yi則負反饋至所述相應的第3比較器的輸入端，yi為機組i的接力器行程偏差相對值，等于第i臺機組接力器行程和第i臺機組接力器最大行程的偏差值相對于第i臺機組接力器最大行程的比值，i＝1，...，n。
為了驗證所設計的調節器對系統的實際控制作用，對某半開式梯級串聯電站按照本發明建立了其聯合運行的雙PID并聯控制調節器，并將設計的控制調節器嵌入到系統的非線性仿真中，仿真計算結果證明該調節器可以實現串聯電站的穩定運行，而且在調整系統轉速的同時使系統流量平衡，同時可以控制站間調節池水位穩定在目標水位。


圖1，梯級串聯電站聯合運行雙PID并聯控制調節器原理框圖；圖2，電站靜特性；
圖3，某梯級電站輸水系統布置示意圖；圖4，電站機組轉速-時間曲線圖；圖5，1#機組流量-時間曲線圖；圖6，3#機組流量-時間曲線圖；圖7，5#機組流量-時間曲線圖；圖8，一級電站上游調壓井水位-時間曲線圖；圖9，二級電站上游匯水池水位-時間曲線圖；圖10，二級電站上游調節池水位-時間曲線圖；圖11，二級電站上游調壓井水位-時間曲線圖；圖12，三級電站上游匯水池水位-時間曲線圖；圖13，三級電站上游調節池水位-時間曲線圖；圖14，三級電站上游調壓井水位-時間曲線圖。
具體實施例方式
半開式梯級串聯電站系統，由于有些電站之間的可調節庫容很小或者沒有可調節庫容，在受到負荷干擾以后不僅需要進行頻率的調節，還必須進行串聯電站間的流量平衡調節。對這樣的串聯電站系統采用常規的水輪機PID調速器，是不能使其穩定運行的，所以這樣的串聯電站群由于水力系統聯系緊密，必須聯合運行，而且要進行聯合調節。即通過本發明建立的半開式梯級串聯電站的聯合運行雙PID并聯控制調節器，實現電網對整個串聯電站群要求一個總負荷，而每臺機組承擔的負荷，通過調節器在保證站間流量平衡的基礎上進行分配和調整，并實現站間水位的控制。
某半開式梯級串聯電站由三級沖擊式電站構成，電站間有匯水池和調節池，通過倒虹吸管道或無壓尾水隧洞聯接，每級電站設置上游調壓井，梯級電站的輸水系統布置簡圖如圖3所示，各電站機組額定參數見表1。
表1 各級電站機組額定參數

半開式梯級串聯電站聯合運行雙PID并聯控制調節器的方塊圖如圖1所示。
假設梯級串聯電站中機組臺數為n，以下對圖1的調節器方塊圖中的變量進行說明x-轉速偏差相對值，即以機組額定轉速為基準值，機組轉速和系統穩態運行時機組轉速的偏差的相對值，通過機組的測頻回路測得；P-梯級串聯電站所有運行機組總功率的偏差相對值，即為整個梯級串聯電站運行機組的總功率與系統額定總功率的偏差值相對于整個梯級串聯電站系統額定總功率的比值，通過機組的功率測量回路得到；KPxi-轉速PID控制環節比例系數；KIxi-轉速PID控制環節積分系數；KDxi-轉速PID控制環節微分系數；TDxi-轉速PID控制環節微分時間常數，單位為s；KPhi-水位PID控制環節比例系數；KIhi-水位PID控制環節積分系數；KDhi-水位PID控制環節微分系數；TDhi-水位PID控制環節微分時間常數，單位為s；hi-機組i的相應需要反饋的調節池水位偏差相對值；yi-第i臺機組接力器行程偏差相對值，即以第i臺機組接力器的最大行程為基準值的第i臺機組的接力器行程的偏差相對值，i＝1，2，3，...n；bp-為傳遞環節的系數，稱為永態轉差系數，反映電站的靜態調差率。
機組在電網運行時，調節器需具有一定的靜態調差率才能明確其負荷分配，常規水電站中機組調差率滿足xl＝-bplyl，其中xl、yl、bpl分別為各臺機組的轉速、導葉開度偏差相對值及永態轉差系數，l為機組編號，每臺機組都設置有永態轉差系數。但是，梯級串聯電站聯合運行時，作為一個整體對電網輸出功率，電站機組功率在站間流量平衡的基礎上分配，各機組轉速相對于其各自額定轉速的相對值相同。如果按常規方法給定機組調差率，則梯級串聯電站聯合運行系統中各機組導葉開度將按照調差率被轉速限定，與站間的流量平衡調節相矛盾，導致系統不能穩定運行。因此，在梯級串聯電站聯合運行系統中，本發明給出了針對整個電站聯合運行系統的永態轉差系數，聯合運行時系統按x＝-bpP對功率進行調節。從而保證了電站在正常運行時具有合理的負荷分配，亦即是使電站機組在穩態時的轉速和電站總功率之間具有一一對應的關系，如圖2所示。
Tmi-第i臺機組液壓放大裝置時間常數，單位為s；Tyi-第i臺機組接力器時間常數，單位為s；根據調節器方塊圖可對每臺機組的調節部分求其傳遞函數為-(KPhi+KIhis+KDhis1+TDhis)hi=ehi---(1)]]>-(KPxi+KIxis+KDxis1+TDhis)(x+bPP)=exi---(2)]]>exi+ehi＝(1+Tmis)(1+Tyis)yi(3)其中，exi、ehi分別為轉速PID控制環節和水位PID控制環節的輸出，以上三式再經拉氏反變換，分別得到的調節器方程為-(KPhiTDhi+KDhi)d2hidt2-(KPhi+KIhiTDhi)dhidt-KIhihi=TDhid2ehidt2+dehidt---(4)]]>-(KPxiTDxi+KDxi)d2xdt2-(KPxi+KIxiTDxi)dxdt-KIxix-KIxibPP=TDxid2exidt2+dexidt---(5)]]>exi+ehi=TmiTyid2yidt2+(Tmi+Tyi)dyiddt+yi---(6)]]>對該梯級串聯電站，各級電站機組采用相同的轉速PID控制參數，而將二級電站上游調節池水位反饋到一級電站的兩臺機組，將三級電站上游調節池水位反饋到二級電站的兩臺機組，一、二級電站機組的水位PID控制參數相同，三級電站機組不需要反饋水位信號，PID控制參數取為0。
轉速PID控制參數為KPxi＝3.0 KIxi＝1.0KDxi＝1.0TDxi＝0.08i＝1，2，...，6；水位PID控制參數為KPhi＝200.0KIhi＝0.1KDhi＝200.0TDxi＝0.08i＝1，2，...，4；
將設計的調節器嵌入到梯級串聯電站的全系統非線性仿真程序中，對全系統進行了仿真計算，計算中管道、無壓隧洞、調壓井、匯水池、調節池、電站機組都按照實際系統的設計參數和其本身的非線性特性建立數學模型進行計算，由于系統中包含有無壓隧洞，所以系統的穩態初值采用零流量狀態法計算。計算工況為電站出力77.92萬千瓦，甩10％的負荷，以調節池水位的初始值為最終的水位控制目標值，該工況的仿真結果如圖4～圖14。
計算表明，在電站甩10％負荷后，采用雙PID并聯調節器進行控制，系統最終可以穩定，電站間匯水池、調節池水位的穩態偏差小，控制較好，而且使得反饋控制的二、三級電站前調節池水位最終穩定在控制的目標水位，即與初始水位相同。各調壓井、匯水池、調節池水位見表2。
表2 調壓井、匯水池、調節池水位表

權利要求
1.梯級串聯電站聯合運行雙PID并聯控制調節器，其特征在于，該調節器是設置在所述梯級串聯電站中的每一臺機組i上的用于計算水輪機組調整規律的數字計算機或數字集成電路芯片，設n是該梯級串聯電站內機組的總臺數，i為機組序號，在所述的每一數字集成電路或數字計算機上設有第1比較器、轉速PID控制環節、水位PID控制環節、第2比較器、第1積分運算環節、第3比較器及第2積分運算環節，其中第1比較器，有1個，該比較器有以下2個輸入信號x，轉速偏差相對值，等于機組轉速和系統穩態運行時機組額定轉速的偏差值相對于系統穩態運行時機組額定轉速的比值，通過機組的測頻電路獲得；bpP，其中，P為該梯級串聯電站所有運行機組總功率的偏差相對值，P=(Σi=1mpi-p)/p,]]>等于整個梯級串聯電站運行機組的總功率與整個梯級串聯電站系統額定總功率p的偏差值相對于整個梯級串聯電站系統額定總功率p的比值，通過機組的功率測量回路得到；pi為該串聯電站第i臺機組出力，dp為整個梯級串聯電站聯合運行系統的永態轉差系數，是一設定值，其范圍為0～0.08；轉速PID控制環節，有n個，每個環節輸入端與所述相應的第1比較器的輸出端相連，以進行KPxi+KIxis+KDxis1+TDxis]]>運算，其中，KPxi為轉速PID控制環節比例系數，KIxi為轉速PID控制環節積分系數，KDxi為轉速PID控制環節微分系數，TDxi為轉速PID控制環節微分時間常數，單位為s；水位PID控制環節，有n個，每個環節輸入信號為hi，hi是機組i的相應需要反饋的水位偏差相對值，等于測點水位與該點的目標水位的偏差值和設定的基準水位的比值，其中，目標水位為控制所要求該處水位的最終穩態值，基準水位為選取的系統中水位的基準值；以進行KPhi+KIhis+KDhis1+TDhis]]>運算，其中，KPhi為水位PID控制環節比例系數，KIhi為水位PID控制環節積分系數，KDhi為水位PID控制環節微分系數，TDhi為水位PID控制環節微分時間常數，單位為s；第2比較器，有n個，每個比較器有3個輸入信號，其中兩個為相應轉速PID控制環節的輸出；相應水位PID控制環節的輸出；第1積分運算環節，有n個，每個環節輸入端與所述相應的第2比較器的輸出端相連，對輸入信號進行 運算，其中，Tmi為機組i的液壓放大裝置的時間常數，單位為s，而輸出信號則負反饋至所述相應的第2比較器的輸入端；第3比較器，有n個，每個比較器輸入端與所述相應的第1積分運算環節的輸出端相連；第2積分運算環節，有n個，每個環節輸入端與所述相應的第3比較器的輸出端相連，對輸入信號進行 運算，其中，Tyi為機組i的接力器時間常數，單位為s，而輸出信號yi則負反饋至所述相應的第3比較器的輸入端，yi為機組i的接力器行程偏差相對值，等于第i臺機組接力器行程和第i臺機組接力器最大行程的偏差值相對于第i臺機組接力器最大行程的比值，i＝1，…，n。
全文摘要
本發明屬于水電站運行控制技術領域，其特征在于該調節器是在對機組轉速按PID規律進行調節的基礎上，再將需要反饋的水位經PID運算與之并聯共同作用于機組接力器進行調節。并以設定的該梯級電站系統的永態轉差系數與該梯級串聯電站中所有運行機組的功率的總和(即總功率)的偏差相對值之積與轉速偏差相對值作比較，該比較量用以確定轉速的靜態誤差，從而使該梯級串聯電站總功率與聯合調節系統穩態頻率(轉速)之間具有一一對應的關系，以實現電力系統對該串聯電站的負荷分配。而機組間的出力分配，通過保證站間流量平衡的調節來實現。
文檔編號G05B11/42GK1877468SQ20061008962
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月7日 優先權日2006年7月7日
發明者樊紅剛, 陳乃祥, 朱淵岳 申請人:清華大學