功率调节解读

数字式电液调速器的功率调节
摘要：本文分析了数字式电液调速器中功率调节模式的直接式和间接式调节结构及其实现方法，并在
此基础上描述了功率调节的适应式变参数策略及其在水电厂AGC 系统中的应用情况。

关键词：AGC 数字式电液调速器 功率调节 适应式变参数
引言
水轮机数字式电液调速器有3种主要调节模式―频率调节模式、开度调节模式、功率调节模式。

功率调节模式是在被控水轮发电机组并入电网后采用的一种调节模式，除用作运行人员手动调节机组有功功率以外，更适合与水电厂AGC （自动发电控制）系统接口并实现机组有功功率的全数字控制。

功率调节模式在工程实现中，应保证被控机组在上位系统数字功率给定的指令下，机组有功功率能单调、快速地跟踪指令值。

为了满足这个动态调节过程的要求，必须考虑以下三个因素：
1 被控机组有功功率P g 与水轮机导叶开度y 之间的时间滞后，这主要是由水轮机调节系统的水流惯性时间常数Tw 、机组惯性时间常数Ta 和机组功率变送器滤波时间常数T f 等引起的。

2 被控机组有功功率P g 是机组水头H 和水轮机导叶开度y 的函数，即在不同的机组水头下，同一导叶开度对应于机组的不同有功功率（图1（a ））。

图1 P g , H, y 的关系曲线
P g P P P (a)
P
(b)
3在恒定水头下，机组有功功率P g与水轮机导叶开度y之间呈非线性特性（图1（b）），即在空载开度y0至某一开度y s之间，机组功率P g随着导叶开度y的变化而有较大的变化率；而在y s至最大导叶开度y max之间，除了上述变化率明显减小外，有的机组的P g=f(y)曲线还呈现上凸的关系。

1．功率调节模式
直接式和间接式功率调节结构分别见图2和图4，图中：K P, K I, K D 分别为调速器的比例、积分、和微分系数，E f，Ep和Ey分别是人工频率、功率、和开度死区，f c，P c和y c分别是频率给定、功率给定和开度给定，y PID是调速器导叶开度计算值，b p和e p分别是开度和功率的永态差值系数。

其一般工作原理见文献【1】。

1．1 直接式调节结构
图2 直接式功率调节结构图
功率给定P c与机组实际功率测量值P g进行比较，经人工功率死区Ep和功率永态差值系数e p得功率调节差值ΔP，经过人工频率死区E f的频差Δf与ΔP相加得到了积分输入项，调速器进入稳态的条件是：
ΔI=Δf+e p·ΔP=0 (1)
设在稳态下，调速器功率给定为P c1, 当水电厂计算机监控系统AGC以数字形式下达机组有功功率给定值P c2后，调速器即按图3的方式将微机内的Pc从P c1按两段斜率（K1
和K 2）变化至P c2，当微机内的实际功率给定值Pc 进入以“下达给定值”Pc2为中心的±ΔP 0（ΔP 0约为0.5％—2％的机组额定功率）区域中
图3 功率（开度）给定两段调节特性
时，即以较慢的变化率（斜率K 2）趋近于P c0. 因此，在调节初期，大的斜率K 1使微机内实际功率给定值快速向P c2趋近，从而使调节过程快速；而在后期小的斜率K 2则使功率调节过程近似于单调的调节特性，不至于出现过大的超调。

一般K 2=(0.1~0.3)K 1.
当P c 由P c1向P c2变化时，开环增量环节 (±ΔP c ) 输出一增量，直接送至PID 调节的输出端，使得调节过程不致由于积分环节的调节而产生明显的滞后。

换言之，对于功率给定Pc 的增量而言，开环环节的引入，使其调节规律具有比例加积分的调节特性。

综上所述，直接式功率调节结构是将机组有功功率测量值P g 送入调速器，使调速器完成有功功率的闭环调节。

1．2 间接式调节结构（图4）
当水电厂AGC 系统以数字形式下达机组有功功率给定值P c 后，调速器根据反映水头H 、导叶开度y 和功率给定P c 关系的y c =f(H,Pc)表格，对H 和P c 进行二元线性插值，求出与P c 对应的开度给定y c .
t
y 0）
y 0）
图4 间接式功率调节结构图
调速器按功率给定P c 计算出来的开度给定y c ，在开度调节模式下完成y PID 的运算。

调速器进入稳态的条件是：
ΔI=Δf+bp(y c -y PID )=0
(2)
与前述直接式调节结构类似，开度给定y c 由y c1至新给定值y c2的调节过程，也是采用两段斜率（K 1、K 2）的折线调节策略（图3）。

在间接调节结构中，机组有功功率的调节，是由AGC 系统实现闭环回路调节的。

1．3 直接和间接式调节结构的比较
2.功率调节的适应式变参数策略
由于水轮机调节系统的复杂性、非线性特性，数字式电液调速器采用适应式变结构、变参数的控制策略，已为国内调速器生产厂家所采用。

为了在水轮发电机组的可能运行工况下，实现功率调节过程的快速跟踪和收敛性，必须采用适应式变参数控制策略。

2.1机组水头的适应式变参数
设K1r为机组额定水头Hr时的第一段调节斜率，则在不同的水头下的K1的表达式为：
K1=K1r+αH(Hr-H)/(Hmax-Hmin) (3)
式中H max, H min分别为机组最高水头和最低水头，αH为水头适应系数。

其一般规律是，水头高时功率调节的第一段斜率K1小，即变化同一功率（开度）给定增量的时间长；水头低时，上述时间短。

它使得在不同水头下，机组的功率调节过程，不致于出现速度上的过大差别，也不易产生超调和多次反复调节。

式（3）中K1值主要取决于电网对被控机组有功功率增加/减少的速率（有功功率增量/秒）来决定。

对于不同容量的机组，有功功率从0至额定功率Pr(或相反)的调节时间t1.0为：
t1.0=(20~100)秒（4）
式（3）中的αH则由水轮机通用特性确定，具体值应在现场通过一段时间在不同水头下的功率调节实践来决定。

2.2 机组导叶开度的适应式变参数
设K1r为机组额定水头Hr和导叶在（y0~y s）区间的第一段调节斜率，则考虑了开度因素后，式（3）即成为：
K1=K1r+αH·αy·(Hr-H)/(Hmax-Hmin) (5)
式中：αy＝1.0 y0≤y<y
s
（6）
αy=(2~4) y s≤y<y
max
2.3 开环增量±Δy(H,y)的适应式变参数
当根据式（5）确定了功率调节的第一段斜率K
后，即可根据相应工况（水头H及导叶
1
开度区间）求出导叶开度y由0到1.0（即导叶全关至全开）的调节时间t
如果记数字
1.0
式电液调速器微机调机器的采用周期为τ，则每一个采样周期的增量Δy及y
的叠代公式
c
如下：
Δy1=±τ/t1.0
Y c =y
c
±Δy
1
（7）
例如，当t
1.0=50秒、τ＝0.01秒，则由式（7）计算得Δy
1
＝0.02%.若微机调节器内
y:0—100%的计算值为Y: 0—25000,则机内运算值
ΔY1=25000×0.02%=5.
2.4 应用情况
广西大化电厂采用直接式功率调节模式与电厂AGC接口，引入了两段调节控制特性和水头的适应式变参数调节，现场试验取得了快速和近似单调的功率调节结果【4】。

二滩水电站采用瑞士HYDRO VEVEY公司生产的MIPREG600型调速器，它采用间接式功率调节结构与电厂AGC系统接口，未引入水头和导叶的适应式变参数调节。

3 结语
3．1 水电厂计算机监控系统的AGC功能与数字式电液调速器的最佳接口形式是直接数字控制，此时调速器应在功率调节模式工作。

3．2 直接和间接式功率调节结构均能与水电厂AGC系统的机组有功功率给定值P
c
接口，为了保证功率调节过程的快速和单调性，应采用对机组水头H和导叶开度y的适应式变参数控制策略。

3．3向调速器提供可靠的机组水头信号，是保证其功率调节性能和可靠性的重要因素。

间接式功率调节还需要较准确的y c=f(H,P c)曲线。

参考文献
1．魏守平著现代水轮机调节技术武汉华中科技大学出版社 2002-10-24
2．魏守平等可编程控制器调速器武汉钢铁学院学报 1994 17（13）
3．魏守平水轮机调节系统的适应式变参数调节大电机技术 1985（5）
4．唐涛南魏守平程时杰水电站AGC机构控制策略的研究电力系统自动化 1997 21（5）
Abstract: This paper analysises the direct and indirect adjusting mode of power adjustment in digital electric-hydraulic governor and analyze how to realize power adjustment, and then describe the adaptive adjustment with variable parameter and its application in AGC system. Keyword: AGC Digital electric-hydraulic governor Power-adjustment
Adaptive adjustment with variable parameter。