一種帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，根據(jù)不同水頭不同下游水位下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合仿真計(jì)算，確定不同水頭段、不同下游水位段的較優(yōu)的調(diào)速器PID控制參數(shù)，得到參數(shù)表。將水輪機(jī)工作水頭及下游水位信號(hào)引入調(diào)速器，由調(diào)速器根據(jù)實(shí)時(shí)的水輪機(jī)工作水頭和下游水位在參數(shù)表中自動(dòng)選擇PID參數(shù)，從而使帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求又具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水電站自動(dòng)控制、水電站水力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種帶變頂高尾水隧 洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 變頂高尾水隧洞是我國(guó)在水電設(shè)計(jì)中借鑒前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)思想所提出的一項(xiàng)全新的 設(shè)計(jì)理念，其尾水隧洞采用變頂高的方式，能很好的適應(yīng)于下游水位變幅大、尾水系統(tǒng)長(zhǎng)、 水頭較低的大型水電站，從水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證的要求出發(fā)來(lái)取代尾水調(diào)壓室，不僅能大大減 少工程投資，而且還具有施工方便、洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，目前三峽、向家壩、彭水、百色等 一些大型水電站都采用了變頂高尾水洞的結(jié)構(gòu)。
[0003] 如圖1所示的變頂高尾水洞，其特點(diǎn)是讓下游水位與洞頂任意處銜接，將尾水洞分 成有壓滿(mǎn)流段和無(wú)壓明流段。下游處于低水位時(shí)，水輪機(jī)的淹沒(méi)水深比較小，但無(wú)壓明流段 長(zhǎng)，有壓滿(mǎn)流段短，過(guò)渡過(guò)程中負(fù)水擊壓力小，所以尾水管進(jìn)口斷面的最小絕對(duì)壓力不會(huì)超 過(guò)其允許值。隨著下游水位升高，盡管無(wú)壓明流段的長(zhǎng)度逐漸減短，有壓滿(mǎn)流段的長(zhǎng)度逐漸 增長(zhǎng)，負(fù)水擊越來(lái)越大，直到尾水洞全部呈有壓流，但水輪機(jī)的淹沒(méi)水深逐漸加大，而且有 壓滿(mǎn)流段的平均流速也逐漸減小，正負(fù)兩方面的作用相互抵消使得尾水管進(jìn)口斷面的最小 絕對(duì)壓力能控制在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)，保證機(jī)組安全運(yùn)行。故變頂高尾水洞的工作原理 是利用下游水位的變化，即水輪機(jī)的淹沒(méi)水深來(lái)確定尾水洞(包括尾水管)有壓滿(mǎn)流段的極 限長(zhǎng)度，始終滿(mǎn)足過(guò)渡過(guò)程中對(duì)尾水管進(jìn)口斷面最小絕對(duì)壓力的要求，從而起到取代尾水 調(diào)壓室的作用。
[0004] 雖然通過(guò)采用變頂高尾水隧洞設(shè)計(jì)能夠很好的滿(mǎn)足水電站大波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程的要 求，取代尾水調(diào)壓室，但是由于變頂高尾水隧洞內(nèi)水力波動(dòng)復(fù)雜，存在水錘彈性波、閘門(mén)井 內(nèi)質(zhì)量波、尾水洞無(wú)壓段重力波的相互疊加，影響了水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)品質(zhì)。 同時(shí)變頂高尾水隧洞水力特性與下游水位密切相關(guān)，當(dāng)下游水位較低時(shí)，有壓滿(mǎn)流段較短、 無(wú)壓明流段較長(zhǎng)，調(diào)節(jié)過(guò)程中明渠流波動(dòng)顯著，可能會(huì)造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)的低頻振蕩；隨著下游 水位升高，有壓滿(mǎn)流段增長(zhǎng)，盡管其平均流速也逐漸減小，但水流慣性加速時(shí)間增大，尾水 洞全長(zhǎng)呈有壓流時(shí)可達(dá)極大值，極大的水流慣性必將影響到整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié) 品質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)已有部分已建的帶變頂高尾水隧洞水電機(jī)組出現(xiàn)了調(diào)節(jié)品質(zhì)差的情況，導(dǎo) 致一次調(diào)頻及AGC負(fù)荷調(diào)節(jié)速率難以滿(mǎn)足電網(wǎng)的要求，特別是在不同尾水位下整個(gè)調(diào)節(jié)系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程差異顯著。
[0005] 因此，有必要設(shè)計(jì)一種能改善水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的帶變頂高尾 水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速 器變參數(shù)控制方法，通過(guò)該方法能夠改善帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性 及動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，包括以下步驟：
[0009] (1)進(jìn)行不同水頭不同尾水位(下游水位)下的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程參 數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，得到不同水頭不同尾水位(下游水位)較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)；
[0010] 所述試驗(yàn)的內(nèi)容包括機(jī)組空載擾動(dòng)試驗(yàn)、空載擺動(dòng)試驗(yàn)、并網(wǎng)后機(jī)組一次調(diào)頻試 驗(yàn)、并網(wǎng)后調(diào)速器功率模式下的負(fù)荷調(diào)節(jié)試驗(yàn);其中機(jī)組空載擾動(dòng)試驗(yàn)和空載擺動(dòng)試驗(yàn)在 機(jī)組處于空載運(yùn)行方式下進(jìn)行，并網(wǎng)后機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)和并網(wǎng)后調(diào)速器功率模式下的負(fù) 荷調(diào)節(jié)試驗(yàn)在機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷下進(jìn)行；
[0011] (2)建立帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型，利用仿真模型進(jìn)行計(jì)算;通 過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果修正仿真模型，使得仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合；即進(jìn)行仿真建模工作， 根據(jù)試驗(yàn)成果對(duì)仿真模型進(jìn)行校驗(yàn)，相應(yīng)的仿真參數(shù)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)求得，最終得到仿真 模型的計(jì)算結(jié)果必須與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型包括水輪機(jī)模型、水輪機(jī) 調(diào)速器模型及輸水系統(tǒng)模型三個(gè)子模型，三者之間的關(guān)系如圖3所示。
[0012] 利用仿真模型對(duì)無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的個(gè)別極端工況進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各極端工 況下較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù);對(duì)于個(gè)別極端工況，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，必須采用仿真計(jì)算的 方法進(jìn)行調(diào)速器PID參數(shù)的優(yōu)化工作；
[0013] (3)對(duì)水輪機(jī)工作水頭及下游水位進(jìn)行分段，根據(jù)步驟（1)和步驟(2)得到的各水 頭、各下游水位下的試驗(yàn)及仿真計(jì)算結(jié)果，確定各分段下較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)，得到調(diào)速 器PID參數(shù)優(yōu)化表；
[0014] (4)采用通訊方式將水輪機(jī)工作水頭及下游水位信號(hào)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)引入調(diào)速 器，修改調(diào)速器PLC控制邏輯，使得調(diào)速器可根據(jù)水輪機(jī)工作水頭和下游水位，在調(diào)速器PID 參數(shù)優(yōu)化表中自動(dòng)選擇最優(yōu)的PID參數(shù)。控制原理如圖2所示。
[0015] 所述步驟（1)中，主要試驗(yàn)方法為：進(jìn)行多組參數(shù)下的小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)，比較 各參數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果，在其中選取穩(wěn)定性最好、調(diào)節(jié)時(shí)間最短、超調(diào)量最小、波動(dòng)次數(shù)最少 的一組參數(shù)作為較優(yōu)的調(diào)速器P ID參數(shù)。
[0016] 所述步驟（1)的試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量信號(hào)，即試驗(yàn)結(jié)果包括:機(jī)組頻率、導(dǎo)葉接力器行 程、蝸殼進(jìn)口水壓、尾水管進(jìn)口水壓、尾水管出口水壓、上游水位和下游水位;試驗(yàn)至少包括 3個(gè)水頭和3個(gè)尾水位；
[0017] 所述步驟（2)的極端工況包括最高水頭、最低水頭、最高尾水位和最低尾水位工 況。
[0018] 所述步驟(2)還包括利用仿真模型對(duì)步驟(1)中未進(jìn)行試驗(yàn)的工況進(jìn)行仿真計(jì)算， 得到相應(yīng)工況下較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)；
[0019] 所述步驟(2)中，仿真計(jì)算方法為:進(jìn)行不同參數(shù)下的仿真，比較各參數(shù)下的仿真 結(jié)果，在其中選取穩(wěn)定性最好、調(diào)節(jié)時(shí)間最短、超調(diào)量最小、波動(dòng)次數(shù)最少的一組參數(shù)作為 較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)。
[0020] 所述步驟(3)中，分段方法為:在最高水頭至最低水頭之間進(jìn)行平均分段，每個(gè)水 頭分段區(qū)內(nèi)在最高尾水位和最低尾水位之間再進(jìn)行平均分段。
[0021] 水頭及尾水位分段數(shù)均不得少于3段。即步驟(3)中將水輪機(jī)運(yùn)行可能出現(xiàn)的全部 水頭和全部尾水位劃分為不少于3個(gè)水頭段和3個(gè)尾水位段，得到不少于9組的調(diào)速器較優(yōu) 的PID參數(shù)。
[0022] 所述步驟(3)還包括通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)各分段下的較優(yōu)調(diào)速器PID控制參數(shù)進(jìn)行復(fù) 核，如果發(fā)現(xiàn)該參數(shù)不能滿(mǎn)足該工況下的要求(在該水頭、下游水位下水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有 良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，即一次調(diào)頻、調(diào)速器功率調(diào)整過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定且滿(mǎn)足規(guī)范要求，詳見(jiàn):《水輪 機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T 1245-2013))，則通過(guò)步驟(1)或步驟(2)重新進(jìn)行參 數(shù)優(yōu)化;以確保該參數(shù)在該分段內(nèi)為較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)。
[0023] 所述步驟(2)中建立的水輪機(jī)調(diào)速器模型如圖6所示，水輪機(jī)調(diào)速器模型包括PID 調(diào)節(jié)器模型和電液隨動(dòng)系統(tǒng)模型;該模型根據(jù)調(diào)速器廠家提供的調(diào)速器控制原理圖及現(xiàn)場(chǎng) 參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果建立。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法通過(guò)實(shí)測(cè)調(diào)節(jié)器頻率輸入和PID計(jì)算輸出，對(duì)調(diào)節(jié) 器的PID參數(shù)進(jìn)行校核;實(shí)測(cè)PID調(diào)節(jié)器輸出和導(dǎo)葉開(kāi)度反饋，辨識(shí)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，即導(dǎo) 葉接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)T y。
[0024] PID調(diào)節(jié)器模型如下式：
[0025]
[0026] 電液隨動(dòng)系統(tǒng)模型如下式：
[0027]
[0028] 上式中，X為機(jī)組轉(zhuǎn)速的標(biāo)么值，其基準(zhǔn)值為機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速，X (s)為X的拉普拉斯 變換;y為導(dǎo)葉開(kāi)度的標(biāo)幺值，其基準(zhǔn)值為導(dǎo)葉額定開(kāi)度，y(s)為y的拉普拉斯變換;ypID為導(dǎo) 葉開(kāi)度控制輸出的標(biāo)幺值，其基準(zhǔn)值為導(dǎo)葉額定開(kāi)度，y?(s)為y PID的拉普拉斯變換;Ty為 導(dǎo)葉接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù);s為拉普拉斯算子;KP為調(diào)速器比例系數(shù);K:為調(diào)速器積分系數(shù)； Kd為調(diào)速器微分系數(shù)；
[0029] 水輪機(jī)模型可采用六個(gè)傳遞系數(shù)表示的簡(jiǎn)化模型表示，如圖4所示，水輪機(jī)模型采 用如下式所示的線性模型：
[0030] q = eqxx+eqyy+eqhh
[0031] mt = exx+eyy+ehh
[0032] 上式中，q為水輪機(jī)流量的標(biāo)么值，基準(zhǔn)值為水輪機(jī)的額定流量;mt為水輪機(jī)動(dòng)力 力矩的標(biāo)么值，基準(zhǔn)值為水輪機(jī)的額定力矩;X為機(jī)組轉(zhuǎn)速的標(biāo)么值，基準(zhǔn)值為機(jī)組額定轉(zhuǎn) 速;y為導(dǎo)葉開(kāi)度的標(biāo)么值，基準(zhǔn)值為導(dǎo)葉的額定開(kāi)度;h為水輪機(jī)工作水頭的標(biāo)么值，基準(zhǔn) 值為水輪機(jī)客頁(yè)定水頭；eq X，eqy，eqh，ex，ey，eh為傳遞系數(shù)〇
[0033] 加采.輸水茗缽爐采用如下式所示的剛性水擊模型：
[0034]
[0035] 上式中，Tw為水流加速時(shí)間常數(shù)。
[0036]步驟2)還包括水輪機(jī)模型與輸水系統(tǒng)模型參數(shù)確定，具體實(shí)施方法為:通過(guò)水輪 機(jī)的綜合特性曲線獲取所述水輪機(jī)模型中傳遞系數(shù)(eqX，eqy，eqh，ex，ey，eh);通過(guò)仿真工況 的上、下游水位及水電站設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出輸水系統(tǒng)中有壓水流加速時(shí)間常數(shù)Iw。
[0037] 有益效果：
[0038] 相對(duì)于常規(guī)水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響 應(yīng)特性不僅與水輪機(jī)工作水頭有關(guān)而且還與下游水位相關(guān)。當(dāng)下游水位較高時(shí)變頂高尾水 隧洞內(nèi)滿(mǎn)流段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，有壓水流慣性較大，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中功率反調(diào)較大，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性也 較差；當(dāng)下游水位較低時(shí)變頂高尾水隧洞內(nèi)明流段長(zhǎng)度較長(zhǎng)，有壓水流慣性較小，功率反調(diào) 也較小，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較好，但是明渠非恒定流波動(dòng)影響顯著，易引起調(diào)節(jié)過(guò)程中的低頻振 蕩。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:很好的適應(yīng)了帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)不同 水頭不同下游水位下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合仿真計(jì)算，確定不同水頭段、不同下游水位段的較優(yōu) 的調(diào)速器PID控制參數(shù)，得到參數(shù)表。將水輪機(jī)工作水頭及下游水位信號(hào)引入調(diào)速器，由調(diào) 速器根據(jù)實(shí)時(shí)的水輪機(jī)工作水頭和下游水位在參數(shù)表中自動(dòng)選擇PID參數(shù)，以保證在全水 頭全尾水位工況下整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
[0039] 本發(fā)明采用現(xiàn)場(chǎng)小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)結(jié)合仿真計(jì)算的方法優(yōu)化不同水頭、不同下 游水位下的調(diào)速器PID參數(shù)。利用實(shí)測(cè)結(jié)果建立較為準(zhǔn)確的仿真模型，對(duì)于無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)的 工況采用仿真計(jì)算的方法進(jìn)行補(bǔ)充獲取最優(yōu)PID參數(shù)，這樣可以得到全水頭全尾水位段的 較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)表。水輪機(jī)調(diào)速器可同時(shí)根據(jù)水輪機(jī)工作水頭及下游水位自動(dòng)選擇 較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)。采用通訊方式將水輪機(jī)工作水頭及下游水位信號(hào)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系 統(tǒng)引入調(diào)速器，由調(diào)速器根據(jù)運(yùn)行水輪機(jī)工作水頭及下游水位在較優(yōu)的PID參數(shù)表中選擇 參數(shù)，這樣可保證整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1為變頂尚尾水險(xiǎn)洞不意圖。
[0041 ]圖2為水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制示意圖。
[0042]圖3為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型示意圖。
[0043]圖4為水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型示意圖。
[0044] 圖5為輸水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型示意圖。
[0045] 圖6為水輪機(jī)調(diào)速器模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 本發(fā)明提出的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其基本思想為： 調(diào)速器根據(jù)水輪機(jī)工作水頭及下游水位的變化自動(dòng)選擇較優(yōu)的PID控制參數(shù)，滿(mǎn)足帶變頂 高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求。具體包括以下步驟：
[0047] (1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)得到不少于3組水輪機(jī)工作水頭、3組下游水 位下的調(diào)速器較優(yōu)的PID參數(shù)。
[0048] (2)進(jìn)行帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真計(jì)算工作，主要對(duì)小波動(dòng)過(guò)渡過(guò) 程進(jìn)行仿真，因此水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型可采用線性化模型。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型包括 水輪機(jī)模型、水輪機(jī)調(diào)速器模型及輸水系統(tǒng)模型三個(gè)子模型，系統(tǒng)整體仿真模型及三者之 間的關(guān)系如圖3所示。
[0049] 水輪機(jī)調(diào)速器模型如圖4所示，水輪機(jī)調(diào)速器模型包括PID調(diào)節(jié)器模型和電液隨動(dòng) 系統(tǒng)模型。該模型根據(jù)調(diào)速器廠家提供的調(diào)速器控制原理圖及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果建立。采 用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法通過(guò)實(shí)測(cè)調(diào)節(jié)器頻率輸入和PID計(jì)算輸出，對(duì)調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)進(jìn)行校 核;實(shí)測(cè)PID調(diào)節(jié)器輸出和導(dǎo)葉開(kāi)度反饋，辨識(shí)液壓隨動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)即導(dǎo)葉接力器反應(yīng)時(shí)間常 數(shù)Ty。
[0050] PTmsi書(shū)哭蹈刑fm下才.
[0051]
[0052] 電液隨動(dòng)系統(tǒng)樟型如下式：
[0053] v
[0054] 上式中，X為機(jī)組轉(zhuǎn)速的標(biāo)么值，其基準(zhǔn)值為機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速，X (s)為X的拉普拉斯 變換;y為導(dǎo)葉開(kāi)度的標(biāo)幺值，其基準(zhǔn)值為導(dǎo)葉額定開(kāi)度，y(s)為y的拉普拉斯變換;y?為導(dǎo) 葉開(kāi)度控制輸出的標(biāo)幺值，其基準(zhǔn)值為導(dǎo)葉額定開(kāi)度，y?(s)為y?的拉普拉斯變換;T y為 導(dǎo)葉接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù);s為拉普拉斯算子;KP為調(diào)速器比例系數(shù);K:為調(diào)速器積分系數(shù)； Kd為調(diào)速器微分系數(shù);水輪機(jī)模型可采用六個(gè)傳遞系數(shù)表示的簡(jiǎn)化模型表示，如圖4所示， 本實(shí)施例中水輪機(jī)模型采用如下式所示的線性模型：
[0055] q = eqxx+eqyy+eqhh
[0056] mt = exx+eyy+ehh
[0057] 上式中，q為水輪機(jī)流量的標(biāo)么值，mt為水輪機(jī)動(dòng)力力矩的標(biāo)么值，x為機(jī)組轉(zhuǎn)速的 標(biāo)幺值，y為導(dǎo)葉開(kāi)度的標(biāo)么值，h為水輪機(jī)工作水頭的標(biāo)幺值。
[0058] 如圖5所示，本實(shí)施例中輸水系統(tǒng)模型采用如下式所示的剛性水擊模型：
[0059]
[0060] 上式中，Iw為水流加速時(shí)間常數(shù)。
[0061] 本實(shí)施例中，步驟2)還包括水輪機(jī)模型與輸水系統(tǒng)模型參數(shù)確定，具體實(shí)施方法 為:通過(guò)水輪機(jī)的綜合特性曲線獲取所述水輪機(jī)模型中傳遞系數(shù) 過(guò)仿真工況的上、下游水位及水電站設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出輸水系統(tǒng)中有壓水流加速時(shí)間常數(shù) Two
[0062] (3)整理試驗(yàn)成果，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)次數(shù)有限，特別是對(duì)于一些極端工況如最高水 頭、最低水頭、最高下游水位和最低下游水位，無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，需要采用仿真計(jì)算對(duì)這 類(lèi)工況進(jìn)行補(bǔ)充。主要方法為:利用已有的試驗(yàn)成果對(duì)仿真模型進(jìn)行校驗(yàn)，使得仿真結(jié)果與 實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，利用校驗(yàn)后的仿真模型開(kāi)展其他工況的仿真預(yù)測(cè)工作。
[0063] (4)整理試驗(yàn)及仿真計(jì)算成果，對(duì)水輪機(jī)工作水頭及下游水位進(jìn)行分段，在最高水 頭至最低水頭之間進(jìn)行平均分段的方法，每個(gè)水頭分段區(qū)內(nèi)在最高尾水位和最低尾水位之 間再進(jìn)行平均分段，水頭及下游水位各分段數(shù)為3段，根據(jù)各水頭、各下游水位下的試驗(yàn)及 仿真成果確定各分段下的較優(yōu)調(diào)速器PID控制參數(shù)。最后再對(duì)各分段下的較優(yōu)調(diào)速器PID控 制參數(shù)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。如表1所示為某帶變頂高尾水隧洞水電站調(diào)速器功率模式下負(fù)荷調(diào) 節(jié)最優(yōu)PID參數(shù)表。
[0064]表1調(diào)速器功率模式負(fù)荷調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果
[0065]
[0066] (5)采用通訊方式將水輪機(jī)工作水頭及下游水位信號(hào)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)引入調(diào)速 器，修改調(diào)速器PLC控制程序，使得調(diào)速器可根據(jù)水輪機(jī)工作水頭和下游水位自動(dòng)選擇最優(yōu) 的PID參數(shù)?？刂圃砣鐖D2所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 進(jìn)行不同水頭不同尾水位下的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，得 到不同水頭不同尾水位較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)； 所述試驗(yàn)的內(nèi)容包括機(jī)組空載擾動(dòng)試驗(yàn)、空載擺動(dòng)試驗(yàn)、并網(wǎng)后機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)、并 網(wǎng)后調(diào)速器功率模式下的負(fù)荷調(diào)節(jié)試驗(yàn)； (2) 建立帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型，利用仿真模型進(jìn)行計(jì)算;通過(guò)現(xiàn) 場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果修正仿真模型，使得仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果吻合； 利用仿真模型對(duì)無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的極端工況進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各極端工況下較優(yōu) 的調(diào)速器PID參數(shù)； (3) 對(duì)水輪機(jī)工作水頭及下游水位進(jìn)行分段，根據(jù)步驟(1)和步驟(2)得到的各水頭、各 下游水位下的試驗(yàn)及仿真計(jì)算結(jié)果確定各分段對(duì)應(yīng)的較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)，得到調(diào)速器 PID參數(shù)優(yōu)化表； (4) 將水輪機(jī)工作水頭及下游水位信號(hào)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)引入調(diào)速器，修改調(diào)速器PLC 控制邏輯，使得調(diào)速器可根據(jù)水輪機(jī)工作水頭和下游水位，在調(diào)速器PID參數(shù)優(yōu)化表中自動(dòng) 選擇對(duì)應(yīng)的較優(yōu)的PID參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在 于，所述步驟(1)中，試驗(yàn)方法為:進(jìn)行多組參數(shù)下的小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)，比較各參數(shù)下的 試驗(yàn)結(jié)果，在其中選取穩(wěn)定性最好、調(diào)節(jié)時(shí)間最短、超調(diào)量最小、波動(dòng)次數(shù)最少的一組參數(shù) 作為較優(yōu)的調(diào)速器P ID參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在 于，所述步驟（1)的試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量信號(hào)，即試驗(yàn)結(jié)果包括:機(jī)組頻率、導(dǎo)葉接力器行程、蝸 殼進(jìn)口水壓、尾水管進(jìn)口水壓、尾水管出口水壓、上游水位和下游水位。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在 于，所述步驟(2)的極端工況包括最高水頭、最低水頭、最高尾水位和最低尾水位工況。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在 于，所述步驟(2)還包括利用仿真模型對(duì)步驟（1)中未進(jìn)行試驗(yàn)的工況進(jìn)行仿真計(jì)算，得到 相應(yīng)工況下較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在 于，所述步驟(2)中，仿真計(jì)算方法為:進(jìn)行不同參數(shù)下的仿真，比較各參數(shù)下的仿真結(jié)果， 在其中選取穩(wěn)定性最好、調(diào)節(jié)時(shí)間最短、超調(diào)量最小、波動(dòng)次數(shù)最少的一組參數(shù)作為較優(yōu) 的調(diào)速器PID參數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在 于，所述步驟(3)中，分段方法為:在最高水頭至最低水頭之間進(jìn)行平均分段，每個(gè)水頭分段 區(qū)內(nèi)在最高尾水位和最低尾水位之間再進(jìn)行平均分段。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在 于，水頭及尾水位分段數(shù)均不得少于3段。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶變頂高尾水隧洞水輪機(jī)調(diào)速器變參數(shù)控制方法，其特征在 于，所述步驟(3)還包括通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)各分段下的較優(yōu)調(diào)速器PID控制參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，如 果發(fā)現(xiàn)該參數(shù)不能滿(mǎn)足該工況下的要求，則通過(guò)步驟（1)或步驟(2)重新進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；以 確保該參數(shù)在該分段內(nèi)為較優(yōu)的調(diào)速器PID參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G05B11/42GK105863948SQ201610245365
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月19日
【發(fā)明人】付亮, 吳長(zhǎng)利, 唐衛(wèi)平, 王輝斌, 寇攀高, 鄒桂麗
【申請(qǐng)人】國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司, 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院