水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展與展望

1、水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展與展望大學(xué)程遠(yuǎn)楚2007年 6 月一水電機(jī)組控制的任務(wù)與種類水電機(jī)組控制設(shè)備主要完成水輪發(fā)電機(jī)組的操作、調(diào)節(jié)、控制和事故保護(hù)。主要有：調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)：水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)操作（控制）與監(jiān)視系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，同期裝置事故保護(hù)：發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)，機(jī)組過速保護(hù)等輔機(jī)控制系統(tǒng)二水電機(jī)組控制系統(tǒng)的特點(diǎn)水電機(jī)組控制系統(tǒng)是一個(gè)水機(jī)電過程相互影響、相互制約的復(fù)雜系統(tǒng)，它具有時(shí)變（被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)均隨時(shí)間和運(yùn)行工況的改變而變化）、非線性、非最小相位等復(fù)雜特性，常規(guī)控制器難以滿足其對控制性能指標(biāo)和穩(wěn)定性的要求。另一方面，由于水電機(jī)組控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)與穩(wěn)定性，直接關(guān)系到水電廠與

2、整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行、供電品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益，水電機(jī)組的安全控制與優(yōu)化控制一直是該領(lǐng)域研究的核心問題，也是長期存在的理論和技術(shù)難題。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，水電機(jī)組控制系統(tǒng)的控制規(guī)律也在不斷地發(fā)展和完善。從定參數(shù) PI 、PID 到變參數(shù) PID1 ，從常規(guī)控制到變結(jié)構(gòu)控制、勵磁系統(tǒng)附加穩(wěn)定控制 (PSS)，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能得到了不斷的提高。但隨著單機(jī)容量的增大，長距離輸電線路的增加，水電廠無人值班、少人值守的實(shí)施，對水電機(jī)組控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)提出了更高的要求。如在建的三峽水電站，其機(jī)組容量大，水頭變幅大，運(yùn)行圍變化寬（有功從0（空載） 700MW；初期水頭 61 米最高水頭

3、113 米）；再加上水電機(jī)組運(yùn)行工況的變化及電網(wǎng)負(fù)荷的變動導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)特性的變化均較難預(yù)測?；陔x線模型 1 的適應(yīng)式變參數(shù)難以保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)在不同的工況下均有較好的動態(tài)品質(zhì)。另一方面，互聯(lián)電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，為提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，往往采用高頂值電壓的快速勵磁系統(tǒng)，由此可能使長輸電線弱聯(lián)系的大型電力系統(tǒng)阻尼嚴(yán)重削弱。機(jī)械械模式阻尼的缺乏，會引發(fā)互聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)每分鐘只有幾個(gè)周波至幾十個(gè)周波的低頻自激振蕩。這種振蕩的加劇會破壞發(fā)電機(jī)組間的并列運(yùn)行。大容量機(jī)組的普遍采用，遠(yuǎn)距離、超高壓、大功率輸電系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，不但使小干擾穩(wěn)定問題和由于系統(tǒng)阻尼不足引起的低頻振蕩成為一個(gè)嚴(yán)重的問題，電力系統(tǒng)在大

4、干擾下的穩(wěn)定問題也成為一個(gè)突出的問題。一旦電力系統(tǒng)的穩(wěn)定遭到破壞，會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的崩潰和瓦解，從而給國民經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來巨大的損失。在這方面，我國過有多次慘痛的教訓(xùn)， 美國、日本、歐洲等也曾發(fā)生過多起電力系統(tǒng)瓦解的事故2 。長期以來，就如何保證和提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究，提出了許多有效的控制措施和方法。其中，改善控制系統(tǒng)的性能、提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)是最主要的方法。因此，為提高大型互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為改善水電機(jī)組的控制性能，基于現(xiàn)代控制理論的自適應(yīng)控制3 、變結(jié)構(gòu)時(shí)變參數(shù)自完善控制45 、模型參考多變量最優(yōu)控制6 7、魯棒控制 8 9等的有關(guān)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制模型和控制方法也被

5、提出并進(jìn)行了大量的理論研究。然而，由于需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而水電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型至今尚未完全建立，特別是水輪機(jī)特性，因具有嚴(yán)重的非線性，只能以圖表或曲線的方式給出，參數(shù)估計(jì)和參數(shù)辨識較為困難，故未能得到很好的實(shí)際應(yīng)用?；诂F(xiàn)代控制理論的勵磁系統(tǒng)最優(yōu)控制 10,11 、非線性控制 12,13 、自適應(yīng) PSS14,15 等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，有些還在實(shí)際中得到了應(yīng)用。近年來，隨著智能控制技術(shù)的出現(xiàn)，基于專家系統(tǒng)、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法的水電機(jī)組智能控制規(guī)律被提了出來16-26 ，并引起了一股研究熱潮。智能控制作為一門新興的理論和技術(shù)，其發(fā)展得益于許多學(xué)科，其中，包括人工智能、現(xiàn)代自

6、適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、生物控制、學(xué)習(xí)理論、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及再勵學(xué)習(xí)等 27 。智能控制理論發(fā)展時(shí)間不長，理論體系尚不完整，但發(fā)展很快。智能控制系統(tǒng)因其特有的自學(xué)習(xí)功能、自組織功能、良好的自適應(yīng)性能，已在生物、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、軍事、空間技術(shù)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。研究者認(rèn)為：智能控制的發(fā)展和完善必將引起控制領(lǐng)域的全面革命28,29 。目前， 智能 控制 的研 究已 從單學(xué)科研 究發(fā)展成為多學(xué)科 理論交叉研究27,29-32。大量的研究表明，智能控制是提高水電機(jī)組控制系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性的有效方法和途徑。然而，由于智能控制理論尚不完善，智能控制在實(shí)際工程中應(yīng)用的結(jié)果與理論研究的結(jié)果尚有不小的差距

7、。特別是對像水電機(jī)組控制系統(tǒng)這樣一類性能指標(biāo)要求較高、運(yùn)行域變化較大、參數(shù)變化較為劇烈的時(shí)變且存在隨機(jī)擾動而又相對快速的控制系統(tǒng)，智能控制的研究僅限于計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，智能控制的應(yīng)用實(shí)例尚未見到報(bào)導(dǎo)。三 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以水輪機(jī)調(diào)速器作為控制器，水輪發(fā)電機(jī)組作為被控對象所構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本任務(wù)，是根據(jù)負(fù)荷的變化不斷地調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組的有功功率，以維持機(jī)組轉(zhuǎn)速 ( 頻率 ) 在規(guī)定的圍。水輪發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中經(jīng)常擔(dān)任調(diào)頻和調(diào)峰任務(wù)，開停機(jī)頻繁，其性能的好壞，自動化水平的高低，直接影響到機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能好壞，對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)

8、量 ( 頻率、電壓 ) 及安全可靠運(yùn)行具有重大的影響。自水輪機(jī)問世之初起，便有了水輪機(jī)調(diào)速器。隨著電子技術(shù)的控制理論的進(jìn)步，水輪機(jī)調(diào)速器得到了快速地發(fā)展。在近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中，水輪機(jī)調(diào)速器先后經(jīng)歷了機(jī)械液壓型調(diào)速器、電氣液壓型調(diào)速器和微機(jī)調(diào)速器三個(gè)發(fā)展階段。機(jī)械液壓型調(diào)速器以其原理簡單、便于掌握等特點(diǎn)，在相當(dāng)一段時(shí)間得到了廣泛的應(yīng)用，在上世紀(jì) 50 年代達(dá)到了全盛時(shí)期，但由于其靜、動態(tài)特性較差，而且存在機(jī)件磨損問題，因此其應(yīng)用受到限制。上世紀(jì) 40 年代未，隨著電子管式電氣液壓調(diào)速器的問世，因其具有響應(yīng)快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，逐步在電力系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。隨著晶體管式電液調(diào)速器的問世，特別是上世紀(jì) 7

9、0 年代大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展迅速，集成電路運(yùn)算放大器應(yīng)用于水輪機(jī)調(diào)速器，其控制性能進(jìn)一步提高，模擬式電氣液壓型調(diào)速器迅速取代了機(jī)械液壓式調(diào)速器，得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了水輪機(jī)調(diào)速器的又一次飛躍。1982 年 ASEA公司引入微計(jì)算機(jī)技術(shù)，研制出了出第一臺微機(jī)調(diào)速器。此后，法國的NEYRPIC、比利時(shí)的 BCEC、日本的 HITACHI、瑞士的 SULZER、美國的 WOODWARD等大公司相繼研制生產(chǎn)出各種類型的微機(jī)調(diào)速器。在我國，華中科技大學(xué)與天津水電控制設(shè)備廠共同研制開發(fā)了我國第一臺微機(jī)調(diào)速器，于 1984 年在歐陽海電站投入運(yùn)行。應(yīng)該說，微機(jī)調(diào)速器的出現(xiàn)是水輪機(jī)調(diào)

10、速器發(fā)展的重大變革。與模擬式電氣液壓調(diào)速器不同，微機(jī)調(diào)速器在實(shí)現(xiàn)方法上帶來了一次徹底的革命，模擬式調(diào)速器是完全由硬件電路實(shí)現(xiàn)的，因此任何控制策略上的變化都會導(dǎo)致部分甚至全部電氣裝置的改變，這既提高了成本，也給調(diào)速器的更新、改造以及更高級、復(fù)雜控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)帶來了困難。而微機(jī)調(diào)速器在實(shí)現(xiàn)方法上由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，其控制功能的實(shí)現(xiàn)由軟件完成，因而帶來了很大的靈活性。同時(shí)，微計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力和邏輯功能為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能提供了基礎(chǔ)。自微機(jī)調(diào)速器問世以來，它以其高性能 / 價(jià)格比、高精度和高可靠性及易于與水電站其它計(jì)算機(jī)控制設(shè)備接口得到了迅速的推廣應(yīng)用。由于微機(jī)調(diào)速器在實(shí)現(xiàn)方法上與傳統(tǒng)的水輪

11、機(jī)調(diào)速器不同，其硬件結(jié)構(gòu)、 軟件配置、容錯(cuò)策略和可靠性措施是確保其高可靠性和良好的動靜態(tài)性能的保證。為此，在微機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)模式、功能設(shè)置、軟件設(shè)計(jì)和容錯(cuò)措施方面進(jìn)行了大量的研究 92-98 ，取得了豐碩的成果。調(diào)速器的模式結(jié)構(gòu)主要有三類：（1） 緩沖式調(diào)速器由暫態(tài)與永態(tài)反饋元件及放大元件、主接力器等形成調(diào)節(jié)規(guī)律，這些元件的靜動態(tài)特性和非線性因素對調(diào)節(jié)規(guī)律有影響，且轉(zhuǎn)速死區(qū)較大。圖 1緩沖式調(diào)速器（2） 中間接力器式調(diào)速器由暫態(tài)與永態(tài)反饋元件及放大元件、中間接力器等形成調(diào)節(jié)規(guī)律，由主配壓閥和主接力器組成液壓隨動系統(tǒng)進(jìn)行功率放大并驅(qū)動導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是控制規(guī)律形成與導(dǎo)葉動分開，調(diào)整方便，死區(qū)較小

12、，但隨動系統(tǒng)存在機(jī)械反饋，對轉(zhuǎn)速死區(qū)與動態(tài)性能有影響圖 2 中間接力器式調(diào)速器（3） 電子調(diào)節(jié)器式調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律準(zhǔn)確，機(jī)構(gòu)簡單，死區(qū)小。圖 3電子調(diào)節(jié)器式調(diào)速器當(dāng)前微機(jī)調(diào)速器的實(shí)用模式是：微機(jī)控制器+伺服系統(tǒng)，水輪機(jī)調(diào)速器的另一個(gè)發(fā)展是液壓隨動系統(tǒng)的進(jìn)步。近年來，在液壓伺服系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量的研究99-101 。這些研究成果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1) 實(shí)現(xiàn)手段。國先后開發(fā)出基于單板機(jī)，單片機(jī)、 STD 總線、可編程控制器(PLC)，工業(yè)個(gè)人控制計(jì)算機(jī) (IPC) ，可編程計(jì)算機(jī) (PCC)等的微機(jī)調(diào)速器。(2) 結(jié)構(gòu)模式。在發(fā)展過程中，不少科研單位對水輪機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行了很多嘗試，大

13、致有：單微機(jī)模式，雙微機(jī)模式，雙通道系統(tǒng)，混合型雙微機(jī)并聯(lián)模式，完全雙通道混合型并聯(lián)模式，三微機(jī)冗余模式等。(3) 液壓伺服系統(tǒng)?？傮w看，一是提高調(diào)速系統(tǒng)油壓等級，與其它工業(yè)領(lǐng)域中的液壓技術(shù)靠勢在必行，以實(shí)現(xiàn)集成化，標(biāo)準(zhǔn)化，小型化。二是在伺服系統(tǒng)在發(fā)展過程中方式上進(jìn)行變革，以提高抗油污能力和可靠性，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)化控制。目前主要的液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式有：電液伺服閥系統(tǒng)，比例閥伺服系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)，直流電機(jī)或交流電機(jī)伺服系統(tǒng)，數(shù)學(xué)閥伺服系統(tǒng)等。當(dāng)前采用較多的微機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)模式：a. 電液轉(zhuǎn)換器 / 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)型b. 交流伺服 / 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)型c. 交流伺服（直流伺服）中間接力器/ 機(jī)械液壓

14、隨動系統(tǒng)d. 步進(jìn)電機(jī) / 機(jī)械液壓隨動系統(tǒng)e. 三態(tài)閥數(shù)字式液壓隨動系統(tǒng)調(diào)速器是水電站重要的自動化設(shè)備，其性能的好壞直接影響到電能質(zhì)量和電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。近十多年來，由于設(shè)計(jì)的改進(jìn)、高可靠性電液伺服閥的研制、電液隨動系統(tǒng)的簡單化與革新、工作油壓的提高、微機(jī)技術(shù)的普遍采用、加工和制造工藝的提高，使得現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速器的性能大為改觀，對水電站的自動化水平的提高作出了巨大貢獻(xiàn)。四水輪機(jī)調(diào)速器控制策略研究隨著超高壓遠(yuǎn)距離輸電的大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)的日益發(fā)展，高水頭大容量水輪機(jī)組和大容量抽水蓄能機(jī)組的出現(xiàn)，用電部門對電能質(zhì)量要求不斷提高，對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)品質(zhì)、調(diào)節(jié)穩(wěn)定邊界、水輪機(jī)發(fā)電效率、水機(jī)

15、電聯(lián)合最佳控制都提出了更高的要求。原有的簡單控制方式已經(jīng)難以適應(yīng)，它勢必要被更為復(fù)雜、高級的現(xiàn)代控制理論所替代。而控制理論的發(fā)展，微機(jī)調(diào)速器的大量使用使得新型控制規(guī)律在水輪機(jī)調(diào)節(jié)中的應(yīng)用成為可能。在機(jī)械液壓型調(diào)速器時(shí)期，由于機(jī)械系統(tǒng)的局限性，一直采用的是 PI 型控制規(guī)律。直到電氣型調(diào)速器出現(xiàn)后才實(shí)現(xiàn)了 PID 控制規(guī)律。在這一時(shí)期，為解決水輪機(jī)調(diào)速器的參數(shù)整定問題，文獻(xiàn)102 105研究了控制參數(shù)對調(diào)節(jié)性能的影響，文獻(xiàn) 106以 Roth-Hurwitz 穩(wěn)定性準(zhǔn)則導(dǎo)出了穩(wěn)定參數(shù)區(qū)域，文獻(xiàn) 107,108 則給出 PID 控制參數(shù)的整定方法。目前主要應(yīng)用的有斯坦因公式和克里夫琴科公式109

16、。在實(shí)際運(yùn)行過程中，水輪機(jī)的工況點(diǎn)是變化的，此時(shí)若仍然采用同一組控制參數(shù)可能得不到理想的控制效果。文獻(xiàn) 110 指出定參數(shù) PID 調(diào)節(jié)沒有考慮控制對象非線性、時(shí)變等特性，以一組參數(shù)用于整個(gè)控制域，無法獲得全工作域的最佳調(diào)節(jié)。文獻(xiàn) 1, 111,112 根據(jù)變參數(shù) PID 的思想提出了適應(yīng)式控制規(guī)律，以機(jī)組的運(yùn)行工況及工況點(diǎn)位置來決定當(dāng)前的 PID 控制參數(shù)。文獻(xiàn) 113 發(fā)展了以負(fù)荷水平調(diào)整參數(shù)的方法。文獻(xiàn) 114 通過求線性二次型目標(biāo)函數(shù)最小值得到 PID 優(yōu)化參數(shù)。文獻(xiàn) 115 則利用遺傳算法來優(yōu)化水輪機(jī)調(diào)速器的參數(shù)，文獻(xiàn)116研究了在不同負(fù)荷下抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器的最優(yōu)參數(shù)整定問題。由于

17、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性特別是非線性、變結(jié)構(gòu)變參數(shù)等， 經(jīng)典控制理論難以適應(yīng)越來越高的調(diào)節(jié)要求，更為復(fù)雜、高級的現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用成為必然。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展， 基于現(xiàn)代控制理論的自適應(yīng)控制3 、變結(jié)構(gòu)時(shí)變參數(shù)自完善控制4,5,117 、模型參考多變量最優(yōu)控制 6 7 、魯棒控制 8 9 、預(yù)測控制 118 、非線性補(bǔ)償控制等的有關(guān)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制模型和控制方法也被提出并進(jìn)行了大量的理論研究。經(jīng)典控制理論基于線性 PID 控制，很難實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的控制，同時(shí)對系統(tǒng)的參數(shù)適應(yīng)性差?，F(xiàn)代控制理論基于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)，當(dāng)被控對象的信息缺乏時(shí)，就可能無法進(jìn)行系統(tǒng)辨識和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重構(gòu)。而所謂適應(yīng)性

18、、魯棒性都是在一定的圍滿足一定的約束條件前提下實(shí)現(xiàn)的。自適應(yīng)過多地依賴于被控對象的結(jié)構(gòu)信息，控制效果取決于參考模型的正確程度，它只適合于被控對象參數(shù)變化緩慢、非線性不嚴(yán)重的場合，并且由于其辨識及控制算法復(fù)雜并要求調(diào)速器具有較高的實(shí)時(shí)性，這限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。當(dāng)水輪機(jī)調(diào)節(jié)對象在多工況、多結(jié)構(gòu)、大圍運(yùn)行時(shí)，造成自適應(yīng)控制具體實(shí)現(xiàn)上的困難。隨著智能控制理論蓬勃發(fā)展，人們嘗試將智能控制的理論和方法用于水輪機(jī)控制系統(tǒng)中。文獻(xiàn)4首先將智能處理技術(shù)引入水電機(jī)組控制中，改善了控制效果。其后，文獻(xiàn)18,21,23將模糊控制引入水輪機(jī)調(diào)節(jié)中，文獻(xiàn)24， 121探討了水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，文獻(xiàn) 25將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制結(jié)合探討了水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合控制，文獻(xiàn)22則給出了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 復(fù)合控制