水轮机调速器控制技术研究

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山西水利科技

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水轮机调速器控制技术研究

方红庆#

$#+河海大学水利水电工程学院

郝培宏&吴恺&

&+水利部山西水利水电勘测设计研究院%

摘要：文中针对水轮机调节系统非线性、时变、非最小相位的特点，介绍了水轮机调速器

所采用常规345控制、自适应控制、智能控制和非线性控制等控制技术，指出了这些控制方法的优缺点，并提出将非线性控制与其它控制策略相结合形成复合控制策略将是水轮机调节系统控制策略的发展方向。关键词：水轮机；调速器；控制技术中图分类号：,67"(

文献标识码：8

#水轮机调控系统概述

水轮机调节系统是一个集水力、机械、电气为一体的复杂

发展到计算机调速器时代的连续变参数适应式345控制，自适应、变结构变参数自完善控制，模型参考多变量最优控制，模糊控制，人工神经网络控制和基于微分几何理论的非线性控制等新型控制规律，这些研究成果在理论研究和工程实践中对调速器的发展均起着积极的推动作用。&

常规345调节控制

自#?&&年美国诺尔斯基提出345调节器以来，由于其结构简单，对模型误差具有鲁棒性，易于操作，参数易于调节，至今仍是生产过程自动化中使用最多的一种调节器$全世界范围内，过程控制中345调节器占<(@，若考虑改进型则超过?’@%，大多数反馈控制系统用该方法或其较小的变形来控制。因此345控制是水轮机调节系统的一种比较理想的控制方式。

比例作用调节器相当于放大系数可以调整的放大器，其优点是不增加系统传递函数的阶次，有利于系统的稳定，装置简单易于实现。比例控制在水轮发电机组偏差出现时，能立即给出控制信号，使被控制量朝着减小偏差的方向变化。但比例系数较小时控制信号也小，调节过程较慢，控制作用的强弱取决于比例系数的大小。但比例系数较大时又有可能破坏系统的动态特性，且单纯的比例作用会形成水轮机调节系统的静差。积分作用对偏差进行记忆并积分，可以防止小偏差长期存在，有利于消除静差。但在偏差出现初期，偏差比较小，此时无论是比例控制还是积分控制作用都比较小。且积分作用速动性差，具有滞后性，同时使系统的阶次增加，降低系统的稳定性。微分作用是按照被调量偏差的变化速度来产生调节作用，在偏差刚形成时，就能有较大的控制作用，从而加快调节过程。能在偏差过大之前进行有效的校正，因此可以减少系统的最大偏差。增大微分控制作用可加快系统的响应速度，使超调量减小，增加系统稳定性。但微分作用对干扰十分敏感，使系统抑制干扰的能力降低。

水轮机调节系统的常规345控制是按水轮发电机组转速偏差的比例、积分和微分的线性组合进行控制的方式，在工况

的控制系统，其基本的任务是根据电力系统负荷的不断变化来调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组频率在规定的范围之内。由于压力引水系统的水流惯性、水轮发电机组各个环节的非线性特性、水轮机传递系数随工况的改变的时变特性以及随时发生的电力系统负荷扰动使得水轮机调节系统的控制十分困难。

水轮机调速器是保证水电厂机组稳定运行的重要控制设备，直接关系到机组的安全与稳定运行。调速器的发展先后经历了三个阶段：机械液压型调速器、电气液压型调速器和计算机调速器。机械液压型调速器用液压放大元件提供推动导水机构动作所需的功率放大，同时用缓冲器和调差机构反馈形成调节规律，它能满足单独工作或小系统工作的水轮机调节的需要，但与越来越高的自动化要求不相适应。电气液压型调速器以缓冲式机械液压型调速器为基础，用电气测频回路代具有较高的灵敏度替机械飞摆，用9:微分电路代替缓冲器，和较快的动作速度，在&’世纪!’年代后获得了迅速发展。它经历了电子管、晶体管和集成电路等几个发展阶段。随着计算机技术的迅猛发展，计算机控制技术也逐步应用于水轮机调单片机、可编程节系统，其发展经历了;<’单板机、=,5总线、工业43:及目前占据市场主流的3>:和33:可编程计算机调速器。计算机调速器采用先进的电子调节器式系统结构，由转速测量单元、电子调节单元和电液执行单元组成。其特点是转速测量、调节规律的形成和驱动导水机构的职能分别由上述三个功能单一的单元实现，其控制规律由软件形成，这使复杂控制规律的研究和实现成为可能。

从调速器所采用的调节规律来看，传统的模拟式调速器的调节规律是34或345调节，而且只有空载和负荷两组参数。近年来，随着计算机调速器硬件水平的提高和控制理论的发展，水轮机调节规律的研究也取得了很大进展，许多先进的有级变参数345，调节规律相继出现，比如，从定参数34、345，

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方红庆等：水轮机调速器控制技术研究

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确定的情况下，适当的选择比例、积分、微分系数可以使水轮机调节系统得到比较完善的动态和稳态性能。2

自适应控制

水轮机调节系统被控对象的参数与机组本身所处的工况及所带负荷有关，水轮机的传递系数随工况的不同有很大的变化，发电机工况及负荷的变化也会影响发电机模型的一些参数。在不同工况点上的水轮机调速器的参数也应该不同，否则必然会使水轮机调节系统的动态特性变差。因此，对于水轮机调节系统比较适合采用自适应控制规律。我国学者在水轮机调速器方面进行了模型参考自适应控制及转速自适应控制的研究，提出了一种基于测试系统频率特性的自适应控制策略。针对水轮机发电机组工况的变化，也有采用变结构并增加非线性补偿器的办法。按照极点配置的原理推导水轮机调速器345参数的优化公式，以该方法为基础的水轮机调速器自适应调节规律也能较好地兼顾频率扰动和负荷扰动对水轮机调节系统动态性能的影响。"

智能控制

模糊逻辑控制、神经网络控制和专家控制是三种典型的智能控制方法。

模糊逻辑控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。#67!年，美国的8*9*:-;0<创立了模糊集合论，#6=2年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。#6="年，英国的>*?*@-A;-BC首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得了成功。模糊控制实质上是一种非线性控制，在处理控制对象本身的不确定性、不精确性以及噪声带来的困难，特别是在处理复杂系统如大时滞、时变、非线性系统时显示出它的优越性。对于水轮机调节系统非线性、时变、非最小相位的特点，按照模糊规则利于人工经验和知识实以改善控制系统的性能，提高调节品质现实时调整345参数，

和适应能力，但有静态误差。也有学者提出直接测辨模糊控制决策表的方法，并将模糊控制与积分调节并联形成复合结构来克服静态误差取得较好的效果。但模糊控制存在隶属函数赋值没有依据、模糊规则归纳困难的缺点，也较难直接用于在调节过程中结构和参数变化范围较大的水轮机调节系统。

人工神经网络是模仿人脑神经系统，以一种简单计算单元即神经元为节点，采用某种网络拓扑结构构成的活动网络，它在不同程度和层次上模拟人脑神经系统的信息处理 …… 此处隐藏：5247字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……