基于水位调节模式运行的水轮机调节系统的研究
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摘要
本文针对带有前池的引水式电站经济运行的需要，在水轮机调节器运行方式中引入前池水位调节这一新型控制方式。其目的是维持前池水位稳定，提高机组单位流量出力，最大限度利用来水，从而提高电站的经济效益。
在建立水位调节模式下调节系统数学模型基础之上，对连续、离散系统进行了稳定分析。分析表明，水位调节模式下调节系统的稳定条件容易满足，稳定域很大，前池时间常数T_q大的更有利于调节系统稳定。之后，结合基于最优状态调节器的综合主导极点的配置方法，对水位调节模式下调节系统的极点进行最优配置，得出了调节对象与调节参数之间的最优函数关系。利用正交试验法，得出了研究对象水位扰动下调节参数的一组最优公式。仿真表明，所得出的最优公式是比较合理的，参照最优公式配置调节系统调节参数，能够满足调节系统的动态性能要求。
提出一种能够消除延时误差，提高计算精度的改进PID算法，对调频模式下采用原始PID算法和改进PID算法的调节系统稳定域进行分析比较。结果表明，b_P、K_D对调节系统稳定域影响较大，在b_P、K_D较小时，两种PID算法的稳定域相差不大，在b_P、K_D较大时，改进PID算法的稳定域大于原始PID算法的稳定域，采用改进PID算法更有利于调节系统的稳定。
In this paper, in order to solve the economic production of run-of-river hydropower plant, the new control mode of regulating the water-level of the forebay is introduced into the hydraulic turbine governor.
Based on the establishment of the mathematical model of the water-level controlling system, the boundary control equation of the stable domain of the continuous system and discrete system are found respectively, and the characteristic of stable domain of the two systems is analysed. The results show that the water-level controlling system has wide stable domain and stable condition is easy satisfied and the domain is larger when the forebay time constant Tq is bigger. Then it probes the optimal pole-placement of hydraulic turbine governing system with the synthetical dominant pole-placement method based on the optimal state-adjuster and deduces the optimal relations of the parameters between the controlling objects and the regulating system. By the optimal experiment, the optimal function of the regulating parameters of the system under the interference of water level is deduced. At last, an emulation of a concrete instance proves that the dynamic performance of the governing system can primly meet the need
of practical production by setting the-regulating parameters with reference of the optimal function.
Besides, an improved PID algorithm is given in this paper. According to normal PID algorithm, the improved algorithm has higher calculation accuracy. After the analysis of the governing system under the mode of regulating frequency with different PID algorithm, it is easy to find that the system with improved algorithm has wider domain than that of the system with normal PID algorithm, and the former is more favorable to the stability than the later.
在建立水位调节模式下调节系统数学模型基础之上，对连续、离散系统进行了稳定分析。分析表明，水位调节模式下调节系统的稳定条件容易满足，稳定域很大，前池时间常数T_q大的更有利于调节系统稳定。之后，结合基于最优状态调节器的综合主导极点的配置方法，对水位调节模式下调节系统的极点进行最优配置，得出了调节对象与调节参数之间的最优函数关系。利用正交试验法，得出了研究对象水位扰动下调节参数的一组最优公式。仿真表明，所得出的最优公式是比较合理的，参照最优公式配置调节系统调节参数，能够满足调节系统的动态性能要求。
提出一种能够消除延时误差，提高计算精度的改进PID算法，对调频模式下采用原始PID算法和改进PID算法的调节系统稳定域进行分析比较。结果表明，b_P、K_D对调节系统稳定域影响较大，在b_P、K_D较小时，两种PID算法的稳定域相差不大，在b_P、K_D较大时，改进PID算法的稳定域大于原始PID算法的稳定域，采用改进PID算法更有利于调节系统的稳定。
In this paper, in order to solve the economic production of run-of-river hydropower plant, the new control mode of regulating the water-level of the forebay is introduced into the hydraulic turbine governor.
Based on the establishment of the mathematical model of the water-level controlling system, the boundary control equation of the stable domain of the continuous system and discrete system are found respectively, and the characteristic of stable domain of the two systems is analysed. The results show that the water-level controlling system has wide stable domain and stable condition is easy satisfied and the domain is larger when the forebay time constant Tq is bigger. Then it probes the optimal pole-placement of hydraulic turbine governing system with the synthetical dominant pole-placement method based on the optimal state-adjuster and deduces the optimal relations of the parameters between the controlling objects and the regulating system. By the optimal experiment, the optimal function of the regulating parameters of the system under the interference of water level is deduced. At last, an emulation of a concrete instance proves that the dynamic performance of the governing system can primly meet the need
of practical production by setting the-regulating parameters with reference of the optimal function.
Besides, an improved PID algorithm is given in this paper. According to normal PID algorithm, the improved algorithm has higher calculation accuracy. After the analysis of the governing system under the mode of regulating frequency with different PID algorithm, it is easy to find that the system with improved algorithm has wider domain than that of the system with normal PID algorithm, and the former is more favorable to the stability than the later.
引文
【1】 www.cc.fswater.gov.cn
【2】 http://www.sp.com.cn
【3】 魏守平．现代水轮机调节技术．武汉：华中理工大学出版社，2002年。
【4】 沈祖诒．水轮机调节．北京：水利水电出版社，1997年。
【5】 Guide to Specification of Hydro- turbine control systems. Hydraulic turbines, December, IEC Committee draft, 1992(4).
【6】 刘昌玉，魏守平．水轮机调速器的多调节模式及相互切换．水电能源科学，12(4)．1994：254～258。
【7】 常黎，梁年生，金和平．引水式水电站前池水位及有功负荷最优分配的综合控制．水电能源科学，12(1)，1994：50～57。
【8】 洪琚水．运行水头的选择对水轮机调整器调节性能的影响分析及对策．江西电力，25(4)，2001：23～29。
【9】 刘光宇，徐良汉，王永骥．转桨式水轮机微机协联控制器的研究．微计算机信息，16(6)，2000：37～38。
【10】 王柏林．水轮发电机组的模型参考自适应控制．自动化学报，13(6)，1987：410～415。
【11】 陈启卷等．自校正PID水轮机调节器．武汉水利电力大学学报，27(5)，1994：531～536。
【12】 O. P. Malik. Design of a robust adaptive controller for a water turbine governing system. IEEE Trans on EC,10(2), 1995: 354～359.
【13】 王永骥等．水轮机水压转速联合预测控制器的研究．水电能源科学，1991(3)：240～247。
【14】 王永骥等．大电网运行水轮发电机组功率预测控制研究．水电能源科学，9(3)，1992：176～182。
【15】金和平等．水电站多机组分散预测控制器研究．水电能源科学，11(3)，1993：171～175。
【16】李植鑫等．水轮机调节系统Fuzzy控制的研究．武汉水利电力学院学报，22(5)，1989：66～73。
【17】徐枋同等．水轮机采用模糊控制的非线性问题．武汉水利电力学院学报，26(3)，1993：245～249。
【18】蔡维由等．水轮机调节系统的Fuzzy—PID复合控制．电气自动化，(4)，1996：10～12。
【19】张建明．模糊控制器在水轮机调节中的应用．大电机技术，(4)，1993：46～50。
【20】王印松，商国才．一种适用于非最小相位系统的模糊控制方法．控制与决策，(1)，1999：51～55。
【21】景雷，叶鲁卿等．水轮发电机组的神经网络可辨识性研究．水电能源科学，15(2)，1997：17～23。
【22】陈启卷，徐枋同．水轮发电机组神经网络非线性建模研究．水利学报，(10)，1997：62～65。
【23】王印松，刘长青．水轮机调节系统的神经网络控制．华北电力大学学报，(1)，1998：56～61。
【24】曾杰等．水轮发电机组神经元预测调速器．测控技术，(2)1997：34～36。
【25】J.E.Lansberry and L.Wozniak. Optimal hydrogenerator governor tuning with agenetic algorithm. IEEE Trans on EC,7 (4), 1992:623～630.
【26】C.A.Wrate and L.Wozniak. Hydrogenerator System Identification Using a simple Genetic Algorithm. IEEE Transactions on Energy Conversion,12 (1), 1997: 60～65.
【27】刘乐星，毛宗源．水轮机GA—PID的控制器研究．电力系统自动化，21(12)，1997：41～43。
【28】南海鹏．水轮发电机组PCC控制．西安：西北工业大学出版社，2002年。
【29】沈宗树等．水电站机组稳定与控制．武汉：华中理工大学出版社，1989年。
【30】陈嘉谋．水轮机调节系统计算机仿真．北京：水利电力出版社，1993年。
【31】徐枋同，李植鑫．水电站机组计算机仿真．北京：水利电力出版社，1995年。
【32】张建蓉，王敬民．腊庄水电站水轮机调节系统小波动数学模型．昆明理工大学学报，25(4)，2000：97～104。
【33】戴敏，刘炳文，蔡维由，陈静．具有不同引水管道的水轮机调节系统数学模型．武汉水利电力大学学报，30(2)，1997：23～27。
【34】魏守平．综合主导极点配置及其在水轮机调速系统中的应用．电力系统自动化，6(2)，1982：40～54。
【35】龚崇权，蔡维由，肖惠民．基于遗传算法的水轮机调节系统最优参数整定．电力系统自动化，26(15)，2002：57～59。
【36】南海鹏，王涛，余向阳．基于改进遗传算法的水轮机调速器参数优化．水利学报，(10)，2002：57～61。
【37】匡和碧，刘海峰，蔡维由，宋海辉．FUZZY自整定PID参数控制器在水轮机调速器中的应用．中国农村水利水电，(8)，2002：32～34。
【38】魏守平，罗萍，张富强．水轮机调节系统的适应式变参数控制．水电能源科学，21(1)，2003：64～66。
【39】廖忠，潘志强．水轮机调节系统模糊推理自校正．PID控制．南昌水专学报，21(3)，2002：19～22。
【40】孟佐宏．水轮机调节系统最优鲁棒极点配置调速器的设计．大电机技术，(4)，2000：60～64。
【41】张志学，李峥嵘，李朝晖．水轮机调速系统的PID参数模糊整定．水电自动化与大坝监测，26(1)，2002：34～36。
【42】魏守平．刚性水锤下水轮机调节系统的状态方程．水电设备，(3)，1981：41～51。
【43】魏守平．水轮机调速系统状态方程．大电机技术，(4)，1979：80～87。
【44】张志涌等．掌握和精通MATLAB．北京：北京航空航天大学出版社，1997年。
【45】窦振中．模糊逻辑控制技术及其应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1995年。
【46】薛定宇．控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用[M]．北京：清华大学出版社，1996年。
【47】康玲，姜铁兵．基于SIMULINK的水轮机调节系统仿真研究．水力发电，(12)，1999：27～29。
【48】廖忠，李志东．水轮机调节系统模糊控制的仿真．南昌水专学报，20(1)，2001：6～11。
【49】罗南华，杨晓菊，孟庆辉．MATLAB在水轮机调节系统设计中的应用．东北水利水电，(11)，1998：17～20。
【50】孙美凤，沈祖诒，张伟．MATLAB平台上非线性水轮机调节系统的仿真模型探讨．华北水利水电学院学报，(4)，2002：37～39。
【51】南海鹏，陈嘉谋．水轮机微机调速器PID调节器的实现及其稳定性分析．大电机技术，1990(4)：52～55。
【52】南海鹏，孙超图．水轮机调节系统离散化对稳定域的影响．水力发电学报，1993(4)：51～58。
【2】 http://www.sp.com.cn
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【4】 沈祖诒．水轮机调节．北京：水利水电出版社，1997年。
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【42】魏守平．刚性水锤下水轮机调节系统的状态方程．水电设备，(3)，1981：41～51。
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