基于S曲线算法的水电机组功率调节方法、控制系统及水电机组与流程

本发明涉及水电机组技术领域，尤其是涉及一种基于s曲线算法的水电机组功率调节方法、控制系统及水电机组。

背景技术：

水电机组调速器作为控制机组频率和功率的核心设备，其并网状态下负荷调整主要有两种调节模式，即开度调节模式和功率调节模式，其原理如图1所示。调速器处于开度调节模式，机组有功功率的闭环调节主要是通过监控系统实现；调速器接收到来自lcu(监控系统下位机)的增减脉冲信号再进行导叶开关动作，从而实现机组有功功率的调节。调速器处于功率调节模式，lcu通过通信或模拟量信号将有功功率调节目标值直接下发给调速器，调速器根据功率偏差值采用pi调节方式进行功率闭环调节。

水电机组在并网运行状态下进行功率增减的过程中，由于受水流惯性时间常数、导叶关闭时间等非线性因素以及监控系统、调速器调节参数不合理设置等人为因素的影响容易引发功率振荡、功率波动、功率反调节。如图2所示(图2中，位于偏上方的曲线为功率power线)，机组功率在减少至目标功率的过程中呈现出剧烈的振荡和波动现象。如图3、4所示(图3中，横坐标0-4s内位于偏下方的曲线为功率power线；在图4中，横坐标2-14s内位于偏上方的曲线为功率power线)，机组在进行功率增减的过程中，由于导叶在动作的瞬间引起了“水锤”，导致机组功率向相反方向变化，即功率反调节。上述机组在功率调节的过程中功率振荡、功率波动及反调节等问题广泛存在于机组运行过程中，已经严重影响电厂及电力系统的安全稳定运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于s曲线算法的水电机组功率调节方法、控制系统及水电机组，解决了现有技术中采用传统的线性控制算法调节导叶的开度时，存在水电机组功率振荡相对大、功率相对不稳定的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种基于s曲线算法的水电机组功率调节方法，包括以下内容：调节导叶的开度以调节水电机组的功率，且通过基于s型加减速速度曲线分析算法以控制所述导叶的移动速度变化，来改善水电机组功率振荡的情况。

进一步地，当调节导叶的开度以调节水电机组的功率时，所述导叶的速度变化过程包括三个阶段且依次为缓慢增速段、速度稳定段以及缓慢减速段；所述缓慢增速段中，所述导叶的速度从初始速度逐渐增大；所述缓慢减速段中，所述导叶的速度逐渐增小直至为初始速度。

进一步地，设定所述缓慢增速段所占时长为时间t1，设定所述速度稳定段所占时长为时间t2，设定所述缓慢减速段所占时长为时间t3，其中，所述时间t1与所述时间t3相同或不同；所述时间t3大于所述时间t1以及所述时间t2。

进一步地，所述时间t1占比范围为15％～30％；所述时间t2的占比范围50％～70％；所述时间t3的占比范围15％～30％。

进一步地，在所述速度稳定段中，所述导叶的速度为一定值或者所述导叶的速度在一定范围内波动。

进一步地，所述缓慢增速段的速度曲线呈“s”型且所述缓慢增速段中的加速度先增大、后减小。

进一步地，所述缓慢减速段的的速度曲线呈“s”型且所述缓慢增速段中的加速度先增大、后减小。

一种实现所述的基于s曲线算法的水电机组功率调节方法的控制系统，包括控制装置和驱动结构，其中，所述控制装置与所述驱动结构相连接，所述驱动结构与所述导叶相连接且所述驱动结构带动所述导叶动作，所述控制装置能实现基于s型加减速速度曲线分析算法以控制所述导叶打开时的速度变化以及控制所述导叶关闭时的速度变化。

进一步地，所述控制系统还包括反馈信号结构，所述反馈信号结构与所述控制装置相连接，所述反馈信号结构用以检测所述导叶的速度并将速度信号反馈至所述控制装置。

一种水电机组，包括所述的控制系统。

本发明提供了一种基于s曲线算法的水电机组功率调节方法，包括以下内容：调节导叶的开度以调节水电机组的功率，调节导叶的开度可以调节水流量，且通过基于s型加减速速度曲线分析算法以控制所述导叶的移动速度来改善水电机组功率振荡的情况。当调节导叶的开度以调节水电机组的功率时，导叶的速度变化过程包括三个阶段且依次为缓慢增速段、速度稳定段以及缓慢减速段；缓慢增速段中，导叶的速度从初始速度逐渐增大；缓慢减速段中，导叶的速度逐渐增小直至为初始速度，由于采用了缓冲加速、减速的控制，有效缓解了导叶动作瞬间产生的水击，从而有效抑制了机组功率振荡、波动以及反调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的水电机组在并网状态下负荷调整时开度调节模式和功率调节模式的原理图；

图2示意出导叶依据传统控制算法出现功率振荡和波动的坐标图；

图3示意出导叶依据传统控制算法出现功率反调节的坐标图；

图4示意出导叶依据传统控制算法出现功率反调节的坐标图；

图5是本发明提供的基于s曲线加减速算法调节导叶的速度-时间坐标图；

图6是本发明提供的基于s曲线加减速算法调节导叶的位移-时间坐标图；

图7是本发明提供的基于s曲线加减速算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(5％功率变化调整试验)；

图8是本发明提供的基于传统控制算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(5％功率变化调整试验)；

图9是本发明提供的基于s曲线加减速算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(10％功率变化调整试验)；

图10是本发明提供的基于传统控制算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(10％功率变化调整试验)；

图11是本发明提供的基于s曲线加减速算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(20％功率变化调整试验)；

图12是本发明提供的基于传统控制算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(20％功率变化调整试验)；

图13是本发明提供的基于s曲线加减速算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(40％功率变化调整试验)；

图14是本发明提供的基于s曲线加减速算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(40％功率变化调整试验)；

图15是本发明提供的基于传统控制算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(40％功率变化调整试验)；

图16是本发明提供的基于传统控制算法调节导叶得出的各参数值与时间的坐标图(40％功率变化调整试验)；

图17为试验过程中水电机组的参数值表；

图18是功率稳定性指数曲线图；

图19是功率调节动态响应曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种基于s曲线算法的水电机组功率调节方法，包括以下内容：调节导叶的开度以调节水电机组的功率，调节导叶的开度可以调节水流量，且通过基于s型加减速速度曲线分析算法以控制导叶的移动速度来改善水电机组功率振荡的情况。具体的，当调节导叶的开度以调节水电机组的功率时，导叶的速度变化过程包括三个阶段且依次为缓慢增速段、速度稳定段以及缓慢减速段；缓慢增速段中，导叶的速度从初始速度逐渐增大(初始速度通常为零)；缓慢减速段中，导叶的速度逐渐增小直至为初始速度(初始速度通常为零)。由于采用了缓冲加速、减速的控制，有效缓解了导叶动作瞬间产生的水击，从而有效抑制了机组功率振荡、波动以及反调节。

在速度稳定段中，导叶的速度为一定值或者导叶的速度在一定范围内波动；缓慢增速段的速度曲线呈“s”型且缓慢增速段中的加速度先增大、后减小；缓慢减速段的的速度曲线呈“s”型且缓慢增速段中的加速度先增大、后减小。当调节导叶的开度以调节水电机组的功率时，参见图5，示意出了基于s曲线加减速算法导叶的速度变化曲线，ac为缓慢增速段，cd为速度稳定段，db为缓慢减速段。依据图6，图6为对应的时间-位移图，图6中，ac对应缓慢增速段时的位移量，cd对应的是速度稳定段的位移量，db对应的是缓慢减速段的位移量。acdb可以表示导叶的开度逐渐增大，ehif可以表示导叶的开度逐渐减小。对于采用传统线性控制算法，参见图6，调速器控制导叶以匀速运动方式(传统控制算法下)由当前位置ya动作到目标位置yb，导叶在开关动作的瞬间将产生较大的冲击，产生水锤，从而影响机组功率动态响应的稳定性。另外，要备注说明的是，在图6中，标有acdb且相对位于下方的线为导叶在基于s型加减速速度曲线分析算法下的位移线，标有ehif且相对位于上方的线为导叶在基于s型加减速速度曲线分析算法下的位移线，图6中，另一条曲线为导叶以传统控制算法下的位移线。

设定缓慢增速段所占时长为时间t1，设定速度稳定段所占时长为时间t2，设定缓慢减速段所占时长为时间t3，其中，时间t1与时间t3相同或不同；时间t3大于时间t1以及时间t2。优选地，时间t1占比范围为15％～30％；时间t2的占比范围50％～70％；时间t3的占比范围15％～30％。参见图5，可以设定ac段时间占比t1为20％左右，cd段时间占比t2为60％左右，db段时间占比t3为20％左右。当然，关于缓慢增速段、速度稳定段以及缓慢减速段的时间占比情况，不限于上述所述的内容，可以根据实际的情况，进行合理的占比设置。

一种实现基于s曲线算法的水电机组功率调节方法的控制系统，包括控制装置和驱动结构，其中，控制装置与驱动结构相连接，驱动结构与导叶相连接且驱动结构带动导叶动作，控制装置能实现基于s型加减速速度曲线分析算法以控制导叶的移动速度。由于采用了缓冲加速、减速的控制，有效缓解了导叶动作瞬间产生的水击，从而有效抑制了机组功率振荡、波动以及反调节。优选地，控制系统还包括反馈信号结构，反馈信号结构与控制装置相连接，反馈信号结构用以检测导叶的速度并将速度信号反馈至控制装置。

一种水电机组，包括本发明提供的控制系统。当调节导叶的开度以调节水电的功率时，可有效缓解了导叶动作瞬间产生的水击，从而有效抑制了机组功率振荡、波动以及反调节。

实施例：

现场试验在水电站的一台机组上开展，试验机组主要参数见图17所示。试验数据从机组调速器的数据采集系统中获取，实时采集的数据主要有机组频率、机组功率、机组功率给定值、导叶开度。在机组额定功率50％的基础上开展了功率5％、10％、20％、40％幅度变化调节试验。通过上述试验对比了基于s曲线算法控制策略和采用传统线性控制策略的功率调节动态响应过程。

功率小幅度调整试验在额定功率50％的基础上进行，开展了5％功率变化调整试验。在功率调节稳定的情况下，监控系统直接下发功率调节目标值55％到调速器分别进行50％-55％-50％功率调节试验,现场试验曲线如图7-图8所示；图7为s曲线控制策略下的功率调整试验曲线；图8为线性控制策略下的功率调整试验曲线。图7中，当时间t为14s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、功率值、设定功率值以及导叶开度；图8中，当时间t为12s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、功率值、设定功率值以及导叶开度。

功率小幅度调整试验在额定功率50％的基础上进行，开展了10％功率变化调整试验。在功率调节稳定的情况下，监控系统直接下发功率调节目标值60％到调速器分别进行50％-60％-50％功率调节试验,现场试验曲线如图9-图10所示；图9为s曲线控制策略下的功率调整试验曲线；图10为线性控制策略下的功率调整试验曲线。图9中，当时间t为22s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、功率值、导叶开度以及设定功率值；图10中，当时间t为20s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、功率值、导叶开度以及设定功率值。

功率小幅度调整试验在额定功率50％的基础上进行，开展了20％功率变化调整试验。在功率调节稳定的情况下，监控系统直接下发功率调节目标值70％到调速器分别进行50％-70％-50％功率调节试验,现场试验曲线如图11-图12所示；图11为s曲线控制策略下的功率调整试验曲线；图12为线性控制策略下的功率调整试验曲线。图11中，当时间t为20s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、功率值、导叶开度以及设定功率值；图12中，当时间t为20s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、功率值、导叶开度以及设定功率值。

功率小幅度调整试验在额定功率50％的基础上进行，开展了40％功率变化调整试验。在功率调节稳定的情况下，监控系统直接下发功率调节目标值90％到调速器分别进行50％-90％-50％功率调节试验,现场试验曲线如图13-图14所示；图13和图14为s曲线控制策略下的功率调整试验曲线；图14和图15为线性控制策略下的功率调整试验曲线。图13中，当时间t为70s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、功率值、导叶开度以及设定功率值；图14中，当时间t为40s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、设定功率值、功率值以及导叶开度。图15中，当时间t为34s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、功率值、导叶开度以及设定功率值；图16中，当时间t为72s时，从下到上的各曲线对应的纵坐标依次为频率值、设定功率值、导叶开度以及功率值。

在功率5％、10％小幅变化调节试验中，在两种不同控制策略下，功率调节最终都能达到稳定状态，而s曲线控制策略相比线性控制策略的功率δp、△pmax更小，说明其稳定性更好；s曲线控制策略下功率的pfp、tfp非常小，说明其抑制功率反调节更好；ts反应了动态响应调节时间，s曲线控制策略也表现良好。综合试验情况看，s曲线控制策略在功率小幅度调节过程中的调节品质表现优异。

功率稳定性指数δp是指机组在并网运行状态下，水电机组调速器在功率控制模式下，机组输出功率持续波动的峰-峰值与机组额定功率pr之比，即机组实际输出功率与给定值(目标值)pset偏差相对值的最大区间,机组功率波动曲线如图18。计算公式如下,δp为功率稳定性指数；△pmax为持续波动周期内机组输出功率的最大波峰值，单位为mw；△pmin为持续波动周期内机组输出功率的最小波谷值，单位为mw；pr为机组额定功率，单位为mw。

图19为功率调节动态响应曲线，p0为机组功率当前值；p1为机组功率目标值；pr为机组额定功率；pfp为机组反向峰值功率；△pmax为功率调节超调量；ts为调节时间；tm为达到峰值的时间；t0.9为上升时间；thx为滞后时间；tfp为达到反向峰值的时间。

在20％功率调节的过程中线性控制策略的超调量△pmax、pfp反调节峰值都较大，说明s曲线控制策略能有效的抑制在功率调节动态响应过程的功率超调量和反调节峰值。

图13-图16为40％功率变化幅度的动态响应曲线，s曲线控制策略表现出的稳定性、调节品质更好。但需要注意的时，对于调节时间ts线性控制策略更小，说明了线性控制策略为了达到较好的控制效果，在大功率变化幅度下采用了更快的导叶动作方式，以达到功率快速调整，然而这种方式增加了功率在调节过程中的不稳定性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。