一种带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，根据不同水头不同下游水位下的现场试验，结合仿真计算，确定不同水头段、不同下游水位段的较优的调速器PID控制参数，得到参数表。将水轮机工作水头及下游水位信号引入调速器，由调速器根据实时的水轮机工作水头和下游水位在参数表中自动选择PID参数，从而使带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统满足稳定性要求又具有良好的调节品质。
【专利说明】
一种带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及水电站自动控制、水电站水力学领域，具体涉及一种带变顶高尾水隧 洞水轮机调速器变参数控制方法。
【背景技术】
[0002] 变顶高尾水隧洞是我国在水电设计中借鉴前苏联设计思想所提出的一项全新的 设计理念，其尾水隧洞采用变顶高的方式，能很好的适应于下游水位变幅大、尾水系统长、 水头较低的大型水电站，从水轮机调节保证的要求出发来取代尾水调压室，不仅能大大减 少工程投资，而且还具有施工方便、洞室结构稳定的优点，目前三峡、向家坝、彭水、百色等 一些大型水电站都采用了变顶高尾水洞的结构。
[0003] 如图1所示的变顶高尾水洞，其特点是让下游水位与洞顶任意处衔接，将尾水洞分 成有压满流段和无压明流段。下游处于低水位时，水轮机的淹没水深比较小，但无压明流段 长，有压满流段短，过渡过程中负水击压力小，所以尾水管进口断面的最小绝对压力不会超 过其允许值。随着下游水位升高，尽管无压明流段的长度逐渐减短，有压满流段的长度逐渐 增长，负水击越来越大，直到尾水洞全部呈有压流，但水轮机的淹没水深逐渐加大，而且有 压满流段的平均流速也逐渐减小，正负两方面的作用相互抵消使得尾水管进口断面的最小 绝对压力能控制在规范规定的范围之内，保证机组安全运行。故变顶高尾水洞的工作原理 是利用下游水位的变化，即水轮机的淹没水深来确定尾水洞(包括尾水管)有压满流段的极 限长度，始终满足过渡过程中对尾水管进口断面最小绝对压力的要求，从而起到取代尾水 调压室的作用。
[0004] 虽然通过采用变顶高尾水隧洞设计能够很好的满足水电站大波动过渡过程的要 求，取代尾水调压室，但是由于变顶高尾水隧洞内水力波动复杂，存在水锤弹性波、闸门井 内质量波、尾水洞无压段重力波的相互叠加，影响了水轮机调节系统的稳定性及调节品质。 同时变顶高尾水隧洞水力特性与下游水位密切相关，当下游水位较低时，有压满流段较短、 无压明流段较长，调节过程中明渠流波动显著，可能会造成调节系统的低频振荡；随着下游 水位升高，有压满流段增长，尽管其平均流速也逐渐减小，但水流惯性加速时间增大，尾水 洞全长呈有压流时可达极大值，极大的水流惯性必将影响到整个调节系统的稳定性和调节 品质。目前国内已有部分已建的带变顶高尾水隧洞水电机组出现了调节品质差的情况，导 致一次调频及AGC负荷调节速率难以满足电网的要求，特别是在不同尾水位下整个调节系 统动态响应过程差异显著。
[0005] 因此，有必要设计一种能改善水轮机调节系统的稳定性及调节品质的带变顶高尾 水隧洞水轮机调速器变参数控制方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种带变顶高尾水隧洞水轮机调速 器变参数控制方法，通过该方法能够改善带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统的运行稳定性 及动态品质。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，包括以下步骤：
[0009] (1)进行不同水头不同尾水位(下游水位)下的水轮机调节系统小波动过渡过程参 数优化试验，得到不同水头不同尾水位(下游水位)较优的调速器PID参数；
[0010] 所述试验的内容包括机组空载扰动试验、空载摆动试验、并网后机组一次调频试 验、并网后调速器功率模式下的负荷调节试验;其中机组空载扰动试验和空载摆动试验在 机组处于空载运行方式下进行，并网后机组一次调频试验和并网后调速器功率模式下的负 荷调节试验在机组并网带负荷下进行；
[0011] (2)建立带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真模型，利用仿真模型进行计算;通 过现场试验结果修正仿真模型，使得仿真结果与现场试验结果吻合；即进行仿真建模工作， 根据试验成果对仿真模型进行校验，相应的仿真参数可通过现场实测求得，最终得到仿真 模型的计算结果必须与实测结果吻合。水轮机调节系统仿真模型包括水轮机模型、水轮机 调速器模型及输水系统模型三个子模型，三者之间的关系如图3所示。
[0012] 利用仿真模型对无法进行现场试验的个别极端工况进行仿真计算，得到各极端工 况下较优的调速器PID参数;对于个别极端工况，无法进行现场试验，必须采用仿真计算的 方法进行调速器PID参数的优化工作；
[0013] (3)对水轮机工作水头及下游水位进行分段，根据步骤（1)和步骤(2)得到的各水 头、各下游水位下的试验及仿真计算结果，确定各分段下较优的调速器PID参数，得到调速 器PID参数优化表；
[0014] (4)采用通讯方式将水轮机工作水头及下游水位信号由计算机监控系统引入调速 器，修改调速器PLC控制逻辑，使得调速器可根据水轮机工作水头和下游水位，在调速器PID 参数优化表中自动选择最优的PID参数。控制原理如图2所示。
[0015] 所述步骤（1)中，主要试验方法为：进行多组参数下的小波动过渡过程试验，比较 各参数下的试验结果，在其中选取稳定性最好、调节时间最短、超调量最小、波动次数最少 的一组参数作为较优的调速器P ID参数。
[0016] 所述步骤（1)的试验过程中测量信号，即试验结果包括:机组频率、导叶接力器行 程、蜗壳进口水压、尾水管进口水压、尾水管出口水压、上游水位和下游水位;试验至少包括 3个水头和3个尾水位；
[0017] 所述步骤（2)的极端工况包括最高水头、最低水头、最高尾水位和最低尾水位工 况。
[0018] 所述步骤(2)还包括利用仿真模型对步骤(1)中未进行试验的工况进行仿真计算， 得到相应工况下较优的调速器PID参数；
[0019] 所述步骤(2)中，仿真计算方法为:进行不同参数下的仿真，比较各参数下的仿真 结果，在其中选取稳定性最好、调节时间最短、超调量最小、波动次数最少的一组参数作为 较优的调速器PID参数。
[0020] 所述步骤(3)中，分段方法为:在最高水头至最低水头之间进行平均分段，每个水 头分段区内在最高尾水位和最低尾水位之间再进行平均分段。
[0021] 水头及尾水位分段数均不得少于3段。即步骤(3)中将水轮机运行可能出现的全部 水头和全部尾水位划分为不少于3个水头段和3个尾水位段，得到不少于9组的调速器较优 的PID参数。
[0022] 所述步骤(3)还包括通过仿真计算对各分段下的较优调速器PID控制参数进行复 核，如果发现该参数不能满足该工况下的要求(在该水头、下游水位下水轮机调节系统具有 良好的调节品质，即一次调频、调速器功率调整过渡过程稳定且满足规范要求，详见:《水轮 机调节系统并网运行技术导则》(DL/T 1245-2013))，则通过步骤(1)或步骤(2)重新进行参 数优化;以确保该参数在该分段内为较优的调速器PID参数。
[0023] 所述步骤(2)中建立的水轮机调速器模型如图6所示，水轮机调速器模型包括PID 调节器模型和电液随动系统模型;该模型根据调速器厂家提供的调速器控制原理图及现场 参数实测结果建立。采用现场实测的方法通过实测调节器频率输入和PID计算输出，对调节 器的PID参数进行校核;实测PID调节器输出和导叶开度反馈，辨识液压随动系统参数，即导 叶接力器反应时间常数T y。
[0024] PID调节器模型如下式：
[0025]
[0026] 电液随动系统模型如下式：
[0027]
[0028] 上式中，X为机组转速的标么值，其基准值为机组的额定转速，X (s)为X的拉普拉斯 变换;y为导叶开度的标幺值，其基准值为导叶额定开度，y(s)为y的拉普拉斯变换;ypID为导 叶开度控制输出的标幺值，其基准值为导叶额定开度，y?(s)为y PID的拉普拉斯变换;Ty为 导叶接力器反应时间常数;s为拉普拉斯算子;KP为调速器比例系数;K:为调速器积分系数； Kd为调速器微分系数；
[0029] 水轮机模型可采用六个传递系数表示的简化模型表示，如图4所示，水轮机模型采 用如下式所示的线性模型：
[0030] q = eqxx+eqyy+eqhh
[0031] mt = exx+eyy+ehh
[0032] 上式中，q为水轮机流量的标么值，基准值为水轮机的额定流量;mt为水轮机动力 力矩的标么值，基准值为水轮机的额定力矩;X为机组转速的标么值，基准值为机组额定转 速;y为导叶开度的标么值，基准值为导叶的额定开度;h为水轮机工作水头的标么值，基准 值为水轮机客页定水头；eq X，eqy，eqh，ex，ey，eh为传递系数〇
[0033] 加采.输水茗钵爐采用如下式所示的刚性水击模型：
[0034]
[0035] 上式中，Tw为水流加速时间常数。
[0036]步骤2)还包括水轮机模型与输水系统模型参数确定，具体实施方法为:通过水轮 机的综合特性曲线获取所述水轮机模型中传递系数(eqX，eqy，eqh，ex，ey，eh);通过仿真工况 的上、下游水位及水电站设计图纸计算出输水系统中有压水流加速时间常数Iw。
[0037] 有益效果：
[0038] 相对于常规水电站水轮机调节系统，带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统的动态响 应特性不仅与水轮机工作水头有关而且还与下游水位相关。当下游水位较高时变顶高尾水 隧洞内满流段长度较长，有压水流惯性较大，整个调节过程中功率反调较大，调节稳定性也 较差；当下游水位较低时变顶高尾水隧洞内明流段长度较长，有压水流惯性较小，功率反调 也较小，调节稳定性较好，但是明渠非恒定流波动影响显著，易引起调节过程中的低频振 荡。本发明的优点在于:很好的适应了带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统的特点，根据不同 水头不同下游水位下的现场试验，结合仿真计算，确定不同水头段、不同下游水位段的较优 的调速器PID控制参数，得到参数表。将水轮机工作水头及下游水位信号引入调速器，由调 速器根据实时的水轮机工作水头和下游水位在参数表中自动选择PID参数，以保证在全水 头全尾水位工况下整个调节系统具有良好的稳定性和动态品质。
[0039] 本发明采用现场小波动过渡过程试验结合仿真计算的方法优化不同水头、不同下 游水位下的调速器PID参数。利用实测结果建立较为准确的仿真模型，对于无法进行试验的 工况采用仿真计算的方法进行补充获取最优PID参数，这样可以得到全水头全尾水位段的 较优的调速器PID参数表。水轮机调速器可同时根据水轮机工作水头及下游水位自动选择 较优的调速器PID参数。采用通讯方式将水轮机工作水头及下游水位信号由计算机监控系 统引入调速器，由调速器根据运行水轮机工作水头及下游水位在较优的PID参数表中选择 参数，这样可保证整个调节系统具有良好的稳定性和动态品质。
【附图说明】
[0040] 图1为变顶尚尾水險洞不意图。
[0041 ]图2为水轮机调速器变参数控制示意图。
[0042]图3为水轮机调节系统数学模型示意图。
[0043]图4为水轮机数学模型示意图。
[0044] 图5为输水系统数学模型示意图。
[0045] 图6为水轮机调速器模型示意图。
【具体实施方式】
[0046] 本发明提出的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其基本思想为： 调速器根据水轮机工作水头及下游水位的变化自动选择较优的PID控制参数，满足带变顶 高尾水隧洞水轮机调节系统调节稳定性和动态品质的要求。具体包括以下步骤：
[0047] (1)通过现场的小波动过渡过程试验得到不少于3组水轮机工作水头、3组下游水 位下的调速器较优的PID参数。
[0048] (2)进行带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真计算工作，主要对小波动过渡过 程进行仿真，因此水轮机调节系统模型可采用线性化模型。水轮机调节系统仿真模型包括 水轮机模型、水轮机调速器模型及输水系统模型三个子模型，系统整体仿真模型及三者之 间的关系如图3所示。
[0049] 水轮机调速器模型如图4所示，水轮机调速器模型包括PID调节器模型和电液随动 系统模型。该模型根据调速器厂家提供的调速器控制原理图及现场参数实测结果建立。采 用现场实测的方法通过实测调节器频率输入和PID计算输出，对调节器的PID参数进行校 核;实测PID调节器输出和导叶开度反馈，辨识液压随动系统参数即导叶接力器反应时间常 数Ty。
[0050] PTmsi书哭蹈刑fm下才.
[0051]
[0052] 电液随动系统樟型如下式：
[0053] v
[0054] 上式中，X为机组转速的标么值，其基准值为机组的额定转速，X (s)为X的拉普拉斯 变换;y为导叶开度的标幺值，其基准值为导叶额定开度，y(s)为y的拉普拉斯变换;y?为导 叶开度控制输出的标幺值，其基准值为导叶额定开度，y?(s)为y?的拉普拉斯变换;T y为 导叶接力器反应时间常数;s为拉普拉斯算子;KP为调速器比例系数;K:为调速器积分系数； Kd为调速器微分系数;水轮机模型可采用六个传递系数表示的简化模型表示，如图4所示， 本实施例中水轮机模型采用如下式所示的线性模型：
[0055] q = eqxx+eqyy+eqhh
[0056] mt = exx+eyy+ehh
[0057] 上式中，q为水轮机流量的标么值，mt为水轮机动力力矩的标么值，x为机组转速的 标幺值，y为导叶开度的标么值，h为水轮机工作水头的标幺值。
[0058] 如图5所示，本实施例中输水系统模型采用如下式所示的刚性水击模型：
[0059]
[0060] 上式中，Iw为水流加速时间常数。
[0061] 本实施例中，步骤2)还包括水轮机模型与输水系统模型参数确定，具体实施方法 为:通过水轮机的综合特性曲线获取所述水轮机模型中传递系数 过仿真工况的上、下游水位及水电站设计图纸计算出输水系统中有压水流加速时间常数 Two
[0062] (3)整理试验成果，由于现场试验次数有限，特别是对于一些极端工况如最高水 头、最低水头、最高下游水位和最低下游水位，无法进行试验测试，需要采用仿真计算对这 类工况进行补充。主要方法为:利用已有的试验成果对仿真模型进行校验，使得仿真结果与 实测结果吻合，利用校验后的仿真模型开展其他工况的仿真预测工作。
[0063] (4)整理试验及仿真计算成果，对水轮机工作水头及下游水位进行分段，在最高水 头至最低水头之间进行平均分段的方法，每个水头分段区内在最高尾水位和最低尾水位之 间再进行平均分段，水头及下游水位各分段数为3段，根据各水头、各下游水位下的试验及 仿真成果确定各分段下的较优调速器PID控制参数。最后再对各分段下的较优调速器PID控 制参数进行复核计算。如表1所示为某带变顶高尾水隧洞水电站调速器功率模式下负荷调 节最优PID参数表。
[0064]表1调速器功率模式负荷调节参数优化结果
[0065]
[0066] (5)采用通讯方式将水轮机工作水头及下游水位信号由计算机监控系统引入调速 器，修改调速器PLC控制程序，使得调速器可根据水轮机工作水头和下游水位自动选择最优 的PID参数。控制原理如图2所示。
【主权项】
1. 一种带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 进行不同水头不同尾水位下的水轮机调节系统小波动过渡过程参数优化试验，得 到不同水头不同尾水位较优的调速器PID参数； 所述试验的内容包括机组空载扰动试验、空载摆动试验、并网后机组一次调频试验、并 网后调速器功率模式下的负荷调节试验； (2) 建立带变顶高尾水隧洞水轮机调节系统仿真模型，利用仿真模型进行计算;通过现 场试验结果修正仿真模型，使得仿真结果与现场试验结果吻合； 利用仿真模型对无法进行现场试验的极端工况进行仿真计算，得到各极端工况下较优 的调速器PID参数； (3) 对水轮机工作水头及下游水位进行分段，根据步骤(1)和步骤(2)得到的各水头、各 下游水位下的试验及仿真计算结果确定各分段对应的较优的调速器PID参数，得到调速器 PID参数优化表； (4) 将水轮机工作水头及下游水位信号由计算机监控系统引入调速器，修改调速器PLC 控制逻辑，使得调速器可根据水轮机工作水头和下游水位，在调速器PID参数优化表中自动 选择对应的较优的PID参数。2. 根据权利要求1所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在 于，所述步骤(1)中，试验方法为:进行多组参数下的小波动过渡过程试验，比较各参数下的 试验结果，在其中选取稳定性最好、调节时间最短、超调量最小、波动次数最少的一组参数 作为较优的调速器P ID参数。3. 根据权利要求2所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在 于，所述步骤（1)的试验过程中测量信号，即试验结果包括:机组频率、导叶接力器行程、蜗 壳进口水压、尾水管进口水压、尾水管出口水压、上游水位和下游水位。4. 根据权利要求3所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在 于，所述步骤(2)的极端工况包括最高水头、最低水头、最高尾水位和最低尾水位工况。5. 根据权利要求4所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在 于，所述步骤(2)还包括利用仿真模型对步骤（1)中未进行试验的工况进行仿真计算，得到 相应工况下较优的调速器PID参数。6. 根据权利要求5所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在 于，所述步骤(2)中，仿真计算方法为:进行不同参数下的仿真，比较各参数下的仿真结果， 在其中选取稳定性最好、调节时间最短、超调量最小、波动次数最少的一组参数作为较优 的调速器PID参数。7. 根据权利要求6所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在 于，所述步骤(3)中，分段方法为:在最高水头至最低水头之间进行平均分段，每个水头分段 区内在最高尾水位和最低尾水位之间再进行平均分段。8. 根据权利要求7所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在 于，水头及尾水位分段数均不得少于3段。9. 根据权利要求8所述的带变顶高尾水隧洞水轮机调速器变参数控制方法，其特征在 于，所述步骤(3)还包括通过仿真计算对各分段下的较优调速器PID控制参数进行复核，如 果发现该参数不能满足该工况下的要求，则通过步骤（1)或步骤(2)重新进行参数优化；以 确保该参数在该分段内为较优的调速器PID参数。
【文档编号】G05B11/42GK105863948SQ201610245365
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】付亮, 吴长利, 唐卫平, 王辉斌, 寇攀高, 邹桂丽
【申请人】国家电网公司, 国网湖南省电力公司, 国网湖南省电力公司电力科学研究院