专利名称：梯级串联电站联合运行控制调节器的制作方法
技术领域：
本发明属于水电站运行控制技术领域背景技术目前，水电站的调节系统均采用PID调速器，在电力系统的负荷发生变化、机组转速出现偏差时进行调节，相应改变机组流量，使改变后的水轮机水力矩与发电机负荷阻力矩达到新的平衡，以维持频率(机组转速)在规定的范围内。
常规电站由于站前库容大，在受到负荷干扰后进行频率调节时，可以认为水库水位不变，采用PID调速器，根据负荷变化，调节机组的导水机构，使水轮机流量作相应变化，以保持机组转速稳定，保证频率稳定在电力系统要求的范围内。由于电站前有较大缓冲库容，电站的调节对于流域内其他电站的运行影响很小，只要合理调度，各电站即可充分利用水能资源安全运行。
近年来随着西部开发和国家建设对能源需求的增长，西南的各江河流域都在大力开发水电资源。目前在我国，特别是西部的河流上规划了一些电站间没有调节库容仅用明渠和管道连接或者调节库容很小的梯级电站，该类电站系统运行中各级电站彼此间影响较大，可以称为半开式梯级串联电站。由于电站之间的可调节库容小或者没有可调节库容，在受到负荷干扰以后不仅要进行频率的调节，也要进行串联电站间的流量平衡调节。
对于站前调节库容小或者没有调节库容的半开式梯级串联电站，采用常规水电站的调节方式，当各级电站采用独立的PID调速器控制机组时，由于PID调速器只能反馈机组转速，因此只能在机组转速发生偏差的情况下进行转速调节，对于系统的流量平衡却不能做出贡献。这种控制方式虽然在短时间能调整转速，但不能保证各级电站的总流量相等，不能改变站间流量不平衡的情况。在此情况下，由于站间库容小或者没有调节库容，电站间的水库或明渠的水位因其进出流量的持续不平衡而导致水面不能稳定，将出现缓慢的持续下降或上升，其快慢取决于上下游电站间流量差以及调节库容的大小，最终将导致站间水库或明渠出现溢流或漏底的情况，不能使电站稳定运行。由于该类梯级串联电站调节目标的特殊性，即在电站受到负荷干扰以后不仅要进行频率调节，也要进行串联电站间的流量平衡调节，而传统的PID调节方式为单输入/单输出闭环控制系统，在这种系统中，只关心输出结果一个量(被调节量)，因此，采用传统的PID控制调速器只反馈转速的做法不能满足该类串联电站系统的稳定性及动态品质的要求。
本发明即是在半开式梯级串联电站系统联合运行、联合调节的情况下，以串联电站群为整体对外电网输送电力，建立半开式梯级串联电站的联合运行控制调节器，在外界电网负荷干扰时，同时调节机组转速和站间流量平衡，实现系统的稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能同时进行流量调节和转速调节以能使整个串联电站群的总负荷在站间流量平衡基础上进行分配的梯级串联电站联合运行控制的调节器。
本发明的特征在于梯级串联电站联合运行控制调节器，其特征在于，该调节器是设置在所述梯级串联电站中的每一台机组i上的用于计算机组调整规律的微型数字计算机或数字集成电路芯片，设n是该梯级串联电站内机组的总台数，i为机组序号，在所述的每一数字集成电路或数字计算机上依次设有第1比较器、微分运算环节、第2比较器、第1积分运算环节、第3比较器以及第2积分运算环节，其中第1比较器，有n个，该比较器有以下两个输入信号x，转速偏差相对值，即机组转速和系统稳态运行时机组额定转速的偏差值相对于系统稳态运行时机组额定转速的比值，通过机组的测频电路获得；Ui，机组i的控制变量，为该机组调节所需的反馈的状态量的加权和，i＝1，…，n，用下式表达Ui=Σj=1mKijuij]]>其中，uij为机组i的转速偏差相对值x、或接力器行程偏差相对值、或站间调节池水位偏差相对值、或调压井水位偏差相对值、或站间明渠水位偏差相对值、或其他指定的反馈状态量，Kij为相应的各反馈的状态量uij的设定的反馈系数，j＝1，…，m，m为对应于第i个机组的所需的反馈的状态量个数；微分运算环节，有n个，该环节输入端与所述相应的第1比较器的输出端相连，以进行 运算，其中，KDi为机组i的复归块增益，TDi为机组i的复归块时间常数，单位为s，所述微分运算环节是一个复归块，用以清除第1比较器输出中的稳态残留偏差，当到达稳态时该复归块的输出为0；
第2比较器，有n个，该比较器有以下三个输入信号x，即转速偏差相对值；前述相应的微分运算环节的输出值；bpP，其中，P为该梯级串联电站所有运行机组总功率的偏差相对值，P=(Σi=1mpi-p)/p,]]>即为整个梯级串联电站运行机组的总功率与整个梯级串联电站系统额定总功率P的偏差值相对于整个梯级串联电站系统额定总功率p的比值，通过机组的功率测量回路得到；pi为该串联电站第i台机组出力，bp为整个梯级串联电站联合运行系统的永态转差系数，是一设定值。
所述第2比较器的输出是前述相应微分运算环节输出与x和bpP两个信号之差值；第1积分运算环节，有n个，该环节输入端与所述相应的第2比较器的输出端相连，对输入信号进行 运算，其中，Tmi为机组i的液压放大装置的时间常数，单位为s；第3比较器，有n个，该比较器输入端与所述相应的第1积分运算环节的输出端相连；第2积分运算环节，有n个，该环节输入端与所述相应的第3比较器的输出端相连，对输入信号进行 运算，其中，Tyi机组i的接力器时间常数，单位为s，而输出信号则反馈至所述相应的第3比较器的输入端，yi为机组i的接力器行程偏差相对值，即以第i台机组接力器的最大行程为基准值的第i台机组的接力器行程的偏差相对值，i＝1，…，n。
为了验证所设计的调节器对系统的实际控制作用，对某半开式梯级串联电站按照本发明建立了其联合运行控制调节器，并将设计的控制调节器嵌入到系统的非线性仿真中，仿真计算结果证明该调节器可以实现串联电站的稳定运行，而且在调整系统转速的同时使系统流量平衡。
图1，梯级串联电站联合运行控制调节原理框2，电站静特性图3，复归环节方块4，某梯级电站输水系统布置示意5，电站机组转速-时间曲线6，1#机组流量-时间曲线7，3#机组流量-时间曲线8，5#机组流量-时间曲线9，一级电站上游调压井水位-时间曲线10，二级电站上游汇水池水位-时间曲线11，二级电站上游调节池水位-时间曲线12，二级电站上游调压井水位-时间曲线13，三级电站上游汇水池水位-时间曲线14，三级电站上游调节池水位-时间曲线15，三级电站上游调压井水位-时间曲线图具体实施方式
半开式梯级串联电站系统，由于有些电站之间的可调节库容很小或者没有可调节库容，在受到负荷干扰以后不仅需要进行频率的调节，还必须进行串联电站间的流量平衡调节。对这样的串联电站系统采用常规的水轮机PID调速器，是不能使其稳定运行的，所以这样的串联电站群由于水力系统联系紧密，必须联合运行，而且要进行联合调节。即通过本发明建立的半开式梯级串联电站的联合运行控制调节器，实现外电网对整个串联电站群要求一个总负荷，而每台机组承担的负荷，通过调节器在保证站间流量平衡的基础上分配。
某半开式梯级串联电站由三级冲击式电站构成，电站间有汇水池和调节池，通过倒虹吸管道或无压尾水隧洞联接，每级电站设置上游调压井，梯级电站的输水系统布置简图如图4所示，各电站机组额定参数见表1。
表1 各级电站机组额定参数
半开式梯级串联电站联合运行控制调节器的方块图如图1所示。
假设梯级串联电站中机组台数为n，以下对图1的调节器方块图中的变量进行说明
x-转速偏差相对值，即以机组额定转速为基准值，机组转速和系统稳态运行时机组转速的偏差的相对值，通过机组的测频回路测得；P-梯级串联电站所有运行机组总功率的偏差相对值，即为整个梯级串联电站运行机组的总功率与系统额定总功率的偏差值相对于整个梯级串联电站系统额定总功率的比值，通过机组的功率测量回路得到；Ui-第i台机组的控制变量，为所需反馈状态量的加权和。Ui=Σj=1mKijuij,]]>其中，uij为机组i的转速偏差相对值、或接力器行程偏差相对值、或站间调节池水位偏差相对值、或调压井水位偏差相对值、或站间明渠水位偏差相对值、或其他指定的反馈状态量，Kij为相应的uij的反馈系数，j＝1，2，...m，m为对应第i台机组的所需的反馈的状态量个数，所需的反馈的状态量和其反馈系数根据实际情况确定。
yi-第i台机组接力器行程偏差相对值，即以第i台机组接力器的最大行程为基准值的第i台机组的接力器行程的偏差相对值，i＝1，2，3，...n；bp-为传递环节的系数，称为永态转差系数，反映电站的静态调差率。
机组在电网运行时，调节器需具有一定的静态调差率才能明确其负荷分配，常规水电站中机组调差率满足xl＝-bplyl，其中xl、yl、bpl分别为各台机组的转速、导叶开度偏差相对值及永态转差系数，l为机组编号，每台机组都设置有永态转差系数。但是，梯级串联电站联合运行时，作为一个整体对外电网输出功率，电站机组功率在站间流量平衡的基础上分配，各机组转速相对于其各自额定转速的相对值相同。如果按常规方法给定机组调差率，则梯级串联电站联合运行系统中各机组导叶开度将按照调差率被转速限定，与站间的流量平衡调节相矛盾，导致系统不能稳定运行。因此，在梯级串联电站联合运行系统中，本发明给出了针对整个电站联合运行系统的永态转差系数，联合运行时系统按x＝-bpP对功率进行调节。从而保证了电站在正常运行时具有合理的负荷分配，亦即是使电站机组在稳态时的转速和电站总功率之间具有一一对应的关系，如图2所示。
为方便说明，以下给出一些状态量的符号定义。y1、y2、y3、y4、y5、y6分别为各台机组的接力器行程的偏差相对值，Hs1、Hs4、Hs7分别为一级、二级、三级电站各自的上游调压井水位偏差相对值，Hs2、Hs3为二级电站上游汇水池、调节池水位偏差相对值，由于二级电站上游的汇水池、调节池通过较短的虹吸管道连接，汇水池、调节池水位波动接近，所以仅采用调节池的水位偏差相对值Hs3，Hs5、Hs6分别为三级电站上游汇水池、调节池水位偏差相对值，水位偏差相对值为各调压井、汇水池、调节池水位的变化与设定的基准水位的比值，x表示机组转速偏差相对值。
各台机组需要反馈的状态量及其对应的反馈系数见表2，表中，U1、U2、U3、U4、U5、U6分别为各台机组的控制量输入，由各台机组的反馈状态量乘反馈系数相加得到。
表2系统状态反馈量降维结果
KDi-第i台机组复归块增益；TDi-第i台机组复归块时间常数，单位为s；电站机组控制调节器的控制变量U是由多个状态量的线性组合而成，为避免状态量的引入而产生较大的静态误差，采用工程上常用的复归环节来清除其稳态残留偏差。复归环节实际上是一个实际微分环节，其方块图如图3所示。当达到稳态时，复归环节输出为0，当输入变化较剧烈时，起比例环节的作用。
Tmi-第i台机组液压放大装置时间常数，单位为s；
表1玻璃料组分(占总玻璃组合物的重量百分比)
权利要求
1.梯级串联电站联合运行控制调节器，其特征在于，该调节器是设置在所述梯级串联电站中的每一台机组i上的用于计算机组调整规律的微型数字计算机或数字集成电路芯片，设n是该梯级串联电站内机组的总台数，i为机组序号，在所述的每一数字集成电路或数字计算机上依次设有第1比较器、微分运算环节、第2比较器、第1积分运算环节、第3比较器以及第2积分运算环节，其中第1比较器，有n个，该比较器有以下两个输入信号x，转速偏差相对值，即机组转速和系统稳态运行时机组额定转速的偏差值相对于系统稳态运行时机组额定转速的比值，通过机组的测频电路获得；Ui，机组i的控制变量，为该机组调节所需的反馈的状态量的加权和，i＝1，…，n，用下式表达Ui=Σj=1mKijuij]]>其中，uij为机组i的转速偏差相对值x、或接力器行程偏差相对值、或站间调节池水位偏差相对值、或调压井水位偏差相对值、或站间明渠水位偏差相对值、或其他指定的反馈状态量，Kij为相应的各反馈的状态量uij的设定的反馈系数，j＝1，…，m，m为对应于第i个机组的所需的反馈的状态量个数；微分运算环节，有n个，该环节输入端与所述相应的第1比较器的输出端相连，以进行 运算，其中，KDi为机组i的复归块增益，TDi为机组i的复归块时间常数，单位为s，所述微分运算环节是一个复归块，用以清除第1比较器输出中的稳态残留偏差，当到达稳态时该复归块的输出为0；第2比较器，有n个，该比较器有以下三个输入信号x，即转速偏差相对值；前述相应的微分运算环节的输出值；bpP，其中，P为该梯级串联电站所有运行机组总功率的偏差相对值，P=(Σi=1mpi-p)/p,]]>即为整个梯级串联电站运行机组的总功率与整个梯级串联电站系统额定总功率p的偏差值相对于整个梯级串联电站系统额定总功率p的比值，通过机组的功率测量回路得到；pi为该串联电站第i台机组出力，bp为整个梯级串联电站联合运行系统的永态转差系数，是一设定值。所述第2比较器的输出是前述相应微分运算环节输出与x和bpP两个信号之差值；第1积分运算环节，有n个，该环节输入端与所述相应的第2比较器的输出端相连，对输入信号进行 运算，其中，Tmi为机组i的液压放大装置的时间常数，单位为s；第3比较器，有n个，该比较器输入端与所述相应的第1积分运算环节的输出端相连；第2积分运算环节，有n个，该环节输入端与所述相应的第3比较器的输出端相连，对输入信号进行 运算，其中，Tyi为机组i的接力器时间常数，单位为s，而输出信号则反馈至所述相应的第3比较器的输入端，yi为机组i的接力器行程偏差相对值，即以第i台机组接力器的最大行程为基准值的第i台机组的接力器行程的偏差相对值，i＝1，…，n。
全文摘要
本发明属于水电站运行控制技术领域，其特征在于该调节器是在引入转速偏差相对值进行调节的基础上再辅以所述梯级电站系统部分状态量权值之和，经过比较，作为系统的控制量，利用复归环节(实际微分环节)消除稳态残差。并以设定的该梯级电站系统的永态转差系数与该梯级串联电站中所有运行机组的功率的总和(即总功率)的偏差相对值之积与转速偏差相对值作比较，该比较量用以确定转速的静态误差，从而使该梯级串联电站总功率与稳态频率(转速)之间具有一一对应的关系，以实现外部电力系统对该串联电站的负荷分配。而机组间的出力分配，通过保证站间流量平衡的调节来完成。
文档编号E02B9/00GK1862912SQ20061007624
公开日2006年11月15日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者樊红刚, 陈乃祥, 朱渊岳 申请人:清华大学