四川大唐国际甘孜水电开发有限公司 四川省甘孜州康定市 626001
摘要：本文主要介绍了现代电力系统对调速器运行的技术要求，自适应变参数PID控制器的原理，及其在黄金坪水电站调速器中的应用情况。
关键词：调速器；PID控制器；自适应变参数调节
0.引言
长期以来，传统水轮机调速器的控制模式都是采用线性定常参数PID调节，一般只设置1～2套PID参数。由于水轮机组水流惯性带来的水锤效应，水轮机组调速系统具有非线性、时变、非最小相位、大惯性的特点，不仅系统参数多变，其结构亦有变化，以及电网负荷变化带来的扰动使得水轮发电机组的调节十分困难，若以固定PID参数应用于水轮机组整个控制域，对于机组工况的变化及调节模式的改变均缺乏良好的适应性，而水轮机的运行工况随时有可能偏离设定的工况，很难满足现代电力系统的需求，无法获取全工作域的最优调节。
1.黄金坪水电站简介
黄金坪水电站位于四川省康定市姑咱镇，是大渡河流域水电规划“三库22级”开发方案中的第12级电站，该工程以发电为主，电站总装机容量850 MW。电站水轮机调速器采用长江三峡能事达电气股份有限公司生产的MGC4000型伺服电机微机调速器，电气部分采用施耐德PLC M340控制器，机械部分以单比例伺服阀+伺服电机直线位移转换器为主体，采用并联PID适应式变参数变结构调节模式，能够自动适应空载、大网、小网运行方式。
2.现代电力系统对水轮机调速器运行的主要技术要求
水轮机调速器的静态、动态性能和控制功能，应满足GB/T9652.1-2019《水轮机调速系统技术条件》的要求。然而从现代电力系统运行的角度来看，对水轮机调速器在机组主要运行工况的要求可以概括如下：
2.1调速器的调节规律应具有以永态转差系数bp为特征的满足转速死区ix要求的静态特性。
2.2 机组在空载运行工况
空载运行工况下，调速器应工作于转速（频率）调节模式，其调节规律应有较强的鲁棒性，使在机组可能的运行水头范围内，调节机组的转速（频率），使机组空载转速（频率）摆动值小于上述国家标准的要求或尽量减小其数值，使被控机组能快速地并入电网运行。
2.3 机组并入大电网的运行工况
被控机组在并入大电网运行时，由于现代电力系统的总容量很大且负荷容量和性质变化复杂，即使是被控机组容量很大的调速器，不可能也不必要辨识出电力系统的负荷特性。这种情况下的主要要求是：调速器接收水电站自动发电控制系统（AGC）指令，快速而单调地使被控机组有功功率等于给定值；当被控机组承担调频任务时，按水电站自动发电控制系统（AGC）调频指令，调节被控机组的有功功率，与其它调频机组一起维持电网频率在正常范围内；在机组断路器分闸时，调速器能够快速可靠地控制机组至空载运行工况。在大多数情况下，调速器主要是工作于机组功率（导叶开度）控制器的模式。
2.4 机组在小（孤立）电网中运行
在孤立小电网运行，对于大多数机组而言是一种事故和暂时的工况。此时对调速器的主要要求是，根据电网频率偏差调节被控机组的有功功率，使电网频率保持在允许范围内；在负荷变化时，使电网频率的恢复过程能有良好的动态性能。
2.5 对电气开度限制的要求
最大电气开度限制Lmax应为水头H的函数Lmax（H），使在不同水头下有对应的最大导叶开度限制，以保证机组合理、安全的运行。
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图1 两段开机特性
3.自适应变参数PID控制器的原理
水轮机调速器PID调节参数的整定应既能保证调节系统稳定，又要获得良好的动态品质。实际上，由于机组在不同工况下运行，水轮机及负荷的参数均不同，要想获得较好的动态品质，必须要根据机组运行工况的变化，自动改变调节参数才能满足要求。自适应变参数PID调节控制的微机调速器，其原理是按某一规则选取水轮机的典型工况点，用正交实验法实现对这些工况点的参数优化，形成优化过的参数表，其它工况点的参数可以通过在数表中插值的方法得到。在每一个控制周期内，调速器的调节参数是固定的，保证了每个控制周期控制的稳定性，在整个调节过程中，不同的控制周期里，参数跟随对象的改变，始终在优化参数表中自动寻优，保证了参数的变化是连续的，不会由于参数的突变带来对控制品质的不利。
4.黄金坪水电站调速器自适应变参数PID控制器的特点
黄金坪水电站调速器具有较强的自适应能力以提高在不同运行环境的调节品质。能根据导叶开度、有效水头和机组出力所反映的运行工况（如空载、并网运行）自行调整调节参数（Kp、Ki、Kd）和控制结构，以实现在多数工况下均能以相应的最优参数和最佳控制结构参与机组的动态调控，并实现不同结构和参数下的平滑过渡。为了调速器在各种工况下可靠、稳定地运行，电调系统具有比例、积分、微分变结构变参数适应式并联PID 调节规律。PID 校正具有足够的满足电厂运行要求的可调增益范围，同时具有PID 参数设置不合理搭配的提示功能。
5.黄金坪电站水轮机调速器PID参数设置试验情况
黄金坪电站4号机组MGC4000型调速器在正式投运之前，为了检验PID参数是否合理，进行了相关试验，严格按照《水轮机电液调节系统及装置调整试验导则》（DL/T 496-2016）进行试验，各项性能指标均达到或优于国家标准，主要试验结果如下：
5.1 黄金坪电站水轮机调速器根据不同的工况设置了7组PID参数，见表1。
表1 黄金坪电站4号机组各工况PID参数
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5.2 静特性试验
试验在机组蜗壳不充水下进行，调速器处于“自动”工况，负载状态下的频率模式，参数设置为：bp=6%，bt=5%，Kp=10，Td=8.0s，开限=100%，YG=50%，fj=50.00HZ，PG=0，FG=50.00HZ。
将机频fj从50.00开始，以0.001Hz递增或递减，每间隔0.30HZ记录一次，使接力器行程单调上升或下降一个来回，录波并记录机频fj和相应导叶行程值。
试验结果：合格，转速死区0.006%，开机方向线性度0.110%，关机方向线性度0.163%。
5.3 空载扰动检查试验
试验在机组蜗壳充水下进行，机组在空载工况下，改变频率给定，使机组频率在48～52HZ之间扰动。
下扰试验结果：合格，超调量 6.75%，调节时间：8s。
上扰试验结果：合格，超调量11.5%，调节时间：9s。
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图2 空载扰动试验波形（下绕52Hz-48Hz）
5.4 空载摆动试验
试验在机组蜗壳充水下进行，处于自动空载工况下，调速器处于“频率调节”模式，使调速器跟踪50.00HZ，记录机组频率在3分钟的波形曲线，计算频率摆动值，连续测量3次，取三次平均值。
试验结果：合格，最高频率50.05Hz，最低频率49.94Hz，摆度值：0.11 Hz。
5.5 甩100%负荷试验
试验在机组蜗壳充水下进行，机组处于负载工况下，带100%负荷。
试验结果：合格，最高频率68.36Hz，最低频率50.00Hz，转速调整时间为35s，甩负荷开始至转速升至最高转速的时间为8S，波峰1个。
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图3 甩100%负荷试验
6结论
经过大量试验和并网带负荷运行，自适应变参数PID控制成功应用到黄金坪电站水轮机调速器的控制中，改善了调速器控制系统的性能，对水轮机组的过度过程的控制具有明显的效果，其控制效果与传统的PID控制相比，调节时间短，响应快，鲁棒性强，运行稳定，在各个工况下均能取得良好的效果。
参考文献：
[1].魏守平.水轮机调节系统的适应式变参数调节.水电能源科学，2003（1）.
[2].魏守平.水轮机调速器的PID调节规律.水力发电学报，2003（4）.
[3].中华人民共和国国家标准.水轮机调速系统技术条件（GB/T9652.1-2019）.
[4].中华人民共和国行业标准.水轮机电液调节系统及装置调整试验导则（DL/T 496-2016）.
[5].能事达电气.MGC4000系列水轮机调速器用户手册.