浅谈水轮机调速器的控制策略和结构的发展

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摘要： 对于水轮机调节系统的控制规律的研究，国内外调速器的研制基本上经历了比例调节，PI调节，PID调节以及功频调节等过程。本文就调速器的控制策略和结构的发展过程进行了介绍及比较，并提出了调速器控制策略未来的发展方向。

关键词：调速器 控制 调节 发展

中图分类号：TK73 文献标识码： A

水轮机是靠自然水能进行工作的动力机械。水轮发电机组把水能转变为电能供工业、农业、商业及人民生活等用户使用，用户除了要求供电安全可靠外，还要求电能的频率和电压保持在额定值附近的某一范围内，我国电力系统规定：频率应保持在50Hz，对于大容量系统不得超过额定值的±0.2 Hz，这就对水轮机的控制设备（调速器）提出了较高的要求。

水轮机调速器除了完成调节机组频率这一任务外，还负有多种控制功能，如机组启动、停机、工况转换、增减负荷等。

随着现代电力系统规模不断扩大，单台发电机的容量在整个系统的总容量中所占的比重越来越小。当发电机与系统并网后，发电机的转速已经不能有较大变化，调速器这时所调节的实际上是水轮机的输出转矩，它正比于发电机的输出功率。当电力系统中发生大的扰动时，将引发电力系统的机电暂态过程，引起机组转子摇摆。如果干扰过大，发电机组又没有适当的控制，机组可能会失去同步。早期的水轮机水门调节方式是根据机组转速的偏差进行比例调节。随着控制理论的发展，调速器已经有所改进，以图改善水轮机的运行状态。

水轮机控制策略从较早的20世纪70年代的研究，发展到21世纪初，经历了一个不断改进的过程。

一、控制策略的发展

（一）PI调节

早期的调速器是机械液压型的。根据其反馈系统的结构，可以分为两种：一种是从主接力器引出反馈，称为辅助接力器型；另一种从中间接力器引出反馈，称为中间接力器型。图1-1所示为采用从主接力器引出反馈的调速器的传递函数结构图。图中输入量是速度偏差，输出量是导水机构行程。从理论上讲，辅助接力器型和中间接力器型的动态特性是相近的，但工程实践表明，中间接力器调节型的动态特性往往较易满足要求。其重要原因之一是在工程上主接力器处于水轮机井内，其反馈系统较长，杠杆较多，易产生死程，从而导致动态特性恶化。而中间接力器位于调速器柜内，易于保证反馈质量。

图1-1 主接力器软反馈调节器系统结构图

图1-1所示系统的传递函数为

（1-1）

其中，为辅助接力器时间常数，为主接力器时间常数，，为暂态转差系数，为暂态反馈（软反馈）时间常数，为永态转差系数。在，时，传递函数近似为

（1-2）

这种比例加积分的控制方式调节响应时间较长，不能很好满足对调节特性的需要。有关文献（孔昭年，水轮机调节系统极点分布域及调节器参数的整定，大电机技术，1985）、（沈祖诒，水轮机调速器最佳参数整定――频率响应法，水轮机调速器最佳参数整定――极点配置法，华东水利学院学报， 1984）讨论了（1-1）式中和两个参数整定问题，并给出了选择这两个参数的计算方法。

（二）PID调节

为了改善调节性能，在比例-积分的基础上，增加了微分环节，这便是PID控制方式。其传递函数为：

（1-3）

PID控制主要适用于低阶、不太复杂的线性系统，它物理概念清晰、易于实现，目前也是水轮机调速器中应用最广泛、技术最成熟的一种控制规律，由于微处理器在水轮机调速器上的大量使用，PID控制目前大多数由软件来实现，以下图1-2所示结构比较常用，称为经典PID控制。

图1-2 经典PID结构图

上式中，输入的是转速偏差，输出的是与偏差成比例的控制量。永态转差率bp取自PID综合输出。经典PID控制传递函数为：

（1-4）

对于微分环节的引入使水轮机调节系统稳定性和动态过程改善的研究，国内外学者很早就有论述。1981年7月，J.C.Howe应用简化的数学模型，比较了PI调节器和PID调节器的动态性能，得出的结论是采用PID调节器可以显著改善调节效果。但是，1983年1月，G.D.Ransford应用优化参数来比较PI与PID控制，认为PID调节器虽然改善了转速过渡过程，但是使水压变化巨大，并没有带来实际效益。以上两者在分析时都没有考虑接力器时间常数。实际上，在水轮机调速系统中，由于接力器平缓了微分环节的作用，因此微分环节的引入效果，正如1988年，沈祖诒在《水轮机调节系统分析》一书中指出，既没有文献（J.C.Howe， Predicting the stability of regulation， Water Power & Dam Construction， 1981，7）认为的那么大，其引起的水压变化也没有文献（G.D.Ransford， P.i.d. regulation revisited， Water Power & Dam Construction， 1983，1）认为的那么大。

实现PID控制的具体结构很多，例如在原有的PI反馈调节环节上增加测量加速度的回路。到目前为止，大量的调速器还是采用PID控制规律。为了改善水轮机的动态性能，提高输电系统的稳定性，PID调节器的参数设定曾经成为一项重要的研究课题。文献《水轮机调速器调节参数优化计算―拟牛顿法》提供了一种参数空间寻优法――拟牛顿法求取PID调节器最佳参数整定。该方法把调节参数作为输入的一部分，

（1-5）

式中，为状态向量，为输入向量，为调节参数向量，并设计一个目标函数来衡量调节系统的动态品质

（1-6）

将水轮机调节参数优化计算归结为在参数空间内寻找（1-6）式所示的泛函的极小值。

该算法虽然提供了一种优化调节参数的方法，但是该方法对于参数初值的选取有依赖性，有可能得到只是目标函数的局部极小值；而且初值选取不当还可能导致计算不收敛。

（三）状态反馈

设对于图1-3所示系统，控制对象的状态方程和输出方程为

是完全可控的。引入状态反馈，其中K是状态反馈增益矩阵，则闭环系统状态方程可写成

根据现代控制理论，如果系统是完全可控的，对任意一种给定的闭环系统极点配置总可以找到一相应的秩为1的状态反馈矩阵K

图1-3 状态反馈控制结构图

即闭环极点可根据系统动态特性的要求来设置。例如，可以根据对调节时间的要求来确定，也可以设计二次目标函数来确定闭环系统最优极点配置。文献《水轮机调节系统分析》（沈祖诒）和《通过长输电线与电网并列运行水轮机的控制》（沈祖诒，黄宪培）给出了水轮机调速系统采用状态反馈的设计算例。必须指出，上述状态反馈控制设计方法也是工作于基于系统的近似线性化模型。

（四）变调节参数控制和自校正控制

为了进一步改进调速系统性能，有些作者试图将变增益控制方法用于调速器。把运行工况分成若干子集，对每个子集确定一组最佳调节参数，并储存于控制机中。在运行时，实测运行工况，并相应改变增益。文献《水轮机调节系统的适应式变参数调节》（魏守平）和《适应式变参数PID微型计算机调速器》（叶鲁卿，魏守平）介绍了这种变增益调节的实用控制器。

根据上述方法，对于水轮机调节系统的变参数控制是把水轮机按照工况分为几个集合，在线选择对应的增益。显然，采用这种控制技术的增益变化是不连续的。

我们知道，自校正控制由K.J.?STR?M提出（K.J. ?STR?M， U.BORISSON， etc.， Theory and Applications of Self-Tuning Regulators， Automatica， 1977， 13），并被D.W.Clarke应用于非最小相位系统（D.W.Clarke， Self-tuning Control of Nonminumum-phase Systems， Automatica， 1984， 20）。自校正控制有最小方差控制、极点配置自校正控制、零极点配置自校正控制等几种形式。最小方差控制以最小二乘参数估计法估计对象参数。当被估计的参数值收敛于某一数值时，根据估计模型得到输出量偏差的方差最小控制。D.W.Clarke试图将自校正控制方法用于调速系统，但到目前为止，这种控制方式并没有在实际工程中得到应用。

二、调速器装置的发展

（一）机械液压型

我国曾广泛使用机械液压型的调速器。它使用离心摆作为测速元件，以离心摆的移动支持块的机械位移作为输出，输出信号送至综合放大元件之一的引导阀，经比较、放大后去调节水轮机导叶的开度。到20世纪50年代，机械液压型调速器发展得比较完善。

随着生产的发展，用户对系统频率的要求更为严格；大机组大电网的出现，对电站运行和自动化程度提出了新的要求。这就要求人们对调速器装置的性能和结构进行不断的改进。20世纪40年代，出现了电气液压型调速器。

（二）电气液压型

电气液压型调速器是在机械液压型调速的基础上发展起来的，它保留了液压放大部分，用“电-液转换器”代替了机械-液压转换器调速器，原来的离心摆测速器也为先进的输出电信号的转速传感器所取代。

电气-液压型调速器比机械-液压调速器有以下明显的优点：

（1）具有较高的精确度和灵敏度。电液调速器的转速死区通常不大于0.05%，而机械液压型调速器则为0.15%，电液调速器接力器的不动时间为0.2秒，而机械液压型调速器则为0.3秒。

（2）制造成本低。用电气回路代替了较难制造的离心摆、缓冲器等机械元件降低了成本。

（3）便于综合各种信号（水头、流量、出力等），便于实现成组调节，为电站的经济运行、自动化水平及调节品质的提高提供了很有利的条件。广泛使用的功率与频率双调节的功频电液调节器就属于这种形式。

（4）便于扩充新的控制模块。

（5）便于与数字计算机连接，实现计算机控制，达到改善机组控制的目的。

（6）便于标准化、系列化，也便于实现单元组合化，以利于调速器生产质量的提高。

（7）安装、检修和测试调整都比较方便。

（三）微机型调速器

近年来，将微机用于电气-液压型调速器，使调速器的功能有了更进一步的提高。近十多年来，国内外不少学者和研究单位都在研究和开发水轮机发电机组的微机液压型调速器（简称微机调速器）。微机调速器自80年代中期在国内研制出来以后，经历了8位机，16位机时代，现在已进入了百花齐放的局面，有单片机型，PLC型（可编程控制器），工控机型等等。对于32位微机水轮机调速器，目前已有电力自动化研究院选用32位微控制器MC68332研制成功，也有部分厂家采用高性能PLC来实现32位机控制，但由于硬软件均依赖于PLC生产厂家，因此不易实现复杂的控制算法，也不易实现双机冗余结构。

在国外32位微机水轮机调器也处于研制阶段，目前已有美国WOODWARD公司推出723 PLUS型32位微机调速器。三峡水电站水轮机调速器招标时就已明确提出要求32位机系统，目前该设备由法国阿尔斯通和美国伏依特公司提供，国内现在投产的二滩电站其调速器由瑞士HYDRO VEVEY（维维）公司提供，采用的是摩托罗拉68系列的16位微处理器，可见研制和推广国产的32位机调速器，可以使我国在这一行业的国际研究前列占据一席之地，有利于大型水轮发电机组控制设备的国产化。

微机调速器与模拟式电液调速器相比，有许多明显的优点：

（1）调节规律用软件程序实现，不仅可以实现PI、PID调节规律，还可以实现其他更复杂的调节规律，如前馈控制、自适应调节等。

（2）调节参数的整定和修改方便，运行状态的查询和转换灵活。

（3）机组的开、停机规律可方便地用软件程序实现。即停机过程可根据调保计算要求，灵活地实现折线关闭规律；开机过程可根据机组增速及引水系统最大压力降的具体要求进行设定。

（4）简化了操作回路。各种运行操作相互间的逻辑关系均可以用软件程序完成，取消了相应的继电器，降低了成本，也提高了可靠性。

（5）便于与电厂中控室或区域电力系统中心调度所的上位机相连接，提高水电厂和电力系统的自动化水平。

对于水轮机调节系统的控制规律的研究，国内外调速器的研制基本上经历了比例调节，PI调节，PID调节以及功频调节等过程，但水轮机调速系统是一个复杂的水、机、电的综合非线性系统，上述控制规律都是基于水轮发电机组的近似线性化模型设计的，没有考虑系统固有的非线性特性，从而难以适应电力系统在动态过程中（如系统短路）的最佳调节，因此研制基于非线性控制规律的水轮机调速器，可以最大程度的把握系统的非线性特性，代表着水电自动化控制发展的方向。

三、控制策略的发展方向

近年来，随着控制理论和计算机技术的发展，新的控制策略被应用到调速器的设计中。尽管这些设计还处于研制和数字仿真阶段，但离应用已经越来越近了。

水轮机调节系统是一个非线性系统，对这样一个系统进行控制需要运用新理论于新技术。已有的控制都是建立在适用于微小工况变化下的近似线性化模型上，控制目标基本是跟踪转速给定。在对整个输电系统稳定性要求日益提高的情况下，例如三峡水电站这样的大系统，仅仅跟踪转速给定是远远不够的。只有综合考虑压力引水系统、水轮机、发电机和输配电系统，才能较好地达到上述目的。以往对水轮机调节系统的非线性研究，主要限于两个方面，一个是研究水轮机在不同工况下的非线性，而采用变参数控制。另一个是仅考虑接力器与反馈系统内部的间隙、测速、主配压阀等环节的死区和输出的限幅等环节的非线性特性。以上对于非线性的研究没有涉及到整个电力系统的非线性问题，对于电力系统的非线性控制问题的研究，我国的科技工作者已经取得了一些有价值的成果。如：《电力系统非线性控制》（卢强、孙元章著），《电力系统鲁棒非线性控制的研究》[博士学位论文]，（孙春晓，清华大学，1996）等。

从1989年，微分几何控制理论首次应用于汽轮发电机汽门控制以来，非线性控制理论、模糊控制理论、自适应控制理论被不断地应用于电力系统（孙元章，黎雄，卢强，《发电机调速系统的模糊逻辑控制器》，控制理论与应用， 1996）。1993年，非线性理论应用于水门控制，讨论了刚性水锤的调速系统的控制问题。文献《水轮发电机水门非线性控制器研究》（孙元章，卢强，李国杰，等，清华大学学报，1994，34（1））给出了数字仿真和动模实验结果。同时，非线性控制理论、非线性鲁棒控制理论也应用于励磁控制领域，在水轮机的调速控制方面，既有对经典控制的改进，又有新理论的尝试。

国电自动化研究院和清华大学于1999年就开始研究非线性鲁棒控制理论在大型水轮机调速系统的应用，当时由原国电公司立项，设立了重点攻关科研项目《大型水轮发电机组调速系统的非线性鲁棒控制及工程实用化研究》。本课题研究就是要把非线性控制理论实用化，然后应用到水轮机控制系统中去，开发出与常规调速器不同的全新概念的“非线性最优鲁棒控制水轮机调速系统”。与目前传统调速器相比，新型调速器将显著改善大型输电系统的传输能力和提高系统安全稳定性。特别是在特大严重故障下，电力系统失稳后的短时间内，使系统自动恢复再同步功能。该项目已经完成了实验室控制器样机、现场工业控制样机的研制；开发了水轮发电机组和电力系统的硬件仿真装置，完成了动模实验、常规性能试验、出厂仿真试验等，于2004年初通过专家组验收。专家组认为该项成果技术水平达到了国际领先，推广应用前景广阔。

参考文献：

（1）孔昭年，《水轮机调节系统极点分布域及调节器参数的整定》，大电机技术，1985

（2）沈祖诒，《水轮机调速器最佳参数整定――频率响应法，水轮机调速器最佳参数整定――极点配置法》，华东水利学院学报， 1984

（3）沈祖诒，《水轮机调节系统分析》，北京：水利电力出版社，1988

（4）沈祖诒，《水轮机调速器调节参数优化计算―拟牛顿法》，水轮机调速器最新研究成果选编，北京：水利电力科技司，1986

（5）魏守平，《水轮机调节系统的适应式变参数调节》，大电机技术，1985，5：48-54

（6）叶鲁卿，魏守平，《适应式变参数微型计算机调速器》，水电设备，1986，1：17-23

（7）卢强，孙元章著，《电力系统非线性控制》，北京：科学出版社，1993

（8）孙春晓，《电力系统鲁棒非线性控制的研究》[博士学位论文]，清华大学，1996

（9）孙元章，卢强，李国杰等，《水轮发电机水门非线性控制器研究》，清华大学学报，1994，34（1）：7-14