轴流转桨式水轮发电机组有功功率调节方法

技术领域：

本发明涉及轴流转桨式水轮发电机组自动控制技术领域，具体涉及一种转桨发电机组有功功率调节方法。

背景技术：

当前发电机功率调节的方式一般使用监控系统PLC计算调节脉宽，由调速器执行导水叶开或关来调节有功功率值(发电机在并网状态)。监控系统PLC内部采用较成熟的PID模型再结合各大厂商的优化来计算单次调节脉宽，在各大电厂中均能得到稳定运行。但是普遍应用在低水头的轴流转桨式水轮机在设计上考虑了不同水流流量和水头的变化，变量不仅是有功功率，还涉及到桨叶开度以及当前水头，而且并不是流量越大，转换的机械能的能力就越强，水轮机的输出功率随着流量的增加而增加，但在达到某一点后会逐渐趋于稳定。这是因为过大的流量可能导致水轮机叶片受到过大的负荷，使得效率下降。采样传统的调节方法会使机组发生超调、反调、调节次数过多、长时间调节和调节不平稳的问题，在高水头的工况下会发生严重超调的情况(超出机组额定容量运行)，所以在单一的PID计算模型中并不能满足各地区电网的要求。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种轴流转桨式水轮发电机组有功功率调节方法，其不仅能应付不同水头、流量的机组工况，还能按电网要求保持与一次调频的关系，有利于提高机组的稳定性，促进发电站长期稳定高效运行。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种轴流转桨式水轮发电机组有功功率调节方法，该方法包括如下步骤：

(1)使用“有功可调”命令进行投入退出，在机组并网后自动投入该功能，在机组解列后自动退出，并且在特殊情况下自动退出；

(2)功能投入后，由监控系统上位机下达设定值或AGC系统自动下达，PLC收到数值后将“一次调频优先”复归，后进行差值比较，当偏差值大于死区时，进行PID计算，本步主要用来确认指令来源，当设定值与上一个周期的值不相等时判断为“二次调频”指令；当设定值不变的情况下实际值大于死区则判断为“功率闭环”指令；

(3)PID计算分3个独立的功能块计算，分别命名为“大环”、“小环”和“微调”；3组参数在不同的偏差值下运行；

(4)计算出脉宽后与等待时间后，判断控制方向；

(5)经过对调节指令的判断，分两种指令“二次调频”和“功率闭环”。根据步骤(2)“一次调频优先”是否复归，如已复归则判断为“二次调频”的指令，应立即执行二次调频指令，开出脉冲；如果“一次调频优先”动作，则判断为“功率闭环”自调节的指令，应考虑调速器的“一次调频功能”是否动作，如果同时动作，则优先一次调频动作，此时脉冲指令禁止开出，待一次调频动作结束后，重新返回第(1)步重新执行；

(6)执行完脉冲后，判断调节是否接入死区，如已进入死区则退出程序，仍然在死区以外时执行等待时间，待等待时间完成后，继续返回第(1)步重新运行；

(7)有功调节超时报警计算：当二次调频指令下达成功后的第一个周期，执行计时算法；

T＝(|Actual-Target|)*Tmin

其中：Tmin是指超时系数；

计算执行完毕后开始计时，时间限制为T，当计时完成后，有功实际值仍然未在死区内，即发出“有功调节超时”报警信号，同时退出“有功可调”功能，停止调功。

所述的轴流转桨式水轮发电机组有功功率调节方法，所述的步骤(5)中的二次调频指令为：当”一次调频优先”信号为复归状态时，调节指令不受“一次调频功能影响”，直接进行叠加调节，调节结束后将”一次调频优先”信号置1，等待下一次指令。

所述的轴流转桨式水轮发电机组有功功率调节方法，所述的步骤(5)中的功率闭环指令为：当机组因为上下游水位变化等因素导致功率偏出死区时，应优先“一次调频功能”动作，等待“一次调频功能”信号复归后方可重新进行计算，防止与一次调频发生冲突。

所述的轴流转桨式水轮发电机组有功功率调节方法，所述的步骤(3)中的3组参数在不同的偏差值下运行具体为：在偏差值大于10％e时使用大环参数进行计算，在偏差值小于10％e并且大于5％时使用小环参数计算，在偏差值进入5％e以内时使用微调参数进行计算。

所述的轴流转桨式水轮发电机组有功功率调节方法，所述的步骤(4)中判断控制方向具体为：判断控制导叶方向当设定值小于实际值时往关方向输出脉冲，当设定值大于实际值时往关方向输出脉冲，公式如下：

当(Actual-Target)<0时输出减脉冲当(Actual-Target)>0时输出增脉冲。

有益效果：

1.本发明防止了水轮发电机组在高于额定水头下的有功率功率超调；防止了低水头下调节超时而受电网考核调节速率；防止了与一次调频功能产生冲突而受电网考核。

2.本发明采用比例关系进行计算，在不同的调节区间计算出计时定值，在区间小时，能够有效进行计时，在区间大时防止误报警。

3.本发明PID计算分3个独立的功能块计算使用了3组调节参数，防止超调、调节超时以及功率摆动。

附图说明：

附图1是本发明的流程图。

具体实施方式：

一种轴流转桨式水轮发电机组有功功率调节方法，

功能搭建如下：

1.搭建脉冲计算模型；

1.1使用有功功率计算单个输出脉宽PWM；

① E＝|Actual-Target|

② PWM＝(X*E)/100+PWM

其中：

PWM是输出的脉宽/ms；

Actual是实际值/mw；

Target是设定值/mw；

E是实际值与设定值的偏移量如公式①；

X是脉冲系数

PWM

1.2各个脉宽之间的等待时间，本周期脉冲发出后等待时间；

③Δtp＝tpac*PWM+tp

其中：

Δtp是等待时间；

tpac是等待系数；

tp

综上所述需要确定的定值：

X脉冲系数是需要根据现场调节以及调速器控制步长(1s/2％导叶开度)确定；

tpac等待系数需要根据现场调速器桨叶协联动完成的时间比例确定；

Δtp

PWM

ER是调节死区，偏移量E进入死区后停止输出脉冲；

其余系数均为运行中的变量。

2.调节方向；

判断控制导叶方向当设定值小于实际值时往关方向输出脉冲，

当设定值大于实际值时往关方向输出脉冲，公式如下：

④当(Actual-Target)<0时输出减脉冲

⑤当(Actual-Target)>0时输出增脉冲

3.有功PID可调逻辑

有功PID可调是输出的门槛是用来判断脉冲结果是否出口，无法满足条件时禁止出口；

轴流转桨式水轮发电机组的基本条件如下：

(1)调速器导叶在自动模式；

(2)调速器桨叶在自动模式；

(3)调速器远控有效；

(4)励磁调节器在自动通道运行；

(5)有功功率采样通道质量正常；

(6)机组在发电状态(判断点)；

(7)二次调频优先(判断点)；

以上条件满足时，允许调节脉冲出口。

4.开方向可调

根据该类机型的特性，桨叶全开后将达到最大的出力顶点，即使导叶继续往开方向调节也不会有太大的效率，反而会因过大的流量导致水轮机叶片受到过大的负荷，从而机组的振动，水轮机效率下降，因此往开方向调节时增加限制，判断过程如下：

①当(Actual-Target)>0时

判断桨叶开度，当桨叶或导叶已在全开位置时禁止输出增脉冲，当桨叶或导叶未触碰到全开的行程开关时即可正常往开方向调节；

5.程序封装；

6.程序开发；

具体调节方法如下：

(1)使用“有功可调”命令进行投入退出，在机组并网后自动投入该功能，在机组解列后自动退出，并且在调节超时、事故停机等特殊情况下自动退出；

(2)功能投入后，由监控系统上位机下达设定值或AGC系统自动下达，PLC收到数值后将“一次调频优先”复归，后进行差值比较，当偏差值大于死区时，进行PID计算，本步主要用来确认指令来源，当设定值与上一个周期的值不相等时判断为“二次调频”指令；当设定值不变的情况下实际值大于死区则判断为“功率闭环”指令，调功程序功能分辨“二次调频”与“功率闭环”自调节的指令，有利于在两种状态下做相应的策略；

(3)PID计算分3个独立的功能块计算，分别命名为“大环”、“小环”和“微调”；3组参数在不同的偏差值下运行，在偏差值大于10％e时使用大环参数进行计算，在偏差值小于10％e并且大于5％时使用小环参数计算，在偏差值进入5％e以内时使用微调参数进行计算；

传统单一的算法是通过偏差值与系数计算，只能应用于同一个水头下，不同水头会导致调节脉冲过大或过小。这是因为在不同的水头下，导叶每一个开度(水流量)的水势能是不一样的，也就导致在脉冲系数不变的情况下，水头越小，当次调节的有功增量过小，导致调节时间过长，无法满足电网的要求；反之水头越大，当次调节的有功增量过大，从而导致机组有功超调、调节频繁在设定值附件摆动；故在步骤(3)中，使用了3组调节参数，防止超调、调节超时以及功率摆动：

“大环”参数在偏差值大于10％e时投入使用，其中脉冲系数值较大，等待时间小，所计算出的脉冲长、调节间隔小，只负责输出大脉冲、不考虑精度以及功率滞后问题，能够使导叶快速往设定值运动，当偏差值小于10％e时进入“小环”调节阶段，是调节过程中的冲刺阶段，目的是为“微调”环节提高时间上的成本；

“小环”参数在偏差值大于5％e并且小于10％e时投入使用，其中脉冲、等待系数值均为常规大小，主要是负责“大环”调节后的缓冲，防止在高水头下“大环”调节过剩导致超调；也防止在低水头下“大环”调节过小，无法进入目标死区；这也解决了不同水头下调节混乱问题，是“大环”与“微环”之间的缓冲地带，负责将实际值平稳调节至5％e以下，防止了高水头下的“超调”、低水头下的“超时”；

“微调”参数在偏差值大于1％e并且小于3％e时投入使用，其中脉冲系数较小、等待系数较大，计算的脉冲小、间隔大。不考虑时间成本，负责输出小脉冲进行精度调整，等待系数较大、是考虑桨叶协联的速度，防止桨叶为动作完成便进行下一个周期的调节而造成功率波动，无法进入1％e的调节死区；

(4)计算出脉宽后与等待时间后，判断控制方向；

判断控制导叶方向当设定值小于实际值时往关方向输出脉冲，当设定值大于实际值时往关方向输出脉冲，公式如下：

当(Actual-Target)<0时输出减脉冲当(Actual-Target)>0时输出增脉冲。

(5)经过对调节指令的判断，分两种指令“二次调频”和“功率闭环”。根据步骤(2)“一次调频优先”是否复归，如已复归则判断为“二次调频”的指令，应立即执行二次调频指令，开出脉冲；

二次调频指令为：当”一次调频优先”信号为复归状态时，调节指令不受“一次调频功能影响”，直接进行叠加调节，调节结束后将”一次调频优先”信号置1，等待下一次指令；

如果“一次调频优先”动作，则判断为“功率闭环”自调节的指令，应考虑调速器的“一次调频功能”是否动作，如果同时动作，则优先一次调频动作，此时脉冲指令禁止开出，待一次调频动作结束后，重新返回第(1)步重新执行；

功率闭环指令为：当机组因为上下游水位变化等因素导致功率偏出死区时，应优先“一次调频功能”动作，等待“一次调频功能”信号复归后方可重新进行计算，防止与一次调频发生冲突；

《南方电网自动发电控制(AGC)技术规范》第7.8点电厂一次调频和AGC的协调关系中：

(1)“机组在执行AGC设定值时应该不受一次调频功能的影响，出力变化应该是二者叠加的效果，如果机组调速机构不能同时执行一次调频和AGC功能实现调节量叠加，应该以AGC负荷调节优先。水电机组的调速机构如果不能实现一次调频和AGC调节量叠加，在二者的配合上，应该满足以下条件：

1)机组在执行AGC调节任务时不应该受到一次调频功能的干扰。

2)一次调频在AGC调节完成后应该正常响应。”

(2)在该规范中,AGC(既二次调频)有新指令时,应不受一次调频的影响,直接执行调节指令；

故在步骤(5)中,使用”一次调频优先”信号点进行区分,单无,AGC或二次调频指令时,优先机组一次调频功能进行调节；

(6)执行完脉冲后，判断调节是否进入死区，如已进入死区则退出程序，仍然在死区以外时执行等待时间，待等待时间完成后，继续返回第(1)步重新运行；

(7)有功调节超时报警计算：当二次调频指令下达成功后的第一个周期，执行计时算法；

T＝(|Actual-Target|)*Tmin

其中：Tmin是指超时系数；

计算执行完毕后开始计时，时间限制为T，当计时完成后，有功实际值仍然未在死区内，即发出“有功调节超时”报警信号，同时退出“有功可调”功能，停止调功，传统的调节计时为固定值，无法在不同的调节区间进行有效报警，步骤(7)中采用比例关系进行计算，在不同的调节区间计算出计时定值，在区间小时，能够有效进行计时，在区间大时防止误报警。