梯級電站聯合運行頻率、站間水位控制調節器的製作方法

2023-09-10 07:10:05 3

專利名稱：梯級電站聯合運行頻率、站間水位控制調節器的製作方法
技術領域：
本發明屬於水電站運行控制技術領域背景技術目前，常規水電站的調節系統均採用PID調速器，在電力系統的負荷發生變化、機組轉速出現偏差時進行調節，相應改變機組流量，使改變後的水輪機水力矩與發電機負荷阻力矩達到新的平衡，以維持頻率(機組轉速)在規定的範圍內。
常規電站由於站前庫容大，在受到負荷幹擾後進行頻率調節時，可以認為水庫水位不變，採用PID調速器，根據負荷變化，調節機組的導水機構，使水輪機流量作相應變化，以保持機組轉速穩定，保證頻率穩定在電力系統要求的範圍內。由於電站前有較大緩衝庫容，電站的調節對於流域內其他電站的運行影響很小，只要合理調度，各電站即可充分利用水能資源安全運行。
近年來隨著西部開發和國家建設對能源需求的增長，西南的各江河流域都在大力開發水電資源。目前在我國，特別是西部的河流上規劃了一些電站間沒有調節庫容僅用明渠和管道連接或者調節庫容很小的梯級電站，該類電站系統運行中各級電站彼此間影響較大，可以稱為半開式梯級串聯電站。由於電站之間的可調節庫容小或者沒有可調節庫容，在受到負荷幹擾以後不僅要進行頻率的調整，也要進行串聯電站間的流量平衡調節，以控制站間水位。
對於站前調節庫容小或者沒有調節庫容的半開式梯級串聯電站，採用常規的水輪機調節方式，即當各級電站採用PID調速器獨立控制機組時，由於PID調速器只反饋機組轉速，即在機組轉速發生偏差的情況下進行轉速調整，對於站間的流量平衡卻不能做出貢獻。這種控制方式雖然在短時間能調整轉速，但不能保證各級電站間的流量相等，不能改變站間流量不平衡的情況。在此情況下，由於站間庫容小或者沒有調節庫容，則站間水庫或明渠的水位因其進出流量的持續不平衡而導致水面不能穩定，將出現緩慢的持續下降或上升，其快慢取決於上下遊電站間流量差以及調節庫容的大小，最終將導致站間水庫或明渠出現溢流或漏底的情況，不能使電站穩定運行。由於該類梯級串聯電站調節目標的特殊性，即在電站受到負荷幹擾以後不僅要進行頻率調整，也要進行串聯電站間的流量平衡調節以控制站間水位，而傳統的PID調節方式為單輸入/單輸出閉環控制系統，在這種系統中，只關心輸出結果一個量(被調節量)，因此，採用傳統的PID控制調速器只反饋轉速的做法不能滿足該類串聯電站系統的穩定性及動態品質的要求。
本發明即是在半開式梯級串聯電站系統聯合運行、聯合調節的情況下，以串聯電站群為整體對外電網輸送電力，建立半開式梯級串聯電站的聯合運行控制調節器，在外界電網負荷幹擾時，調節機組轉速和平衡站間流量的同時，使站間水位得到控制，實現系統的穩定運行。

發明內容
本發明目的在於提供一種在整個串聯電站群的總負荷變化情況下進行轉速調節和平衡站間流量的同時，使站間水位得到控制的調節器。該調節器能在站間流量平衡、水位得到控制的基礎上實現站中機組的負荷分配。
設該梯級串聯電站的總級數是n，第i級電站機組的總臺數為mi，機組編號為ij。本發明的特徵在於該控制調節器設置在所述梯級串聯電站中的每一臺機組ij上的用於計算機組調整規律的微型數字計算機或數字集成電路晶片。在所述的每一數字集成電路或數字計算機上依次設有第1比較器、微分運算環節、第2比較器、第1積分運算環節、第3比較器以及第2積分運算環節，其中第1比較器，有 個，每個比較器有以下兩個輸入信號x，轉速偏差相對值，即機組轉速和系統穩態運行時機組額定轉速的偏差值相對於系統穩態運行時機組額定轉速的比值，通過機組的測頻電路獲得；Uij，機組ij的控制變量，為該機組調節所需的反饋的狀態量的加權和，i＝1，…，n，j＝1，…，mi用下式表達Uij=l=1fKijul]]>其中，ul為機組i的轉速偏差相對值x、或接力器行程偏差相對值、或站間調節池水位偏差相對值、或調壓井水位偏差相對值、或站間明渠水位偏差相對值、或其他指定的反饋狀態量，Kij為相應的各反饋的狀態量ul的設定的反饋係數，j＝1，…，mi，l＝1，…，f。f為所需的反饋的狀態量個數；微分運算環節，有 該環節輸入端與所述相應的第1比較器的輸出端相連，以進行 運算，其中，KDij為機組i的復歸塊增益，TDij為機組i的復歸塊時間常數，單位為s，所述微分運算環節是一個復歸塊，用以清除第1比較器輸出中的穩態殘留偏差，當到達穩態時該復歸塊的輸出為0；第2比較器，有 該比較器有以下三個輸入信號x，即轉速偏差相對值；前述相應的微分運算環節的輸出值；bpP，其中，P為該梯級串聯電站所有運行機組總功率的偏差相對值，P=(i=1nj=1mipij-p)/p,]]>即為整個梯級串聯電站運行機組的總功率與整個梯級串聯電站系統額定總功率p的偏差值相對於整個梯級串聯電站系統額定總功率p的比值，通過機組的功率測量迴路得到；pij為該串聯電站第ij臺機組出力，bp為整個梯級串聯電站聯合運行系統的永態轉差係數，是一設定值。
所述第2比較器的輸出當i＝n，即最下遊級電站，其尾水位不需控制時，該輸出為前述相應微分運算環節輸出量與x和bpP兩個信號之差值；而當i＝1，…，n-1，除上述差值外，尚需加上i級與i+1級電站之間的特徵點水位與參考值之差值。
第1積分運算環節，有 每個環節輸入端與所述相應的第2比較器的輸出端相連，對輸入信號進行 運算，其中，Tmij為機組i的液壓放大裝置的時間常數，單位為s；第3比較器，有 個，每個比較器輸入端與所述相應的第1積分運算環節的輸出端相連；第2積分運算環節，有 個，每個環節輸入端與所述相應的第3比較器的輸出端相連，對輸入信號進行 運算，其中，Tyij為機組i的接力器時間常數，單位為s，而輸出信號則反饋至所述相應的第3比較器的輸入端，yij為機組ij的接力器行程偏差相對值，即以第ij臺機組接力器的最大行程為基準值的第ij臺機組的接力器行程的偏差相對值，ij意義與前述相同。
為了驗證所設計的調節器對系統的實際控制作用，對某半開式梯級串聯電站按照本發明建立了其聯合運行控制調節器，並將設計的控制調節器嵌入到系統的非線性仿真中，仿真計算結果證明該調節器可以實現串聯電站的穩定運行，而且在調整系統轉速的同時使系統流量平衡，並且站間水位可控制在給定值。


圖1，梯級串聯電站聯合運行控制調節原理框圖。
圖2，電站靜特性。
圖3，復歸環節方塊圖。
圖4，某梯級電站輸水系統布置示意圖。
圖5，電站機組轉速-時間曲線圖。
圖6-a，11#機組流量-時間曲線圖。
圖6-b，21#機組流量-時間曲線圖。
圖6-c，31#機組流量-時間曲線圖。
圖7，二級電站上遊調節池水位-時間曲線圖。
圖8，三級電站上遊調節池水位-時間曲線圖。
具體實施例方式
半開式梯級串聯電站系統，由於有些電站之間的可調節庫容很小或者沒有可調節庫容，在受到負荷幹擾以後不僅需要進行頻率的調節，還必須進行串聯電站間的流量平衡調節。對這樣的串聯電站系統採用常規的水輪機PID調速器，是不能使其穩定運行的，所以這樣的串聯電站群由於水力系統聯繫緊密，必須聯合運行，而且要進行聯合調節。即通過本發明建立的半開式梯級串聯電站的聯合運行控制調節器，實現外電網對整個串聯電站群要求一個總負荷，而每臺機組承擔的負荷，通過調節器在保證站間流量平衡的基礎上分配。
某半開式梯級串聯電站由三級衝擊式電站構成，電站間有匯水池和調節池，通過倒虹吸管道或無壓尾水隧洞聯接，每級電站設置上遊調壓井，梯級電站的輸水系統布置簡圖如圖4所示，各電站機組額定參數見表1。
表1 各級電站機組額定參數


半開式梯級串聯電站聯合運行控制調節器的方塊圖如圖1所示。
假設梯級串聯電站中機組臺數為

以下對圖1的調節器方塊圖中的變量進行說明x-轉速偏差相對值，即以機組額定轉速為基準值，機組轉速和系統穩態運行時機組轉速的偏差的相對值，通過機組的測頻迴路測得；P-梯級串聯電站所有運行機組總功率的偏差相對值，即為整個梯級串聯電站運行機組的總功率與系統額定總功率的偏差值相對於整個梯級串聯電站系統額定總功率的比值，通過機組的功率測量迴路得到；Uij-第i臺機組的控制變量，為所需反饋狀態量的加權和。Uij=l=1fKijul,]]>其中，uij為機組ij的轉速偏差相對值、或接力器行程偏差相對值、或站間調節池水位偏差相對值、或調壓井水位偏差相對值、或站間明渠水位偏差相對值、或其他指定的反饋狀態量，Kij為相應的ul的反饋係數，l為對應第ij臺機組的所需的反饋的狀態量個數，所需的反饋的狀態量和其反饋係數根據實際情況確定。
yij-第ij臺機組接力器行程偏差相對值，即以第i臺機組接力器的最大行程為基準值的第ij臺機組的接力器行程的偏差相對值，i＝1，2，3，...n；j＝1，…，mi；bp-為傳遞環節的係數，稱為永態轉差係數，反映電站的靜態調差率。
機組在電網運行時，調節器需具有一定的靜態調差率才能明確其負荷分配，常規水電站(即可獨立運行的水電站)中機組調差率滿足wij＝-bpijyij，其中xij、yij、bpij分別為該級電站各臺機組的轉速、導葉開度偏差相對值及永態轉差係數，l為機組編號，每臺機組都設置有永態轉差係數。但是，梯級串聯電站聯合運行時，作為一個整體對外電網輸出功率，電站機組功率在站間流量平衡的基礎上分配，各機組轉速相對於其各自額定轉速的相對值相同。如果按常規方法給定機組調差率，則梯級串聯電站聯合運行系統中各機組導葉開度將按照調差率被轉速限定，與站間的流量平衡調節相矛盾，導致系統不能穩定運行。因此，在梯級串聯電站聯合運行系統中，本發明給出了針對整個電站聯合運行系統的永態轉差係數，聯合運行時系統按x＝-bpP對功率進行調節。從而保證了電站在正常運行時具有合理的負荷分配，亦即是使電站機組在穩態時的轉速和電站總功率之間具有一一對應的關係，如圖2所示。
為方便說明，以下給出一些狀態量的符號定義。y11、y12、y21、y22、y31、y32分別為各臺機組的接力器行程的偏差相對值，Hs1、Hs4、Hs7分別為一級、二級、三級電站各自的上遊調壓井水位偏差相對值，Hs2、Hs3為二級電站上遊匯水池、調節池水位偏差相對值，由於二級電站上遊的匯水池、調節池通過較短的虹吸管道連接，匯水池、調節池水位波動接近，所以僅採用調節池的水位偏差相對值Hs3。Hs5、Hs6分別為三級電站上遊匯水池、調節池水位偏差相對值，水位偏差相對值為各調壓井、匯水池、調節池水位的變化與設定的基準水位的比值，x表示機組轉速偏差相對值。
各臺機組需要反饋的狀態量及其對應的反饋係數見表2，表中，U11、U12、U21、U22、U31、U32分別為各臺機組的控制量輸入，由各臺機組的反饋狀態量乘反饋係數相加得到。
表2狀態降維反饋係數表

電站機組控制調節器的控制變量U是由多個狀態量的線性組合而成，為避免狀態量的引入而產生較大的靜態誤差，採用工程上常用的復歸環節來清除其穩態殘留偏差。復歸環節實際上是一個實際微分環節，其方塊圖如圖3所示。當達到穩態時，復歸環節輸出為0，當輸入變化較劇烈時，起比例環節的作用。
KDij-第ij臺機組復歸塊增益；TDij-第ij臺機組復歸塊時間常數，單位為s；Tmij-第ij臺機組液壓放大裝置時間常數，單位為s；Tyij-第ij臺機組接力器時間常數，單位為s；根據調節器方塊圖可對每臺機組的調節部分求其傳遞函數為KDijs1+TDijs(Uij-x)-bpP-x=Tmijs(1+Tyijs)yij]]>再經拉氏反變換，得到調節器方程為Aijd3yijdt3+Bijd2yijdt2+Cijdyijdt+bpP+Dijdxdt+x-KDijdUijdt=0]]>式中，Aij＝TDijTmijTyij，Bij＝TDijTmij+bpTDijTyij，Cij＝bp(TDij+Tyij)+Tmij(1+Tyij)，Dij＝KDij+TDij。
將設計的調節器嵌入到梯級串聯電站的全系統非線性仿真程序中，對全系統進行了仿真計算，其中管道、無壓隧洞、調壓井、匯水池、調節池、電站機組等都按照實際系統的設計參數和其本身的非線性特性建立數學模型。由於系統中包含有無壓隧洞，所以系統的穩態初值採用零流量狀態法計算。
計算算例的整個梯級電站出力為77.92萬kW，甩10％負荷後，其出力為70.128萬KW，靜態調差率取0.04，所以當甩10％負荷穩定後各機組的相對轉速穩態值為1.004。調節器採用遺傳算法優化後的反饋係數，沒有其它流量流入系統。電站間匯水池、調節池水位在穩定後被調整在擾動前的水位附近，調節池水位見表3，仿真結果如圖5～圖8。
表3調節池水位表

權利要求
1.梯級電站聯合運行頻率、站間水位控制調節器，其特徵在於，該控制調節器設置在所述梯級串聯電站的對每一臺機組ij用於計算其調整規律的數字計算機軟體包或數字集成電路晶片上依次設有第1比較器、微分運算環節、第2比較器、第1積分運算環節、第3比較器以及第2積分運算環節，其中第1比較器，有以下兩個輸入信號x，轉速偏差相對值，即機組轉速和系統穩態運行時機組額定轉速的偏差值相對於系統穩態運行時機組額定轉速的比值，通過機組的測頻電路獲得，在聯合運行時參與聯合運行的機組都相同；Uij，機組ij的控制變量，為該機組調節所需的反饋的狀態量的加權和，i＝1，…，n，j＝1，…，mi用下式表達Uij=l=1fKljul]]>其中，ul為機組ij的在下述參數中，根據調節要求選用其中一個或多個參數轉速偏差相對值x、接力器行程偏差相對值、站間調節池水位偏差相對值、調壓井水位偏差相對值、站間明渠水位偏差相對值及其他指定的反饋狀態量；Kij為相應的各反饋的狀態量ul的設定的反饋係數；j＝1，…，mi，l＝1，…，f。f為所需的反饋的狀態量個數；微分運算環節，輸入端與所述相應的第1比較器的輸出端相連，進行 運算，其中，KDij為機組ij的復歸塊增益，是一設定值。TDij為機組ij的微分運算環節時間常數，單位為s，所述微分運算環節是一個復歸塊，用以清除第1比較器輸出中的穩態殘留偏差，當到達穩態時該復歸塊的輸出為0；所述微分運算環節對於所述調節器共有 第2比較器，該比較器至少有以下三個輸入信號x，即轉速偏差相對值；所述微分運算環節相應的輸出值；bpP，其中，P為該梯級串聯電站所有運行機組總功率的偏差相對值，P=(i=1nj=1mipij-p)/p,]]>即為整個梯級串聯電站運行機組的總功率與整個梯級串聯電站系統額定總功率p的偏差值相對於整個梯級串聯電站系統額定總功率p的比值，通過機組的功率測量迴路得到；pij為該串聯電站第ij臺機組出力(即運行時的功率)，bp為整個梯級串聯電站聯合運行系統的永態轉差係數，是設定的；對於第i＝1級至第i＝n-1級，尚需要增加一個輸入信號，即i級與i+1級電站之間的特徵點水位與其參考(給定)值之差的相對值hi；所述第2比較器對於所述調節器共有 第1積分運算環節輸入端與所述相應的第2比較器的輸出端相連，對輸入信號進行 運算，其中，Tmij為機組i的液壓放大裝置的時間常數，單位為秒。對於所述調節器共有 個積分運算環節；第3比較器輸入端與所述相應的第1積分運算環節的輸出端相連，對於所述調節器，該第3比較器共有 第2積分運算環節輸入端與所述相應的第3比較器的輸出端相連，對輸入信號進行 運算，其中，Tyij為機組ij的接力器時間常數，單位為秒，而該第2積分運算環節輸出信號則反饋至所述相應的第3比較器的輸入端，該第2積分運算環節輸出yij為機組ij的接力器行程偏差相對值，即以第ij臺機組接力器的最大行程為基準值的第ij臺機組的接力器行程的偏差相對值。
全文摘要
本發明屬於水電站運行控制技術領域，其特徵在於該調節器是在該梯級串聯電站所有機組聯合運行基礎上應用的，即以設定的梯級電站系統的永態轉差係數與梯級串聯電站中所有運行機組的功率的總和(即總功率)的偏差相對值之積與轉速及站間水位偏差(最下遊電站機組該偏差值取零)相對值作比較，從而不僅使站間水位控制在指定值，而且該梯級串聯電站總功率與穩態頻率(轉速)之間具有對應的關係，以實現外部電力系統對該串聯電站的負荷分配；還在於引入轉速偏差相對值外再輔以所述梯級電站系統部分狀態量權值之和，經過比較，作為系統的控制量，並利用復歸環節(實際微分環節)消除穩態殘差；還在於機組間的出力分配，通過保證站間流量平衡、水位得到控制的基礎上通過調節來完。
文檔編號F03B15/14GK101042107SQ20071006429
公開日2007年9月26日 申請日期2007年3月9日 優先權日2007年3月9日
發明者陳乃祥, 樊紅剛, 朱淵嶽, 孫志祥, 唐劍虹, 範維維 申請人:清華大學, 四川川投田灣河開發有限責任公司