一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统及方法，

【技术实现步骤摘要】
一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统及方法


[0001]本专利技术属于水轮机
，具体涉及一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统及方法
。

技术介绍

[0002]风光等新能源发电正规模化替代传统火力发电
。
新能源发电的随机性和波动性的特点，削弱了电力系统等效惯量，对电网的调峰调频能力提出了更高的要求
。
水力发电机组因其调节容量大
、
控制灵活等优点，成为抑制新能源波动
、
支撑电力系统调峰调频的关键资源
。
[0003]为平抑新能源发电机组引起的功率快速
、
频繁波动，填补新能源出力不足的系统功率空白，需要调峰调频资源具有匹配的快速响应能力；相应的，并网准则对参与系统调峰调频的设备响应速度及质量要求也越来越高
。
当前水轮机调速主要有开度和功率控制两种模式
。
其中，开度控制模式下依靠外环
AGC
实现功率闭环调节，系统运行工况变化时功率调整响应慢，相应开度调节指令变化慢，致使调节时间长
。
功率模式下功率闭环调节由调速系统主导，响应快，但功率调节精度低，动作死区较大；当电网出现小频差扰动时，经功率差值系数获得的功率指令叠加量小，不跨越死区，一次调频不动作
。
因此，传统的开度控制和功率控制模式难以兼顾调速响应的精确性和快速性，难以满足日渐严苛的并网导则要求
。
[0004]目前，学术界已经提供了一系列水轮机调速系统优化控制方法，一类方法是在监控系统中修改
PLC
控制逻辑协调一次调频和
AGC
的不兼容，另一类是依靠先进的人工智能算法对调速系统进行控制以适应水头变化
、
水压脉动等因素导致的系统参数变化，进而优化系统响应特性
。
但一
、
二次调频协调控制的方法仍受
AGC
响应速度影响，无法满足系统的快速响应需求，基于智能算法的控制方法在工程实际应用中亦无法达到超越
PID
控制结构的优越鲁棒性，因此以上方法在实际应用中均没有比较典型的应用
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了解决上述
技术介绍
存在的不足，提供一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统及方法，对导叶开度进行补偿以减少扰动下调速控制响应动作的量程，从而提高广域运行工况下水轮机调速的响应快速性
。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统，包括
PID
调速器
、
电液随动系统
、
水轮机及引水系统
、
发动机及负荷
、
前馈控制系统；
[0007]PID
调速器用于接收导叶开度误差信号，经过比例
‑
积分控制调节后输出第一导叶开度指令值至电液随动系统；
[0008]前馈控制系统用于在水轮机调速系统发生负荷工况变化或接收
AGC
指令需要对功率输出进行调节时，获取水轮机调速系统的当前运行状态量与设定基准运行工况状态量的差值并生成第二导叶开度指令值将其输出至电液随动系统；
[0009]电液随动系统用于根据第一导叶开度指令值和第二导叶开度指令值生成输出的
导叶开度值，控制水轮机及引水系统的导叶动作；
[0010]水轮机及引水系统用于驱动发动机及负荷运行
。
[0011]本专利技术的有益效果是：本专利技术立足于现有的控制结构，引入水轮机调速系统运行过程中的负荷功率信息，减小或消除系统运行工况变化时导叶开度动作不精确引起的功率差值，提高功率响应准确性，同时降低
PID
调速器在动态过程中的参与度，提高系统动态响应快速性
。
[0012]本专利技术所提出的前馈控制优化系统导叶开度的方法，通过前馈控制回路将各状态变量的误差值反馈至导叶开度指令值处对导叶开度进行补偿控制从而实现优化响应性能的效果
。
针对开度模式下，负荷工况变化导致相同导叶开度变化输出功率不同而引起的功率响应质量差以及小频差时一次调频不动作等问题，本专利技术所提出的基于前馈控制的导叶开度补偿控制方法，可以提高多工况下系统功率响应准确性，减小系统频差，同时减少
PID
调速器在动态过程中的参与度，提高系统的响应速度
。
相比于目前依据人工智能算法或设计新的控制结构和参数的方法，本专利技术所提出的前馈控制具有可靠性高
、
方便控制
、
易于实现的特点
。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的系统示意图；
[0014]图2为水轮原动机及引水系统经线性化后的结构框图；
[0015]图3为本专利技术的水轮机导叶开度优化控制模型示意图；
[0016]图4为开度模式下传统水轮机调速系统和本专利技术的导叶开度及输出功率的动态响应过程曲线对比图
。
具体实施方式
[0017]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明，便于清楚地了解本专利技术，但它们不对本专利技术构成限定
。
[0018]如图1所示，本专利技术提供了一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统，包括
PID
调速器
、
电液随动系统
、
水轮原动机及引水系统
、
发动机及负荷
、
前馈控制系统；
[0019]PID
调速器用于接收导叶开度误差信号，经过比例
‑
积分控制调节后输出第一导叶开度指令值至电液随动系统；
[0020]前馈控制系统用于在水轮机调速系统发生负荷工况变化或接收
AGC
指令需要对功率输出进行调节时，获取水轮机调速系统的当前运行状态量与设定基准运行工况状态量的差值并生成第二导叶开度指令值将其输出至电液随动系统；
[0021]电液随动系统用于根据第一导叶开度指令值和第二导叶开度指令值生成输出的导叶开度值，控制水轮机及引水系统的导叶动作；
[0022]水轮机及引水系统用于驱动发动机及负荷运行
。
[0023]本专利技术基于
PID
调速器
、
电液随动系统
、
水轮机及引水系统
、
发动机及负荷
、
前馈控制系统建立了水轮机调速系统模型，调速系统可以分为四个部分：
PID
调速器
、
电液随动系统
、
水轮原动机及引水系统和发电机及负荷，各部分传递函数分别为
G
t
，
G
s
，
G
y
和
G
f
。
[0024]由...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统，其特征在于：包括
PID
调速器
、
电液随动系统
、
水轮机及引水系统
、
发动机及负荷
、
前馈控制系统；
PID
调速器用于接收导叶开度误差信号，经过比例
‑
积分控制调节后输出第一导叶开度指令值至电液随动系统；前馈控制系统用于在水轮机调速系统发生负荷工况变化或接收
AGC
指令需要对功率输出进行调节时，获取水轮机调速系统的当前运行状态量与设定基准运行工况状态量的差值并生成第二导叶开度指令值将其输出至电液随动系统；电液随动系统用于根据第一导叶开度指令值和第二导叶开度指令值生成输出的导叶开度值，控制水轮机及引水系统的导叶动作；水轮机及引水系统用于驱动发动机及负荷运行
。2.
根据权利要求1所述的一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统，其特征在于：前馈控制系统实时采集水轮机调速系统的功率，并获取功率的当前稳态值与下一次动态过程稳态值之差为前馈控制回路输入
。3.
根据权利要求1所述的一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统，其特征在于：
PID
调速器接收到的导叶开度误差信号为水轮机调速系统接收的上级监控系统经过功率
‑
开度关系计算所得的开度指令值与第一导叶开度指令值的差值
。4.
根据权利要求1所述的一种基于前馈控制优化水轮机调速性能的控制系统，其特征在于：水轮机调速系统输入的开度指令值和电液随动系统的输入值的关系为：其中，
Y
为水轮机调速系统接收的上级监控系统经过功率
‑
开度关系计算所得的开度指令值，
y
PID
为
PID
调速器输出的第一导叶开度指令值，
y'
为电液随动系统的输入值，即第一导叶开度指令值与第二导叶开度指令值的叠加值；
K
p
、K
i
分别为
PID
调速器的
PID
参数，
b
p
为

【专利技术属性】
技术研发人员：王栋，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：