一种新型水电机组负荷与频率控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统自动控制技术领域，尤其涉及一种新型水电机组负荷与频率 控制器。
【背景技术】
[0002] 水击是水电机组调节系统面临的一个重要的问题，尤其是在关闭导叶的过程中， 过快的关闭速度会可能引起较大的水击，并造成设备的损坏。通常认为该水击力与关闭速 度和阀位都有关，因此现有机组的执行机构随开关方向及阀位位置不同选择不同时间常数 的接力器动作，避免过大水击的发生。
[0003] 现有水电调节系统执行机构的原理框图如图1所示，图中PCT为阀位指令，下标cv表 示控制阀，KP1为电液转换PID控制器的比例放大环节的倍数，下标P表示电液转换PID控制器 的比例环节，下标1起区别作用，KD1为电液转换PID控制器的微分放大环节的倍数，下标D表 示电液转换PID控制器的微分环节，下标1起区别作用，Tlvl为电液转换PID控制器的微分时 间常数，下标lv表示电液转换器实际微分时间常数，下标1起区别作用，Κη为电液转换PID控 制器的积分放大环节倍数，下标I表示电液转换PID控制器的积分环节，下标1起区别作用， Τ。为接力器开启时间常数，下标〇为open的首字母表示开启，Tcl为接力器的第一关闭时间常 数，Tc2为接力器的第二关闭时间常数，Tc3为接力器的第三关闭时间常数，下标c为close的 首字母表示开启，下标1、2和3起区别作用，T2为接力器阀位行程反馈环节(LVDT)时间，下标 2起区别作用，PCv为导叶开度，下标Gv表示导叶。阀位指令PCT与来自接力器阀位行程反馈信 号之差形成控制偏差，送入电液转换PID控制器并经指令限幅生成最终作用于接力器的控 制信号。该控制一般通过多个选择器来控制实际油动机或接力器的动作速度，相当于实际 执行机构的多个固定的动作速度档位。图1中采用三个选择器，选择器中间虚线连接端为控 制端，根据控制端信号的数值选择上端或下端的一路输入作为最终的输出。第一选择器根 据接力器控制信号是开或关，选择接力器的开启时间常数或三个关闭时间常数之一，最终 控制接力器行程的开关速度。第二选择器和第三选择器的控制端与接力器阀位行程反馈信 号相连，根据实际接力器阀位行程的反馈选择三个不同等级的关闭时间常数，也即控制不 同开度水平时采用不同的关闭速度。通常在开度较大的情况下可采用较快的关闭速度，开 度较小时容易产生较大的水击，因此多采用较小的关闭速度，以防水击的破坏。水电机组在 开大导叶的时候采用固定的接力器开启时间常数T。，而在关小导叶时，根据较低的导叶开 度范围，依次选择更低的接力器关闭时间常数1'。1、1'。 2和1'。3。这种控制方法在各时间常数作 用的控制段间的转折点存在较大的突变，且采用的分段控制方式非常粗糙，需要设置十分 苛刻的限制，以避免极限情况的水击问题，控制速度受到了极大的限制，从而常常因大部分 工况下极大的保护性裕度设置而牺牲了调节系统的品质。
[0004] 现有水电机组负荷与频率控制器的原理框图如图2所示，图中Cf为给定频率，f为 反馈的频率，Ef为频率控制死区模块，ΚΡ为电液转换PID控制器的比例放大环节的倍数，下标 Ρ表示电液转换PID控制器的比例环节，KD为电液转换PID控制器的微分放大环节的倍数，下 标D表示电液转换PID控制器的微分环节，Tlv为电液转换PID控制器的微分时间常数，下标1v表不电液转换器实际微分时间常数，KI为电液转换PID控制器的积分放大环节倍数，下标I 表示电液转换PID控制器的积分环节，bP为永态转差率，下标p表示永态转差，Ey为负荷控制 死区模块，下标y表示负荷，Cy为给定人工负荷，下标y表示负荷，PGv为导叶开度，下标Gv表示 导叶。给定频率Cf与实际机组反馈的频率f的偏差经频率控制死区模块Ef环节，形成电液转 换PID控制器的输入，电液转换PID控制器的比例、微分和积分环节合成总的控制输出，并叠 加给定人工负荷Cy，最终经输出指令限幅后输入到执行机构控制水轮机导叶的开关。给定 人工负荷Cy与实际导叶开度PCv之差经负荷控制死区模块Ey后由永态转差率匕变换到实际调 节偏差，与电液转换PID控制器的输入一起送入电液转换PID控制器的积分环节，利用积分 控制稳态可消除偏差的能力，保障电网一次调频要求的负荷与频率偏差之间的一次调频考 核指标的实现。电液转换PID控制器的积分环节可消除稳态控制偏差，即保证机组的负荷变 化与电网频率偏差之间满足电网规定的永态转差率设置的调节幅度的要求，但从图中可以 看出，永态转差入口的负荷偏差一般采用的是执行机构反馈的导叶开度PCv，而不是机组的 实际负荷反馈，导叶开度PCv与实际负荷之间因蓄水水位及调节非线性等原因，一般都不能 线性对应，因此电网频率调节要求的一次调频幅度则得不到有效的保障，不利于电网频率 的稳定调节。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种新型水电机组负荷与频率控制器，能够调节水电机组的 负荷与频率，有效提尚水电机组的一次调频品质和电网的频率稳定性。
[0006] 本发明采用的技术方案为：一种新型水电机组负荷与频率控制器，包括频率控制 死区模块、第一电液转换PID控制器、永态转差增益模块、负荷控制死区模块、第一限幅器和 执行机构，给定频率与反馈频率经过第一加法器连接频率控制死区模块的信号输入端，频 率控制死区模块的信号输出端连接第一电液转换PID控制器的输入端，第一电液转换PID控 制器的三个信号输出端均经第二加法器连接第一限幅器的信号输入端，第一限幅器的信号 输出端连接执行结构的信号输入端，给定人工负荷通过第三加法器连接负荷控制死区模块 的信号输入端，负荷控制死区模块的信号输出端通过永态转差连接第四加法器的信号输入 端，第四加法器的信号输出端连接第一电液转换PID控制器的积分控制器的信号输入端，给 定人工负荷还连接第二加法器的信号输入端，在第一限幅器和执行机构之间还设置有用于 对第一电液转换PID控制器的输出进行限速控制的变参数限速模块，第三加法器的信号输 入端还连接有水电机组的负荷。
[0007] 所述的变参数限速模块包括变参数限速器和限速参数生成器。
[0008] 所述限速参数生成器根据
生成控制参数;式中，PCv为执行机 构反馈即导叶开度反馈，下标Gv表示导叶;Η为当前水轮机水头;Fr为设置的最大水击力限 制目标，下标R表示给定值；
，其中f(PCv，H)为水轮机输出功率 相对于导叶开度的变化速率
的函数;Pe为水电机组的负荷，下标e为electricity首字 母，表示电信号;&为惯性系数，下标F表示惯性;K为水电机组出力系数;τι为水电机组的总 效率。
[0009] 所述的变参数限速模块还包括用于对限速参数生成器内的计算函数进行修正和 标定的修正模块。
[0010] 所述的修正模块利用水电机组的负荷Pe、当前水轮机水头Η和导叶开度反馈PCv，采 用线性回归或多次样条拟合的方法对限速参数生成器的函数进行在线的修正和标定。
[0011] 所述的执行结构包括第二电液转换PID控制器、第二限幅器、比例控制模块、接力 器和行程反馈模块，变参数限速模块的信号输出端通过第五加法器连接第二电液转换PID 控制器的信号输入端，第二电液转换PID控制器的信号输出端连接第二限幅器的信号输入 端，第二信号限幅器的信号输出端通过连接比例控制模块连接接力器的信号输入端，接力 器的信号输出端连接行程反馈模块的信号输入端，行程反馈模块的信号输出端连接第五加 法器的信号输入端。
[0012] 所述的比例控制模块的比例参数为1/?Υ，?Υ为接力器最大开关时间常数，下标L表 示接力器。
[0013] 本发明在经典水电机组PID控制器的基础上，从水击和调频原理出发，在控制器内 加入水击力控制环节，可从源头上有效限制水击力的幅度，避免执行机构动作速度的过度 限制，在保护设备安全的条件下，提高机组的调频能力，对提高水电机组的一次调频品质和 电网的频率稳定性具有重要的作用。
【附图说明】
[0014] 图1为现有水电调节系统执行机构的原理框图；
[0015] 图2为现有水电机组负荷与频率控制器的原理框图；
[0016]图3为本发明所述的水电机组负荷与频率控制器的原理框图；
[0017]图4为本发明所述的水电机组负荷与频率控制器的具体结构示意图。
【具体实施方式】
[0018] 如图3和图4所示，本发明包括频率控制死区模块Ef、第一电液转换PID控制器、永 态转差增益模块、负荷控制死区模块Ey、第一限幅器和执行机构，给定频率Cf与反馈频率f经 过第一加法器连接频率控制死区模块Ef的信号输入端，频率控制死区模块Ef的信号输出端 连接第一电液转换PID控制器的信号输入端，第一电液转换PID控制器的三个信号输出端均 经第二加法器连接第一限幅器的信号输入端，第一限幅器的信号输出端连接执行结构的信 号输入端，给定人