微机调速器最优运行参数选择与分析

2022-11-27

东风发电厂一号、二号、三号水轮发电机调速器在2000年时更换为武汉事达电气有限公司生产的BWT-100步进式可编程微机调速器, 该调速器具有PID调节以及多种运行方式和可调运行参数组, 根据机组的运行要求, 设计调整参数有四个[1], 即:Bp (稳态转差系数) 、Bt (暂态转差系数) 、Td (缓冲时间常数) 、Tn (加速度时间常数) , 其中, Bt、Td、Tn数值均在电厂现场试验最终确定。

微机调速器现场试验一般分为充水前试验和充水后试验两种[2]。充水前试验包括:紧急停机切换试验、开/停机时间测试试验、静特性试验等, 其中静特性试验主要是检验调速器转速死区和非线性度是否符合国际标准, 确定调速器的灵敏度;充水后试验包括:空载扰动试验、空载频率摆动试验、带负荷、甩负荷试验等, 其中, 空载扰动试验主要是寻找调速器的最优运行参数, 空载频率摆动试验为检验调速器在空载运行情况下的调节品质, 甩负荷试验为检查调速器的动态品质。

1 空载扰动试验的必要性

空载扰动试验是可编程微机调速器中最重要的试验之一, 其目的是合理选择调速器的最优运行参数, 加快调速器的空载开机速度和调节灵敏度。由于东风发电厂三台机组自2004年至2005年依次进行了改造增容, 单机容量由原来的170MW改增为190MW, 导叶开度增大, 接力器行程增长, 调速器开停机时间、最优运行参数也应作相应的改变, 原调速器开停机时间、最优运行参数已经不适应改造增容后的水轮发电机运行要求, 必须重新进行空载扰动试验, 予获取最优的运行参数, 保证水轮发电机在最佳的工况下高效、稳定运行。根据中华人民共和国国家标准《水轮机调速器与油压装置技术条件》对空载扰动试验的要求[3]:调速器在转速阶跃扰动变化过程中, 超过稳态转速3%额定转速值以上的波峰不超过两次;接力器从第一次向开启方向移动起, 到机组转速摆动值不超过±0.5%为止所经历的时间, 应不大于40S;稳定后转速摆动相对值;对大型电液调速器3 min频率摆动值不超过±0.1 5%。所以, 选择好调速器空载运行参数是相当必要的。

2 微机调速器的原理

来自发电机机端电压互感器PT的频率信号, 经隔离变压器、整形、滤波后再经信号整形回路送入PLC, 经测频软件模块进行频率测量, 机组频率与频率给定值 (或电网频率) 综合后, 送PID调节软件模块, 微机综合数字信号经数/模转换模块转换为模拟电平信号后, 送给电机驱动器, 电机驱动器输出额定转矩22kg·cm的角位移, 此角位移经电液转换器 (或直线位移转换器) 转换为直线位移, 引导液压放大, 产主足够的液压操作力, 控制接力器来调节水轮机的导叶开度。

PID调节原理用传递函数及推到表示如下:

式中:Kp为比例增益;KI为积分增益;KD为微分增益。

为提高装置的抗干扰能力, 采用实际微分环节, 微分环节时间常数T1V (S) 。将上式传函离散化, 设PID输出表达式为:

式中:YPI (k-1) 前一个采样周期的比例、积分分量之和;∆YP (k) :是比例作用分量增量;YI (k) :是积分作用分量增量。

故有:

上式中, ζ为采样周期。X为相对转速偏差, 即频率给定或电网频率与机组频率之差和频率的比值。

调速器的PID调节规律:PID控制的输出是其输入量的比例、积分和微分的函数。PID控制现在应用最广, 技术最成熟, 其控制结构简单, 参数容易调整, 不必求出被控对象的数学模型便可进行调节, 容易实现计算机控制, 比例作用KP加大, 将会减小稳态误差, 提高系统的动态响应速度;而积分作用可用来消除系统的稳态误差, 系统采用PI控制可以消除稳态误差, 但是超调量大, 调节时间相对较长, 为了改善动态性能, 还必须引入微分校正, 即采用PID控制。微分控制能够预测偏差, 产生超前校正的作用, 可以较好地改善动态性能, 使调节时间缩短, 超调量减小。

3 最优运行参数的选择

3.1 空载扰动试验的方法

机组自动开机至空载状态, 调速器处于“频率模式”方式且在“孤立”方式下运行, 用微机调速器试验软件, 分别设定几组不同的Bt、Td、Tn数值, 改变频率给定Fg, 观察机组频率的超调量、调节次数、以及调节时间是否满足国标要求, 并录取机组转速、接力器行程等的过渡过程试验曲线, 选取转速摆动值和超调量较小、波动次数少、稳定速度快的一组调节参数作为运行参数[4]。

3.2 不同Bt、Td、Tn值下的扰动过程曲线

(1) BpBp=6.0%、BtBt=20.0%、TdTd=14.0 (S) 、TnTn=1.0 (S) 、FgFg=50.00Hz扰动曲线。

从图1中可以看出, Tn取值较大, 扰动后的稳定性较好, 但在扰动到稳定过程中很不稳定, 使接力器不断波动, 原因为Bt、Td取值小而造成, 可适当增大其取值。

(2) Bp=6.0%、Bt=50.0%、Td=15.0 (S) 、Tn=0.3 (S) 、Fg=50.00Hz, 扰动曲线。

如图2所示:适当增大Bt、Td、Tn取值后, 从试验曲线看出, 整个调节过程变得平滑稳定, 超调量小于规定:1.2Hz[超调量=], 调节时间符合要求, 是一组适用的运行参数。

(3) Bp=6.0%、Bt=35.0%、Td=10.0 (S) 、Tn=0.1 (S) 、Fg=50.00Hz, 扰动曲线。

如图3所示:此组参数的Td、Tn均小于上述两组之值, 曲线扰动后较长时间不能达到稳定, 进入稳定的时间较长不满足要求。

比较以上几组运行参数, 图2所示的Bt=50.0%、Td=15.0 (S) 、Tn=0.3 (S) 是一组超调量、调节次数、以及调节时间均满足国标要求的参数, 因此可作为调器速的最优运行参数。

4 运行参数的选择与分析

要得到一组最优的PID运行参数, 必须通过曲线不断合理选择搭配Bt、Bd、Tn三者之间的值。对于机组空载工况下的频率给定阶跃扰动过程:Td和Tn对其超调量起着决定的作用, 当过程超调量大时, 应选用较大的Td和Tn值, 以缩小过程超调量;对于过程的稳定时间而言, Bt取值的增大有加长稳定时间的趋势, 选取较大的Td和Tn值, 由于过程超调量明显减少而使调节稳定时间有一定程度的缩短。只有在了解Bt、Td、Tn参数值对动态性能指标影响的基础上, 注意它们的合理搭配, 才能得到较好的快速而近似单调的动态响应特性。

对于Kp、KI、Kd来说:KP=1/Bt一旦产生误差, 比例控制器将使被控制量朝减少的方向变化, 控制作用取决于KP, 加大KP可减少静差, 但过大会导致动态性能变坏, 造成系统不稳定, 此过程也可改变Bt来实现;它能对误差进行记忆并积分, 有利于消除静差, 但它具有滞后特性, 其控制作用太强会使系统不稳定;它能对误差进行微分使超调量减少, 增加系统的稳定性。在搭配总体合适的前提下, 选取较小的KI和Kd值, 可以显著地减少空载工况阶跃扰动响应特性的超调量, 从而可能缩短动态过程的调节稳定时间。