利用调压井水位反馈的一管多机水轮发电系统调速控制回路及方法

摘要

本发明公开了利用调压井水位反馈的一管多机水轮发电系统调速控制回路及方法，涉及水轮发电系统的调速控制技术。本发明技术要点包括调压井水位反馈回路；调压井水位反馈回路用于当系统中出现较大水压扰动时，机组调速系统可以根据调压井中的水位反馈信号，对调速系统输出进行补偿控制；从而实现对系统水压波动的抑制，避免水压上升过快引起的系统震荡现象，增强系统的能控性，从而实现系统过渡过程的稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及水轮发电技术领域，尤其是一管多机发电系统的控制方法。

背景技术

参见图1，一管多机(指一根引水总管分别给几台发电机组供水的水力发电系统，如附图1)水轮发电系统的工作原理是通过引水廊道、调压井将水库中水引入各个压力钢管，最后到达各个水轮发电机，水力推动水轮发电机的转子转动进而发电。各个发电机分别对应一台调速器，调速器接收控制信号并据其控制发电机导叶的开度进而改变推动发电机转子的水流量，最后达到控制发电机发电功率的目的。

在发电过程中，如果某个发电机出现甩负荷或者负荷大范围波动时，将会引起引水系统内水压出现大范围波动，由于一管多机系统通常具有较长的引水管道，从而产生较强的水击现象；当水击在引水系统中传播时，根据水轮机数学方程和水轮机转矩方程：

式中：J-机组转动部分的惯性矩(kg·m2)；

ω-机组转动角速度(rad/s)；

M_t-水轮机转矩(N·m)；

M_g-发电机负荷阻力矩(负载转矩)(N·m)；

Q-通过水轮机的流量(m3/s)；

H-水轮机净水头(m)；

η-水轮机效率；

ρ-水的密度(g/m3)。

机组甩负荷时会引起系统水压(对应式(2)中净水头H)的大范围波动甚至震荡，从式(2)可以看出水头H的大范围波动会引起水轮机转矩M_t出现大范围波动甚至震荡；而M_t的波动或震荡将直接引起机组负荷阻力矩M_g或者机组转速ω的波动和震荡，参见公式(1)，危害系统安全运行。

调压井在一定程度上可以抑制机组甩负荷来带的震荡，目前对于一管多机系统的调压井断面面积选择一般套用托马准则，即公式(3)，没有考虑其他机组对系统稳定的影响；所以现有的一管多机系统，调压井一般都需要很大的工程开挖量，会成比例的增加整个水电站的建设投资。

根据托马临界断面积公式：

式中：A_t-引水廊道断面积；

L_t-引水廊道长度；

H₀-净水头；

α-水库到调压井之间的水头损失系数；

h_t-引水廊道水头损失；

h_p-压力钢管水头损失；

g-重力加速度。

发明内容

本发明针对一管多机系统，如图1所示，在机组调速系统中引入调压井水位反馈，通过引入水位(水压)反馈，使系统在出现大幅水压波动时，系统中 其他机组可以根据水压波动强度，对其调速系统输入的控制信号输出进行补偿，这时当一台机组甩负荷时，其他机组会对压力波动起到迅速疏导作用，抑制系统水压波动以及系统震荡；使系统可以稳定安全运行。

本发明提供的利用调压井水位反馈的一管多机水轮发电系统调速控制回路，包括调压井水位反馈回路；调压井水位反馈回路用于输出反应调压井水位高低的反馈信号，所述反馈信号和水轮发电系统的调速器输出的控制信号进行叠加，得到最终的调速控制信号。

进一步，所述调压井水位反馈回路包括去噪环节、惯性环节、减法器、信号处理单元及调节限幅单元；

所述去噪环节的输入端与惯性环节的输入端均与调压井中的水位传感器连接；

去噪环节的输出端与减法器的第一输入端连接，惯性环节的输出端与减法器的第二输入端连接，信号处理单元的输出端与减法器的第三输入端连接；减法器用于从去噪环节的输出信号中减去惯性环节的输出信号及信号处理单元的输出信号；

减法器的输出端与信号处理单元的输入端连接；信号处理单元的输出端与调节限幅单元的输入端连接；所述信号处理单元用于对输入信号进行PID运算或者PI运算；

所述调节限幅单元用于判断信号处理单元的输出信号是否超过设定范围，若超过则将信号处理单元的输出信号进行限制后再输出，若不超出则直接将信号处理单元的输出信号输出。

进一步，所述调节限幅单元用于判断信号处理单元输出的信号是否在[a，b]之间，若在则直接将信号处理单元输出的信号输出，若信号处理单元输出的信号小于a，则输出a，若信号处理单元输出的信号大于b，则输出b。

进一步，所述a取1％，b取5％。

本发明还提供了一种利用调压井水位反馈的一管多机水轮发电系统调速 控制方法，包括调压井水位反馈控制方法；将调压井水位反馈控制方法得到的反应调压井水位高低的反馈信号与水轮发电系统的调速器输出的控制信号叠加后再作为最终的调速控制信号。

进一步，所述调压井水位反馈控制方法包括：

去噪步骤，去除调压井中的水位传感器的输出信号中的噪声；

惯性步骤，根据调压井中的水位传感器的输出信号实时跟踪调压井中的稳定水位；

减法步骤，计算去噪步骤的结果与惯性步骤、信号处理步骤结果的差值；

信号处理步骤，对减法步骤的结果进行PID运算或者PI运算；

调节限幅步骤，判断信号处理步骤的输出结果是否大于设定范围，若超过则将信号处理步骤的结果进行限制后再输出，若不超出则直接将信号处理步骤的结果直接输出。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、当系统中出现一台发电机甩负荷或者负荷大范围波动时，其他机组可以根据回路补偿信号对系统波动进行疏导，起到抑制波动的作用，提高系统稳定性。

2、有效减少系统水击强度提高时系统过渡过程稳定性，从而减小系统过渡过程对调压井调节能力的依赖，可以减小调压井的直径，大幅降低工程造价。

3、打破了一管多机水轮发电系统中各机组间的正相关特性，通过适当的调节参数可以使其他机组和甩负荷机组间产生负相关，对系统波动产生抑制作用，使系统将变成一个更加鲁棒，更加稳定的系统。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为一管多机水轮发电系统示意图。

图2为本法中调压井水位反馈回路原理框图。

图3为加入调压井水位反馈回路的一管多机水轮发电系统仿真图。

图4～图6为仿真效果图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

装置实施例

如图2所示，本发明中的调压井水位反馈回路，包括去噪环节、惯性环节、减法器、信号处理单元及调节限幅单元。

所述去噪环节的输入端与惯性环节的输入端均与调压井中的水位传感器连接。

在一个具体实施例中，去噪环节为一个低通滤波器，用于滤除调压井水位传感器输出信号中的高频噪声。

惯性环节用于根据水位传感器输出的水位信号跟踪调压井的稳定水位。

去噪环节的输出端与减法器的第一输入端连接，惯性环节的输出端与减法器的第二输入端连接，信号处理单元的输出端与减法器的第三输入端连接；减法器用于从去噪环节的输出信号中减去惯性环节的输出信号及信号处理单元的输出信号，得到引入具有反馈的调压井水位变化值。

减法器的输出端与信号处理单元的输入端连接；信号处理单元的输出端与调节限幅单元的输入端连接；所述信号处理单元根据调压井水位变化情况计算反馈补充强度，一个具体实施例中，信号处理单元采用传统的PID算法对输入信号进行处理，得到补偿控制信号。在其他实施例中，信号处理单元还可以采 用PI算法对输入信号进行处理，得到补偿控制信号。

考虑到，信号处理单元输出的信号可能会过大从而引起系统控制过程中的不稳定问题，因此还需要加入调节限幅单元，用于判断信号处理单元的输出信号是否超过设定范围，若超过则将信号处理单元的输出信号进行限制后再输出，若不超出则直接将信号处理单元的输出信号输出。

在其他具体实施例中，所述调节限幅单元用于判断信号处理单元输出的信号是否在[a，b]之间，若在则直接将信号处理单元输出的信号输出，若信号处理单元输出的信号小于a，则输出a，若信号处理单元输出的信号大于b，则输出b。优选的，所述a取1％，b取5％。

实际应用时，上述调压井水位反馈回路是接在一管多机水轮发电系统中的，具体的，反馈回路输出的补偿信号与水轮发电系统调速器输出的控制信号叠加后得到最终的调速控制信号。

方法实施例

本发明还提供了一种调压井水位反馈控制方法，包括：

去噪步骤，去除调压井中的水位传感器的输出信号中的噪声；一个具体实施例中，采用低通滤波，滤除水位传感器输出信号中的高频噪声。

惯性步骤，根据调压井中的水位传感器的输出信号实时跟踪调压井中的稳定水位。

减法步骤，计算去噪步骤的结果与惯性步骤、信号处理步骤结果的差值。

信号处理步骤，对减法步骤的结果进行PID运算或PI运算。

调节限幅步骤，判断信号处理步骤的输出结果是否大于设定范围，若超过则将信号处理步骤的结果进行限制后再输出，若不超出则直接将信号处理步骤的结果直接输出。

在其他具体实施例中，所述调节限幅步骤判断信号处理步骤的结果是否在[a，b]之间，若在则直接将信号处理步骤的结果输出，若信号处理步骤的结果小于a，则输出a，若信号处理步骤的结果大于b，则输出b。同样的，所述a优选取1％，b优选取5％。

实际应用时，将上述反馈控制方法得到的补偿信号与调速器输出的控制信号叠加后得到最终的调速控制信号。

仿真实验

一管多机水轮发电系统是一个非常复杂的系统网络，任何一个机组的波动都会对其他机组的运行产生影响，用理论计算来证明引入调压井水位反馈回路对系统稳定性的影响是一件非常困难的事情，所以这里采用系统仿真的方法进行验证。仿真模型系统框图如图3。

其中，LBloop为调压井水位反馈回路；GOV1和GOV2分别模拟一管多机系统中的2台调速器；HY1为一管多机系统的引水系统，包含引水廊道，调压井及压力钢管等系统的模型；Sych为并网环节，NET为电网模拟，除了Lbloop外，仿真系统中的其他模块均采用传统模型，其之间的连接方式也是本领域技术人员知晓的方式，在此不再详述。

调速器中，Pi为基础功率反馈信号输入，Pset为功率设置，fi为机组/电网频率反馈，fset为100％的工频，LB调压井水位反馈回路LBloop输出的补偿信号，实际工程中LBloop的功能集成在调速器中，GCB为开关使能信号，调速器的输出为导叶开度控制信号。引水系统中，Hs为调压井水位传感器输出信号，Pg为发电功率。

这里以某电站为例进行仿真，该电站5台机总装机容量占电网总容量的80％(类似于孤网)，系统其他主要参数：水头H＝200m，单机容量Pr＝187MW，引水廊道面积At＝95m2，引水廊道长度Lt＝1143m，压力钢管面积Ap＝46m2，流量Q＝10m3(H＝200m)，机组惯性时间常数Ta＝7.5。

根据托马准则(公式(3))，该电站调压井直径应不小于24m，当调压井直径缩小到18m时，通过仿真发现发电系统不能稳定，但是当时当引入调压井反馈回路后系统将可以稳定运行。仿真过程中我们始终保持调速器参数不变(Kp＝2，Ki＝0.08，Kd＝0.1，电网自调节系数为0.2)即只考虑LBloop对系统稳定性的影响。

图4显示的是当调压井直径为24m时，未引入调压井水位反馈回路时发 电系统单机甩负荷时输出电力的频率变化。图中横坐标为时间，纵坐标为频率，单位是Hz。

图5显示的是当调压井直径为18m，未引入调压井水位反馈回路时，发电系统单机甩负荷时输出电力的频率变化。

图6显示的是当调压井直径为18m，引入调压井水位反馈回路时，发电系统单机甩负荷时输出电力的频率变化。

从仿真结论可以看出，当调压井直径为24m时，即使未引入调压井水位反馈回路，发电系统仍然可以稳定运行；当调压井直径缩减到18m时，发电系统不能稳定，并产生震荡；当18m调压井系统中引入调压井水位反馈回路时，系统可以稳定，而且系统波动迅速收敛；从而证明当一管多机系统中引入本发明中的调压井水位反馈时，当大幅缩减调压井直径降低工程造价时，发电系统仍然可以稳定，发电系统应对大波动的能力增强，系统稳定性增强。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。