專利名稱：梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行控制調節(jié)器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于水電站運行控制技術領域背景技術目前，水電站的調節(jié)系統(tǒng)均采用PID調速器，在電力系統(tǒng)的負荷發(fā)生變化、機組轉速出現(xiàn)偏差時進行調節(jié)，相應改變機組流量，使改變后的水輪機水力矩與發(fā)電機負荷阻力矩達到新的平衡，以維持頻率(機組轉速)在規(guī)定的范圍內。
常規(guī)電站由于站前庫容大，在受到負荷干擾后進行頻率調節(jié)時，可以認為水庫水位不變，采用PID調速器，根據(jù)負荷變化，調節(jié)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(wěn)定，保證頻率穩(wěn)定在電力系統(tǒng)要求的范圍內。由于電站前有較大緩沖庫容，電站的調節(jié)對于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(fā)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(fā)水電資源。目前在我國，特別是西部的河流上規(guī)劃了一些電站間沒有調節(jié)庫容僅用明渠和管道連接或者調節(jié)庫容很小的梯級電站，該類電站系統(tǒng)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(lián)電站。由于電站之間的可調節(jié)庫容小或者沒有可調節(jié)庫容，在受到負荷干擾以后不僅要進行頻率的調節(jié)，也要進行串聯(lián)電站間的流量平衡調節(jié)。
對于站前調節(jié)庫容小或者沒有調節(jié)庫容的半開式梯級串聯(lián)電站，采用常規(guī)水電站的調節(jié)方式，當各級電站采用獨立的PID調速器控制機組時，由于PID調速器只能反饋機組轉速，因此只能在機組轉速發(fā)生偏差的情況下進行轉速調節(jié)，對于系統(tǒng)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的總流量相等，不能改變站間流量不平衡的情況。在此情況下，由于站間庫容小或者沒有調節(jié)庫容，電站間的水庫或明渠的水位因其進出流量的持續(xù)不平衡而導致水面不能穩(wěn)定，將出現(xiàn)緩慢的持續(xù)下降或上升，其快慢取決于上下游電站間流量差以及調節(jié)庫容的大小，最終將導致站間水庫或明渠出現(xiàn)溢流或漏底的情況，不能使電站穩(wěn)定運行。由于該類梯級串聯(lián)電站調節(jié)目標的特殊性，即在電站受到負荷干擾以后不僅要進行頻率調節(jié)，也要進行串聯(lián)電站間的流量平衡調節(jié)，而傳統(tǒng)的PID調節(jié)方式為單輸入/單輸出閉環(huán)控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，只關心輸出結果一個量(被調節(jié)量)，因此，采用傳統(tǒng)的PID控制調速器只反饋轉速的做法不能滿足該類串聯(lián)電站系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動態(tài)品質的要求。
本發(fā)明即是在半開式梯級串聯(lián)電站系統(tǒng)聯(lián)合運行、聯(lián)合調節(jié)的情況下，以串聯(lián)電站群為整體對外電網(wǎng)輸送電力，建立半開式梯級串聯(lián)電站的聯(lián)合運行控制調節(jié)器，在外界電網(wǎng)負荷干擾時，同時調節(jié)機組轉速和站間流量平衡，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能同時進行流量調節(jié)和轉速調節(jié)以能使整個串聯(lián)電站群的總負荷在站間流量平衡基礎上進行分配的梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行控制的調節(jié)器。
本發(fā)明的特征在于梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行控制調節(jié)器，其特征在于，該調節(jié)器是設置在所述梯級串聯(lián)電站中的每一臺機組i上的用于計算機組調整規(guī)律的微型數(shù)字計算機或數(shù)字集成電路芯片，設n是該梯級串聯(lián)電站內機組的總臺數(shù)，i為機組序號，在所述的每一數(shù)字集成電路或數(shù)字計算機上依次設有第1比較器、微分運算環(huán)節(jié)、第2比較器、第1積分運算環(huán)節(jié)、第3比較器以及第2積分運算環(huán)節(jié)，其中第1比較器，有n個，該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(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時機組額定轉速的偏差值相對于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時機組額定轉速的比值，通過機組的測頻電路獲得；Ui，機組i的控制變量，為該機組調節(jié)所需的反饋的狀態(tài)量的加權和，i＝1，…，n，用下式表達Ui=Σj=1mKijuij]]>其中，uij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(jié)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(tài)量，Kij為相應的各反饋的狀態(tài)量uij的設定的反饋系數(shù)，j＝1，…，m，m為對應于第i個機組的所需的反饋的狀態(tài)量個數(shù)；微分運算環(huán)節(jié)，有n個，該環(huán)節(jié)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，KDi為機組i的復歸塊增益，TDi為機組i的復歸塊時間常數(shù)，單位為s，所述微分運算環(huán)節(jié)是一個復歸塊，用以清除第1比較器輸出中的穩(wěn)態(tài)殘留偏差，當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)時該復歸塊的輸出為0；
第2比較器，有n個，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(huán)節(jié)的輸出值；bpP，其中，P為該梯級串聯(lián)電站所有運行機組總功率的偏差相對值，P=(Σi=1mpi-p)/p,]]>即為整個梯級串聯(lián)電站運行機組的總功率與整個梯級串聯(lián)電站系統(tǒng)額定總功率P的偏差值相對于整個梯級串聯(lián)電站系統(tǒng)額定總功率p的比值，通過機組的功率測量回路得到；pi為該串聯(lián)電站第i臺機組出力，bp為整個梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行系統(tǒng)的永態(tài)轉差系數(shù)，是一設定值。
所述第2比較器的輸出是前述相應微分運算環(huán)節(jié)輸出與x和bpP兩個信號之差值；第1積分運算環(huán)節(jié)，有n個，該環(huán)節(jié)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，Tmi為機組i的液壓放大裝置的時間常數(shù)，單位為s；第3比較器，有n個，該比較器輸入端與所述相應的第1積分運算環(huán)節(jié)的輸出端相連；第2積分運算環(huán)節(jié)，有n個，該環(huán)節(jié)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，Tyi機組i的接力器時間常數(shù)，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，yi為機組i的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i臺機組的接力器行程的偏差相對值，i＝1，…，n。
為了驗證所設計的調節(jié)器對系統(tǒng)的實際控制作用，對某半開式梯級串聯(lián)電站按照本發(fā)明建立了其聯(lián)合運行控制調節(jié)器，并將設計的控制調節(jié)器嵌入到系統(tǒng)的非線性仿真中，仿真計算結果證明該調節(jié)器可以實現(xiàn)串聯(lián)電站的穩(wěn)定運行，而且在調整系統(tǒng)轉速的同時使系統(tǒng)流量平衡。


圖1，梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行控制調節(jié)原理框2，電站靜特性圖3，復歸環(huán)節(jié)方塊4，某梯級電站輸水系統(tǒng)布置示意5，電站機組轉速-時間曲線6，1#機組流量-時間曲線7，3#機組流量-時間曲線8，5#機組流量-時間曲線9，一級電站上游調壓井水位-時間曲線10，二級電站上游匯水池水位-時間曲線11，二級電站上游調節(jié)池水位-時間曲線12，二級電站上游調壓井水位-時間曲線13，三級電站上游匯水池水位-時間曲線14，三級電站上游調節(jié)池水位-時間曲線15，三級電站上游調壓井水位-時間曲線圖具體實施方式
半開式梯級串聯(lián)電站系統(tǒng)，由于有些電站之間的可調節(jié)庫容很小或者沒有可調節(jié)庫容，在受到負荷干擾以后不僅需要進行頻率的調節(jié)，還必須進行串聯(lián)電站間的流量平衡調節(jié)。對這樣的串聯(lián)電站系統(tǒng)采用常規(guī)的水輪機PID調速器，是不能使其穩(wěn)定運行的，所以這樣的串聯(lián)電站群由于水力系統(tǒng)聯(lián)系緊密，必須聯(lián)合運行，而且要進行聯(lián)合調節(jié)。即通過本發(fā)明建立的半開式梯級串聯(lián)電站的聯(lián)合運行控制調節(jié)器，實現(xiàn)外電網(wǎng)對整個串聯(lián)電站群要求一個總負荷，而每臺機組承擔的負荷，通過調節(jié)器在保證站間流量平衡的基礎上分配。
某半開式梯級串聯(lián)電站由三級沖擊式電站構成，電站間有匯水池和調節(jié)池，通過倒虹吸管道或無壓尾水隧洞聯(lián)接，每級電站設置上游調壓井，梯級電站的輸水系統(tǒng)布置簡圖如圖4所示，各電站機組額定參數(shù)見表1。
表1 各級電站機組額定參數(shù)

半開式梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行控制調節(jié)器的方塊圖如圖1所示。
假設梯級串聯(lián)電站中機組臺數(shù)為n，以下對圖1的調節(jié)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(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時機組轉速的偏差的相對值，通過機組的測頻回路測得；P-梯級串聯(lián)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(lián)電站運行機組的總功率與系統(tǒng)額定總功率的偏差值相對于整個梯級串聯(lián)電站系統(tǒng)額定總功率的比值，通過機組的功率測量回路得到；Ui-第i臺機組的控制變量，為所需反饋狀態(tài)量的加權和。Ui=Σj=1mKijuij,]]>其中，uij為機組i的轉速偏差相對值、或接力器行程偏差相對值、或站間調節(jié)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(tài)量，Kij為相應的uij的反饋系數(shù)，j＝1，2，...m，m為對應第i臺機組的所需的反饋的狀態(tài)量個數(shù)，所需的反饋的狀態(tài)量和其反饋系數(shù)根據(jù)實際情況確定。
yi-第i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i臺機組的接力器行程的偏差相對值，i＝1，2，3，...n；bp-為傳遞環(huán)節(jié)的系數(shù)，稱為永態(tài)轉差系數(shù)，反映電站的靜態(tài)調差率。
機組在電網(wǎng)運行時，調節(jié)器需具有一定的靜態(tài)調差率才能明確其負荷分配，常規(guī)水電站中機組調差率滿足xl＝-bplyl，其中xl、yl、bpl分別為各臺機組的轉速、導葉開度偏差相對值及永態(tài)轉差系數(shù)，l為機組編號，每臺機組都設置有永態(tài)轉差系數(shù)。但是，梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行時，作為一個整體對外電網(wǎng)輸出功率，電站機組功率在站間流量平衡的基礎上分配，各機組轉速相對于其各自額定轉速的相對值相同。如果按常規(guī)方法給定機組調差率，則梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行系統(tǒng)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(jié)相矛盾，導致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。因此，在梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行系統(tǒng)中，本發(fā)明給出了針對整個電站聯(lián)合運行系統(tǒng)的永態(tài)轉差系數(shù)，聯(lián)合運行時系統(tǒng)按x＝-bpP對功率進行調節(jié)。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(wěn)態(tài)時的轉速和電站總功率之間具有一一對應的關系，如圖2所示。
為方便說明，以下給出一些狀態(tài)量的符號定義。y1、y2、y3、y4、y5、y6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、三級電站各自的上游調壓井水位偏差相對值，Hs2、Hs3為二級電站上游匯水池、調節(jié)池水位偏差相對值，由于二級電站上游的匯水池、調節(jié)池通過較短的虹吸管道連接，匯水池、調節(jié)池水位波動接近，所以僅采用調節(jié)池的水位偏差相對值Hs3，Hs5、Hs6分別為三級電站上游匯水池、調節(jié)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(jié)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(tài)量及其對應的反饋系數(shù)見表2，表中，U1、U2、U3、U4、U5、U6分別為各臺機組的控制量輸入，由各臺機組的反饋狀態(tài)量乘反饋系數(shù)相加得到。
表2系統(tǒng)狀態(tài)反饋量降維結果

KDi-第i臺機組復歸塊增益；TDi-第i臺機組復歸塊時間常數(shù)，單位為s；電站機組控制調節(jié)器的控制變量U是由多個狀態(tài)量的線性組合而成，為避免狀態(tài)量的引入而產生較大的靜態(tài)誤差，采用工程上常用的復歸環(huán)節(jié)來清除其穩(wěn)態(tài)殘留偏差。復歸環(huán)節(jié)實際上是一個實際微分環(huán)節(jié)，其方塊圖如圖3所示。當達到穩(wěn)態(tài)時，復歸環(huán)節(jié)輸出為0，當輸入變化較劇烈時，起比例環(huán)節(jié)的作用。
Tmi-第i臺機組液壓放大裝置時間常數(shù)，單位為s；
表1玻璃料組分(占總玻璃組合物的重量百分比)

權利要求
1.梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行控制調節(jié)器，其特征在于，該調節(jié)器是設置在所述梯級串聯(lián)電站中的每一臺機組i上的用于計算機組調整規(guī)律的微型數(shù)字計算機或數(shù)字集成電路芯片，設n是該梯級串聯(lián)電站內機組的總臺數(shù)，i為機組序號，在所述的每一數(shù)字集成電路或數(shù)字計算機上依次設有第1比較器、微分運算環(huán)節(jié)、第2比較器、第1積分運算環(huán)節(jié)、第3比較器以及第2積分運算環(huán)節(jié)，其中第1比較器，有n個，該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(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時機組額定轉速的偏差值相對于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時機組額定轉速的比值，通過機組的測頻電路獲得；Ui，機組i的控制變量，為該機組調節(jié)所需的反饋的狀態(tài)量的加權和，i＝1，…，n，用下式表達Ui=Σj=1mKijuij]]>其中，uij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(jié)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(tài)量，Kij為相應的各反饋的狀態(tài)量uij的設定的反饋系數(shù)，j＝1，…，m，m為對應于第i個機組的所需的反饋的狀態(tài)量個數(shù)；微分運算環(huán)節(jié)，有n個，該環(huán)節(jié)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，KDi為機組i的復歸塊增益，TDi為機組i的復歸塊時間常數(shù)，單位為s，所述微分運算環(huán)節(jié)是一個復歸塊，用以清除第1比較器輸出中的穩(wěn)態(tài)殘留偏差，當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)時該復歸塊的輸出為0；第2比較器，有n個，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(huán)節(jié)的輸出值；bpP，其中，P為該梯級串聯(lián)電站所有運行機組總功率的偏差相對值，P=(Σi=1mpi-p)/p,]]>即為整個梯級串聯(lián)電站運行機組的總功率與整個梯級串聯(lián)電站系統(tǒng)額定總功率p的偏差值相對于整個梯級串聯(lián)電站系統(tǒng)額定總功率p的比值，通過機組的功率測量回路得到；pi為該串聯(lián)電站第i臺機組出力，bp為整個梯級串聯(lián)電站聯(lián)合運行系統(tǒng)的永態(tài)轉差系數(shù)，是一設定值。所述第2比較器的輸出是前述相應微分運算環(huán)節(jié)輸出與x和bpP兩個信號之差值；第1積分運算環(huán)節(jié)，有n個，該環(huán)節(jié)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，Tmi為機組i的液壓放大裝置的時間常數(shù)，單位為s；第3比較器，有n個，該比較器輸入端與所述相應的第1積分運算環(huán)節(jié)的輸出端相連；第2積分運算環(huán)節(jié)，有n個，該環(huán)節(jié)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，Tyi為機組i的接力器時間常數(shù)，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，yi為機組i的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i臺機組的接力器行程的偏差相對值，i＝1，…，n。
全文摘要
本發(fā)明屬于水電站運行控制技術領域，其特征在于該調節(jié)器是在引入轉速偏差相對值進行調節(jié)的基礎上再輔以所述梯級電站系統(tǒng)部分狀態(tài)量權值之和，經(jīng)過比較，作為系統(tǒng)的控制量，利用復歸環(huán)節(jié)(實際微分環(huán)節(jié))消除穩(wěn)態(tài)殘差。并以設定的該梯級電站系統(tǒng)的永態(tài)轉差系數(shù)與該梯級串聯(lián)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偏差相對值作比較，該比較量用以確定轉速的靜態(tài)誤差，從而使該梯級串聯(lián)電站總功率與穩(wěn)態(tài)頻率(轉速)之間具有一一對應的關系，以實現(xiàn)外部電力系統(tǒng)對該串聯(lián)電站的負荷分配。而機組間的出力分配，通過保證站間流量平衡的調節(jié)來完成。
文檔編號E02B9/00GK1862912SQ20061007624
公開日2006年11月15日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權日2006年4月21日
發(fā)明者樊紅剛, 陳乃祥, 朱淵岳 申請人:清華大學