本發(fā)明涉及水輪發(fā)電技術領域，尤其是一管多機發(fā)電系統(tǒng)的控制方法。

背景技術：

參見圖1，一管多機(指一根引水總管分別給幾臺發(fā)電機組供水的水力發(fā)電系統(tǒng)，如附圖1)水輪發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是通過引水廊道、調壓井將水庫中水引入各個壓力鋼管，最后到達各個水輪發(fā)電機，水力推動水輪發(fā)電機的轉子轉動進而發(fā)電。各個發(fā)電機分別對應一臺調速器，調速器接收控制信號并據(jù)其控制發(fā)電機導葉的開度進而改變推動發(fā)電機轉子的水流量，最后達到控制發(fā)電機發(fā)電功率的目的。

在發(fā)電過程中，如果某個發(fā)電機出現(xiàn)甩負荷或者負荷大范圍波動時，將會引起引水系統(tǒng)內(nèi)水壓出現(xiàn)大范圍波動，由于一管多機系統(tǒng)通常具有較長的引水管道，從而產(chǎn)生較強的水擊現(xiàn)象；當水擊在引水系統(tǒng)中傳播時，根據(jù)水輪機數(shù)學方程和水輪機轉矩方程：

式中：j-機組轉動部分的慣性矩(kg·m2)；

ω-機組轉動角速度(rad/s)；

mt-水輪機轉矩(n·m)；

mg-發(fā)電機負荷阻力矩(負載轉矩)(n·m)；

q-通過水輪機的流量(m3/s)；

h-水輪機凈水頭(m)；

η-水輪機效率；

ρ-水的密度(g/m3)。

機組甩負荷時會引起系統(tǒng)水壓(對應式(2)中凈水頭h)的大范圍波動甚至震蕩，從式(2)可以看出水頭h的大范圍波動會引起水輪機轉矩mt出現(xiàn)大范圍波動甚至震蕩；而mt的波動或震蕩將直接引起機組負荷阻力矩mg或者機組轉速ω的波動和震蕩，參見公式(1)，危害系統(tǒng)安全運行。

調壓井在一定程度上可以抑制機組甩負荷來帶的震蕩，目前對于一管多機系統(tǒng)的調壓井斷面面積選擇一般套用托馬準則，即公式(3)，沒有考慮其他機組對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響；所以現(xiàn)有的一管多機系統(tǒng)，調壓井一般都需要很大的工程開挖量，會成比例的增加整個水電站的建設投資。

根據(jù)托馬臨界斷面積公式：

式中：at-引水廊道斷面積；

lt-引水廊道長度；

h0-凈水頭；

α-水庫到調壓井之間的水頭損失系數(shù)；

ht-引水廊道水頭損失；

hp-壓力鋼管水頭損失；

g-重力加速度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對一管多機系統(tǒng)，如圖1所示，在機組調速系統(tǒng)中引入調壓井水位反饋，通過引入水位(水壓)反饋，使系統(tǒng)在出現(xiàn)大幅水壓波動時，系統(tǒng)中 其他機組可以根據(jù)水壓波動強度，對其調速系統(tǒng)輸入的控制信號輸出進行補償，這時當一臺機組甩負荷時，其他機組會對壓力波動起到迅速疏導作用，抑制系統(tǒng)水壓波動以及系統(tǒng)震蕩；使系統(tǒng)可以穩(wěn)定安全運行。

本發(fā)明提供的利用調壓井水位反饋的一管多機水輪發(fā)電系統(tǒng)調速控制回路，包括調壓井水位反饋回路；調壓井水位反饋回路用于輸出反應調壓井水位高低的反饋信號，所述反饋信號和水輪發(fā)電系統(tǒng)的調速器輸出的控制信號進行疊加，得到最終的調速控制信號。

進一步，所述調壓井水位反饋回路包括去噪環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、減法器、信號處理單元及調節(jié)限幅單元；

所述去噪環(huán)節(jié)的輸入端與慣性環(huán)節(jié)的輸入端均與調壓井中的水位傳感器連接；

去噪環(huán)節(jié)的輸出端與減法器的第一輸入端連接，慣性環(huán)節(jié)的輸出端與減法器的第二輸入端連接，信號處理單元的輸出端與減法器的第三輸入端連接；減法器用于從去噪環(huán)節(jié)的輸出信號中減去慣性環(huán)節(jié)的輸出信號及信號處理單元的輸出信號；

減法器的輸出端與信號處理單元的輸入端連接；信號處理單元的輸出端與調節(jié)限幅單元的輸入端連接；所述信號處理單元用于對輸入信號進行pid運算或者pi運算；

所述調節(jié)限幅單元用于判斷信號處理單元的輸出信號是否超過設定范圍，若超過則將信號處理單元的輸出信號進行限制后再輸出，若不超出則直接將信號處理單元的輸出信號輸出。

進一步，所述調節(jié)限幅單元用于判斷信號處理單元輸出的信號是否在[a，b]之間，若在則直接將信號處理單元輸出的信號輸出，若信號處理單元輸出的信號小于a，則輸出a，若信號處理單元輸出的信號大于b，則輸出b。

進一步，所述a取1％，b取5％。

本發(fā)明還提供了一種利用調壓井水位反饋的一管多機水輪發(fā)電系統(tǒng)調速 控制方法，包括調壓井水位反饋控制方法；將調壓井水位反饋控制方法得到的反應調壓井水位高低的反饋信號與水輪發(fā)電系統(tǒng)的調速器輸出的控制信號疊加后再作為最終的調速控制信號。

進一步，所述調壓井水位反饋控制方法包括：

去噪步驟，去除調壓井中的水位傳感器的輸出信號中的噪聲；

慣性步驟，根據(jù)調壓井中的水位傳感器的輸出信號實時跟蹤調壓井中的穩(wěn)定水位；

減法步驟，計算去噪步驟的結果與慣性步驟、信號處理步驟結果的差值；

信號處理步驟，對減法步驟的結果進行pid運算或者pi運算；

調節(jié)限幅步驟，判斷信號處理步驟的輸出結果是否大于設定范圍，若超過則將信號處理步驟的結果進行限制后再輸出，若不超出則直接將信號處理步驟的結果直接輸出。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是：

1、當系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺發(fā)電機甩負荷或者負荷大范圍波動時，其他機組可以根據(jù)回路補償信號對系統(tǒng)波動進行疏導，起到抑制波動的作用，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2、有效減少系統(tǒng)水擊強度提高時系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性，從而減小系統(tǒng)過渡過程對調壓井調節(jié)能力的依賴，可以減小調壓井的直徑，大幅降低工程造價。

3、打破了一管多機水輪發(fā)電系統(tǒng)中各機組間的正相關特性，通過適當?shù)恼{節(jié)參數(shù)可以使其他機組和甩負荷機組間產(chǎn)生負相關，對系統(tǒng)波動產(chǎn)生抑制作用，使系統(tǒng)將變成一個更加魯棒，更加穩(wěn)定的系統(tǒng)。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1為一管多機水輪發(fā)電系統(tǒng)示意圖。

圖2為本法中調壓井水位反饋回路原理框圖。

圖3為加入調壓井水位反饋回路的一管多機水輪發(fā)電系統(tǒng)仿真圖。

圖4～圖6為仿真效果圖。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

裝置實施例

如圖2所示，本發(fā)明中的調壓井水位反饋回路，包括去噪環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、減法器、信號處理單元及調節(jié)限幅單元。

所述去噪環(huán)節(jié)的輸入端與慣性環(huán)節(jié)的輸入端均與調壓井中的水位傳感器連接。

在一個具體實施例中，去噪環(huán)節(jié)為一個低通濾波器，用于濾除調壓井水位傳感器輸出信號中的高頻噪聲。

慣性環(huán)節(jié)用于根據(jù)水位傳感器輸出的水位信號跟蹤調壓井的穩(wěn)定水位。

去噪環(huán)節(jié)的輸出端與減法器的第一輸入端連接，慣性環(huán)節(jié)的輸出端與減法器的第二輸入端連接，信號處理單元的輸出端與減法器的第三輸入端連接；減法器用于從去噪環(huán)節(jié)的輸出信號中減去慣性環(huán)節(jié)的輸出信號及信號處理單元的輸出信號，得到引入具有反饋的調壓井水位變化值。

減法器的輸出端與信號處理單元的輸入端連接；信號處理單元的輸出端與調節(jié)限幅單元的輸入端連接；所述信號處理單元根據(jù)調壓井水位變化情況計算反饋補充強度，一個具體實施例中，信號處理單元采用傳統(tǒng)的pid算法對輸入信號進行處理，得到補償控制信號。在其他實施例中，信號處理單元還可以采 用pi算法對輸入信號進行處理，得到補償控制信號。

考慮到，信號處理單元輸出的信號可能會過大從而引起系統(tǒng)控制過程中的不穩(wěn)定問題，因此還需要加入調節(jié)限幅單元，用于判斷信號處理單元的輸出信號是否超過設定范圍，若超過則將信號處理單元的輸出信號進行限制后再輸出，若不超出則直接將信號處理單元的輸出信號輸出。

在其他具體實施例中，所述調節(jié)限幅單元用于判斷信號處理單元輸出的信號是否在[a，b]之間，若在則直接將信號處理單元輸出的信號輸出，若信號處理單元輸出的信號小于a，則輸出a，若信號處理單元輸出的信號大于b，則輸出b。優(yōu)選的，所述a取1％，b取5％。

實際應用時，上述調壓井水位反饋回路是接在一管多機水輪發(fā)電系統(tǒng)中的，具體的，反饋回路輸出的補償信號與水輪發(fā)電系統(tǒng)調速器輸出的控制信號疊加后得到最終的調速控制信號。

方法實施例

本發(fā)明還提供了一種調壓井水位反饋控制方法，包括：

去噪步驟，去除調壓井中的水位傳感器的輸出信號中的噪聲；一個具體實施例中，采用低通濾波，濾除水位傳感器輸出信號中的高頻噪聲。

慣性步驟，根據(jù)調壓井中的水位傳感器的輸出信號實時跟蹤調壓井中的穩(wěn)定水位。

減法步驟，計算去噪步驟的結果與慣性步驟、信號處理步驟結果的差值。

信號處理步驟，對減法步驟的結果進行pid運算或pi運算。

調節(jié)限幅步驟，判斷信號處理步驟的輸出結果是否大于設定范圍，若超過則將信號處理步驟的結果進行限制后再輸出，若不超出則直接將信號處理步驟的結果直接輸出。

在其他具體實施例中，所述調節(jié)限幅步驟判斷信號處理步驟的結果是否在[a，b]之間，若在則直接將信號處理步驟的結果輸出，若信號處理步驟的結果小于a，則輸出a，若信號處理步驟的結果大于b，則輸出b。同樣的，所述a優(yōu)選取1％，b優(yōu)選取5％。

實際應用時，將上述反饋控制方法得到的補償信號與調速器輸出的控制信號疊加后得到最終的調速控制信號。

仿真實驗

一管多機水輪發(fā)電系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)網(wǎng)絡，任何一個機組的波動都會對其他機組的運行產(chǎn)生影響，用理論計算來證明引入調壓井水位反饋回路對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響是一件非常困難的事情，所以這里采用系統(tǒng)仿真的方法進行驗證。仿真模型系統(tǒng)框圖如圖3。

其中，lbloop為調壓井水位反饋回路；gov1和gov2分別模擬一管多機系統(tǒng)中的2臺調速器；hy1為一管多機系統(tǒng)的引水系統(tǒng)，包含引水廊道，調壓井及壓力鋼管等系統(tǒng)的模型；sych為并網(wǎng)環(huán)節(jié)，net為電網(wǎng)模擬，除了lbloop外，仿真系統(tǒng)中的其他模塊均采用傳統(tǒng)模型，其之間的連接方式也是本領域技術人員知曉的方式，在此不再詳述。

調速器中，pi為基礎功率反饋信號輸入，pset為功率設置，fi為機組/電網(wǎng)頻率反饋，fset為100％的工頻，lb調壓井水位反饋回路lbloop輸出的補償信號，實際工程中l(wèi)bloop的功能集成在調速器中，gcb為開關使能信號，調速器的輸出為導葉開度控制信號。引水系統(tǒng)中，hs為調壓井水位傳感器輸出信號，pg為發(fā)電功率。

這里以某電站為例進行仿真，該電站5臺機總裝機容量占電網(wǎng)總容量的80％(類似于孤網(wǎng))，系統(tǒng)其他主要參數(shù)：水頭h＝200m，單機容量pr＝187mw，引水廊道面積at＝95m2，引水廊道長度lt＝1143m，壓力鋼管面積ap＝46m2，流量q＝10m3(h＝200m)，機組慣性時間常數(shù)ta＝7.5。

根據(jù)托馬準則(公式(3))，該電站調壓井直徑應不小于24m，當調壓井直徑縮小到18m時，通過仿真發(fā)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)不能穩(wěn)定，但是當時當引入調壓井反饋回路后系統(tǒng)將可以穩(wěn)定運行。仿真過程中我們始終保持調速器參數(shù)不變(kp＝2，ki＝0.08，kd＝0.1，電網(wǎng)自調節(jié)系數(shù)為0.2)即只考慮lbloop對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

圖4顯示的是當調壓井直徑為24m時，未引入調壓井水位反饋回路時發(fā) 電系統(tǒng)單機甩負荷時輸出電力的頻率變化。圖中橫坐標為時間，縱坐標為頻率，單位是hz。

圖5顯示的是當調壓井直徑為18m，未引入調壓井水位反饋回路時，發(fā)電系統(tǒng)單機甩負荷時輸出電力的頻率變化。

圖6顯示的是當調壓井直徑為18m，引入調壓井水位反饋回路時，發(fā)電系統(tǒng)單機甩負荷時輸出電力的頻率變化。

從仿真結論可以看出，當調壓井直徑為24m時，即使未引入調壓井水位反饋回路，發(fā)電系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定運行；當調壓井直徑縮減到18m時，發(fā)電系統(tǒng)不能穩(wěn)定，并產(chǎn)生震蕩；當18m調壓井系統(tǒng)中引入調壓井水位反饋回路時，系統(tǒng)可以穩(wěn)定，而且系統(tǒng)波動迅速收斂；從而證明當一管多機系統(tǒng)中引入本發(fā)明中的調壓井水位反饋時，當大幅縮減調壓井直徑降低工程造價時，發(fā)電系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定，發(fā)電系統(tǒng)應對大波動的能力增強，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。