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1、水轮机调节系统PID参数选择 华中科技大学魏守平 水轮机调节系统PID参数选择 1 空载工况的推荐初始参数2 被控机组并入大电网 满足电网一次调频和二次调频的技术要求3 被控机组在小 孤立 电网运行 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 国家标准轮对水机调节系统空载频率波动特性的规定是 1 水轮发电机组应能在手动各种工况下稳定运行 在手动空载工况 发电机励磁在自动方式下工作 运行时 水轮发电机组转速摆动相对值对大型调速器不超过 0 2 对中 小型和特小型调速器均不超过 0 3 2 对比例积分微分 PID 型调速器 水轮机引水系统的水流惯性时间常数Tw不大于4s 对比例积分 P
2、I 型调速器 水流惯性时间常数Tw不大于2 5s 水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值不大于0 4 反击式机组的Ta不小于4s 冲击式机组的Ta不小于2s 3 调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性 在空载工况自动运行时 施加一阶跃型转速指令信号 观察过渡过程 以便选择调速器的运行参数 待稳定后记录转速摆动相对值 对大型电调不超过 0 15 对中 小型调速器不超过 0 25 特小型调速器不超过 0 3 如果机组手动空载转速摆动相对值大于规定值 其自动空载转速摆动相对值不得大于相应手动空载转速摆动相对值 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 水轮机调节系统空
3、载频率波动实测特性 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 手动空载频率波动0 185Hz 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 仿真波形见图 从图中可以看出 在同一个机组手动空载频率波动值的情况下 通过恰当地选择PID参数 可以使自动空载频率波动值满足相关技术标准的要求 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 空载扰动过程仿真仿真结果表明 比例增益KP增大 或bt减小 曲线3 空载扰动过程可能由单调过程趋于有超调过程发生 反之 比例增益KP减小 或bt增大 曲线1 使得动态过程起始端加快 但是动态过程后期缓慢 水轮机调节系统PID参数选择1
4、空载工况的推荐初始参数 空载扰动过程仿真仿真结果表明 积分增益KI过大 或btTd过小 曲线3 空载扰动过程可能由单调过程趋于有超调过程发生 反之 积分增益KI过小 或btTd过大 曲线1 使得动态趋于缓慢 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 空载扰动过程仿真仿真结果表明 微分增益KD过小 或Tn bt过小 曲线3 空载扰动过程可能产生超调 微分增益KD过大 或Tn bt过大 曲线1 可能抑制空载扰动的初期的快速响应过程 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 水轮机调节的任务 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 水轮机调节系统PID参数
5、选择1 空载工况bt Td Tn的推荐初始参数 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 水轮机调节系统PID参数选择1 空载工况的推荐初始参数 水轮机调节系统PID参数选择2 被控机组并入大电网 满足电网一次调频和二次调频的技术要求 国家调度通讯中心对于并入电网运行的机组调速系统一次调频特性有下列要求 功率 永态转差系数 火电机组调速系统称速度变动率 频率 转速 死区 DL T1040 2007 电网运行准则 规定为 响应特性 电网频率变化超过一次调频频率死区时 机组
6、应在15s内响应机组目标功率 在45s内机组实际功率与目标功率的功率偏差的平均值应在其额定功率的3 内 稳定时间应小于1min 水轮机调节系统PID参数选择2 被控机组并入大电网 满足电网一次调频和二次调频的技术要求 图6 36给出了水轮发电机组并入电网开环仿真的原理框图 在仿真研究中也是切断电网频率信号通路 阶跃变化微机调速器的频率给定fc 录制机组有功功率变化曲线 波形 根据实测波形检验被仿真系统是否满足电网一次调频的技术要求 水轮机调节系统PID参数选择2 被控机组并入大电网 满足电网一次调频和二次调频的技术要求 水轮机调节系统PID参数选择2 被控机组并入大电网 满足电网一次调频和二次
7、调频的技术要求 1 曲线2满足式 6 8 其一次调频动态过程满足电网对于一次调频的动态性能要求 2 积分增益KI愈大 一次调频动态过程中的机组功率趋近稳定值的速度愈快 但是 如果选择过小的积分增益KI将对电网的动态稳定不利 3 动态过程初期的反向调节 是由引水系统的水击 水锤 效应 水流时间常数TW 引起的 比例作用 KP 作用的近似反映在图中 0 017与水击效应引起的 0 017之差 即 水轮机调节系统PID参数选择2 被控机组并入大电网 满足电网一次调频和二次调频的技术要求 水轮机调节系统PID参数选择2 被控机组并入大电网 满足电网一次调频和二次调频的技术要求 1 曲线1 2和3均满足
8、式 6 8 其一次调频动态过程满足电网对于一次调频的动态性能要求 2 比例增益KP愈大 一次调频动态过程中的机组功率趋近稳定值的速度愈快 但是3条动态波形相差不大 起主要作用的仍然是积分增益KI 3 动态过程初期的反向调节 是由引水系统的水击 水锤 效应 水流时间常数TW 引起的 比例作用 KP 作用的近似反映在图中 0 017与水击效应引起的 0 017之差 即 水轮机调节系统PID参数选择2 被控机组并入大电网 满足电网一次调频和二次调频的技术要求 水轮机调节系统 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 孤立电网或小电网运行工况 对于绝大多数大中型机组 这是一种事故性
9、的和暂时的工况 当被控机组与大电网事故解列时 微机调速器 数字式电液调速器 会根据电网频差超差自动转为频率调节模式 工作于频率调节器方式 频率死区Ef 0 由于被控机组容量占小电网总容量的比例 小电网突变负荷大小和小电网负荷特性等因素的影响 使得这种情况下的调速器的工作条件十分复杂 只能尽量维持电网频率在一定范围内 如果突变负荷超过小电网总容量的 10 20 则大的动态频率上升或下降是不可避免的 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 1 在同一个调节对象和同一组调节参数的情况下 突加5 10 和15 额定负荷
10、引起的电网频率下降的最低值分别为49 57Hz 49 14Hz和48 7Hz 2 在同一个调节对象和同一组调节参数的情况下 突加5 10 和15 额定负荷电网频率恢复到49 8Hz以上的时间分别为30s 43s和47s 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 从图6 45的仿真波形可以看出 1 曲线1 虚线 KP 4 33 的最低频率为49 25Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为17 7s 2 曲线2 实线 KP 3 33 的最低频率为49 14Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为16 5s 3 曲线
11、3 点画线 KP 2 33 的最低频率为49 0Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为15 0s 因此 比例增益KP值愈大 暂态差值系数bt值愈小 在同样的负荷扰动之下的动态频率下降值小 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 1 曲线3 点画线 KI 0 25 1 s 的最低频率为49 05Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为36 5s 2 曲线2 实线 KI 0 55 1 s 的最低频率为49 14Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为16 5s 3 曲线1 虚线 KI 0 85 1 s 的最低频率
12、为49 20Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为11 5s 因此 积分增益KI值愈大 速动时间常数Tx btTd值愈小 在同样的负荷扰动之下的动态频率下降值小 频率恢复到50Hz的速度快 但是容易出现调节的超调现象 积分增益KI值愈小 速动时间常数Tx btTd值愈大 在同样的负荷扰动之下的动态频率下降值大 频率恢复到50Hz的速度慢 趋近50Hz的调节时间长 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 1 曲线1 虚线 KD 6 0s 的最低频率为49 19Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为17 0s 2 曲线2 实线 KD 3 0s 的最低频率为49 14Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为16 5s 3 曲线3 点画线 KD 0 0s 的最低频率为49 06Hz 频率恢复到49 8Hz以上的时间为15 5s 因此 微分增益KD值愈大 Tn bt值愈大 在同样的负荷扰动之下的动态频率下降值小 频率恢复到50Hz的速度快 微分增益KD值愈小 Tn bt值愈大 在同样的负荷扰动之下的动态频率下降值大 频率恢复到50Hz的速度较快 水轮机调节系统PID参数选择3 被控机组在小 孤立 电网运行 水轮机调节系统 水轮机调节系统PID参数选择 水轮机数字式 微机 调速器 谢谢
