管道式异步水力发电控制系统及其控制策略的制作方法

1.本发明属于管道式水力发电控制技术领域，具体涉及管道式异步水力发电控制系统及其控制策略。


背景技术：

2.管道式水力发电系统对于回收利用工业循环水、输水系统、电站闸门孔洞等的水能具有重要意义。而异步发电系统因为结构简单，对原配电系统影响较小，得到了较多的应用。管道式异步水力发电与常规水力发电系统差别较大，其控制也有较大的变化，尤其是并网方面。目前管道式异步式水力发电正得到了原来越多的应用，但是还没有可靠性高、功能齐全的控制器及其控制策略。目前现场采用的控制策略基本没有考虑管道的压力波动，均为简单的根据发电需求通过控制水轮机进水阀的开度大小，一旦出现水力系统压力波动时，无法及时有效的调整阀门开度，会对水力系统供水的稳定性造成影响，对于工业循环水可能造成冷却塔调料损坏等。因此，需要在进行管道余压能回收时，提供新的控制策略以实现电能回收的稳定及水力系统压力的稳定。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供管道式异步水力发电控制系统及其控制策略，能够在保证发电稳定的基础上，保证水力系统的压力保持在给定范围内。
4.本发明所采用的第一种技术方案是：管道式异步水力发电控制系统，包括控制器，控制器分别与进水阀门、旁通阀门、异步发电机、断路器和压力传感器连接，压力传感器位于干路管道上，沿水流方向、在压力传感器之后干路管道分为两条并联支路管道，其中一条支路管道上依次设置有进水阀门和异步发电机，另外一条支路管道上设置有旁通阀门，异步发电机与断路器连接，所述断路器通过变压器与电网连接。
5.本发明所采用的第一种技术方案的特点还在于：控制器为增量型离散数字pid控制器。
6.本发明所采用的第二种技术方案是：管道式异步水力发电控制系统的控制策略，水力机组进水阀门和旁通阀门的控制采用开度控制策略，具体按以下条件控制：
7.1)控制器通过接收的命令，判断若为开机信号，根据下述控制策略进行控制水力机组进水阀门开度和旁通阀门开度：
8.压力传感器将水压数据传输到控制器，控制器将带有死区a的水压偏差信号经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为进水阀门开度控制偏差，将此偏差与由异步发电机功率-转速-开度关系得到的进水阀门期望开度和进水阀门的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器发出控制指令作用于进水阀门执行器，控制进水阀门的开度，从而使管道压力得到调节；
9.经上述调节后，若进水阀门开度调至最大时，压力依然超出参考压力值，则旁通阀门继续参与调节，旁通阀门参与调节的方式与进水阀门的调节方式相似：压力传感器将水
压数据传输到控制器，控制器将带有死区b的水压偏差信号经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为旁通阀门开度控制偏差，将此偏差与由进水阀门和旁通阀门的开度协联关系得到的旁通阀门期望开度和旁通阀门的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器发出控制指令作用于旁通阀门执行器，控制旁通阀门的开度，从而使管道压力调节至额定范围之内；
10.2)检测转速稳定在同步转速并且压力信号在给定范围内时，通过断路器的闭合操作并网，然后按照发电控制规律操作进水阀门和旁通阀门的阀门开度；
11.3)当运行过程中，发电系统出现故障信号时，控制器按照确定好的自动控制程序对进水阀门开度和旁通阀门开度进行调节，具体操作如下：发电系统出现事故信号时，控制进水阀门给定值为0，旁通阀门开度按照协联关系进行调节的同时，控制器输出高速开关信号，控制断路器断开；
12.4)若控制器接收到停机信号时，按照水压和功率协联规律进行调节进水阀门开度和旁通阀门开度，当阀门开度调整到位，机组出力降到最小后，控制器输出高速开关信号，控制断路器断开，完成停机工作。
13.本发明所采用的第二种技术方案的特点还在于：控制策略的控制过程具体包括以下步骤：
14.步骤1、确定干路管道参考压力p
ref
偏差值e(k)及异步发电机同步转速n1，作为控制的初始计算条件：
15.1)将管道参考压力p
ref
维持在固定的范围内，以防止管道内的压力过大，同时为了避免在实际的控制过程中，控制动作过于频繁，采用带死区的pid控制，偏差值e(k)为参考压力p
ref
(k)与管道实际压力pf(k)的差值，可表示为公式(1)：
16.e(k)＝p
ref
(k)-pf(k) (1)
17.对控制偏差e(k)先引入非线性环节产生新的控制偏差en(k)，再进行pi运算，同时基于机组正常运行时，对压力死区e0的大小进行差别化设计，水力机组进水阀门和旁通阀门的调节压力死区分别设置为死区a和死区b，以调节水力机组进水阀门开度为主要控制方式，当调节后若压力依然超出参考压力值时，旁通阀门再继续参与压力调节，直至压力稳定在参考压力范围内；
18.非线性环节的表达式如公式(2)所示：
[0019][0020]
2)在电机运行时，时刻监视机组转速，并通过调节进水阀门的开度调节流量的大小，使机组转速n维持在同步转速n1以上，以保证发电系统功率稳定；
[0021]
步骤2、通过pid控制器算法确定进水阀门和旁通阀门的开度，具体算法如下：
[0022]
两阀门的调节规律采用增量型离散数字pid控制器软件来实现；
[0023]
pid控制器是一种线性控制器，将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律如公式(3)所示：
[0024]
[0025]
式中，y(t)为连续pid调节器输出偏差，e(t)为连续pid调节器输入偏差，k
p
、ki、kd分别为比例、积分、微分的增益；
[0026]
在采样周期达到0.02s左右时，微分可近似由差分代替，积分可近似由梯形求和代替，经过上述变换，式(3)的微分方程就被转化为差分方程，最后得到离散化后的表达式如公式(4)所示：
[0027][0028]
其中，t为采样周期，e(k-1)与e(k)为相邻两次采样周期的连续pid调节器输入偏差差值，根据上述公式(4)可得第(k-1)次采样周期的表达式(5)：
[0029][0030]
式(4)减(5)，得到其简化后的控制算法如公式(6)：
[0031][0032]
在增量型pid调节的过程中，在比例p，积分i，微分d的增益确定时，可以求出位置增量即δyn(k)；
[0033]
在控制过程中，为了pid调节器有较强的抗干扰能力，用代替kds的微分环节，则微分通道的输出yd(t)和输入e(t)的微分方程如公式(7)：
[0034][0035]
将其化为差分方程，如公式(8)：
[0036][0037]
整理得到公式(9)和(10)：
[0038][0039][0040]
式(9)减(10)式得公式(11)：
[0041]
[0042]
将式(11)代入式(6)中，得到了实际应用的增量型pid算法公式(12)：
[0043][0044]
δy即为所求进水阀门和旁通阀门的开度；
[0045]
步骤3、读取输入数据，具体包括：
[0046]
①
干路管道压力pf，其由水压传感器测得；
[0047]
②
水力机组进水阀门和旁通阀门的开度y1和y2；
[0048]
③
异步发电机转子转速n；
[0049]
④
机组温度t；
[0050]
⑤
断路器qf开/关(1/0)状态；
[0051]
步骤4、调节进水阀门：
[0052]
压力传感器将水压数据传输到控制器，控制器将带有死区a的水压偏差信号en(k)经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为进水阀门开度控制偏差，将此偏差与由异步发电机功率-转速-开度关系得到的进水阀门期望开度和进水阀门的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器发出控制指令作用于进水阀门执行器，控制进水阀门的开度，从而使管道压力得到调节。
[0053]
步骤5、调节旁通阀门：
[0054]
经上述调节后，若进水阀门开度调至最大时，压力依然超出参考压力值，则旁通阀门继续参与调节；旁通阀门参与调节的方式与进水阀门的调节方式相似:
[0055]
压力传感器将水压数据传输到控制器，控制器将带有死区b的水压偏差信号en(k)经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为旁通阀门开度控制偏差，将此偏差与由进水阀门和旁通阀门的开度协联关系得到的旁通阀门期望开度和旁通阀门的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器发出控制指令作用于旁通阀门执行器，控制旁通阀门的开度，从而使管道压力调节至额定范围之内；
[0056]
步骤6、并网流程：
[0057]
控制器通过接收的命令，判断如果为开机信号，将根据上述控制步骤控制水力机组进水阀门的开度和旁通阀门的开度，检测转速稳定在同步转速以上并且压力信号在给定范围内时，通过断路器的闭合操作并网，然后按照发电控制规律操作进水阀门和旁通阀门的阀门开度；
[0058]
当并网运行过程中，发电系统出现事故信号时，如机组温度过高，控制进水阀门给定开度值为0，旁通阀门开度按照协联关系进行调节的同时，通过开关量输出接口输出高速开关信号，并控制断路器断开；
[0059]
步骤7、停机流程：
[0060]
当控制器接收到停机信号时，将按照压力-开度协联规律进行调节进水阀门开度和旁通阀门开度，具体流程为：控制器逐步关闭进水阀门，同时按照压力-开度协联规律逐
步开启旁通阀门，机组转速降低，输出给电网的功率减小，当机组有功功率输出接近零时，控制断路器断开，机组空转；继续关闭进水阀门，机组因惯性运转一段时间后自由停机；当两阀门开度调整到位，干路压力稳定在参考范围内时，停机流程结束。
[0061]
发电机组进水阀门和旁通阀门的压力-开度协联关系及异步水力发电机组转速-功率-开度协联关系说明如下：
[0062]
发电机组进水阀门和旁通阀门存在一种压力-开度协联关系，在干路管道参考压力范围内，通过调节进水阀门的开度控制其所在支路管道内的流量从而调节发电机的转速；
[0063]
在这种协联关系中，发电机转速跟随阀门开度变化，控制器只通过调节阀门开度就能达到改变机组有功输出的目的；通过进水阀门和旁通阀门的开度以协联关系保持运行使水轮机组始终以最佳效率运行。
[0064]
本发明的有益效果是：
[0065]
1、异步发电机、进水阀门和旁路阀门基于压力-流量-开度的协联关系，根据机组进水阀门确定旁路阀门的开度。
[0066]
2、机组正常运行时，通过压力波动死区大小的差别化设计，以水力机组进水阀门为主要控制压力波动，在压力波动超出时，旁通阀门参与调节，保证水力系统的压力保持在给定范围。
[0067]
3、在发电运行时，如果发电系统出现事故，将自动对进水阀门的开度置0，旁通阀门开度按照协联关系进行控制，同时发出断路器跳闸信号；开机过程中，控制器需要检测机组的转速，当机组转速在同步转速附近时，发出断路器合闸信号，控制机组开、停机、事故等情况，完成机组的保护和状态转换。
附图说明
[0068]
图1是本发明管道式异步水力发电控制系统示意图；
[0069]
图2是本发明管道式异步水力发电控制系统的控制策略示意图；
[0070]
图中，1.进水阀门，2.旁通阀门，3.异步发电机，4.控制器，5.断路器，6.压力传感器，7.变压器。
具体实施方式
[0071]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0072]
本发明管道式异步水力发电控制系统，如图1所示，包括控制器4，控制器4分别与进水阀门1、旁通阀门2、异步发电机3、断路器5和压力传感器6连接，压力传感器6位于干路管道上，沿水流方向、在所述压力传感器6之后干路管道分为两条并联支路管道，其中一条支路管道上依次设置有进水阀门1和异步发电机3，另外一条支路管道上设置有旁通阀门2，异步发电机3与断路器5连接，断路器5通过变压器7与电网连接。
[0073]
控制器4为增量型离散数字pid控制器。
[0074]
进水阀门1和旁通阀门2均为电动阀门，设置有执行器。
[0075]
如图2所示，本发明管道式异步水力发电控制系统的控制策略，具体按以下条件控制：
[0076]
1)控制器4通过接收的命令，判断若为开机信号，根据下述控制策略进行控制水力机组进水阀门1开度和旁通阀门2开度：
[0077]
压力传感器6将水压数据传输到控制器4，控制器4将带有死区a的水压偏差信号经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为进水阀门1开度控制偏差，将此偏差与由异步发电机3功率-转速-开度关系得到的进水阀门1期望开度和进水阀门1的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器4发出控制指令作用于进水阀门1执行器，控制进水阀门1的开度，从而使管道压力得到调节；
[0078]
经上述调节后，若进水阀门1开度调至最大时，压力依然超出参考压力值，则旁通阀门2继续参与调节，旁通阀门2参与调节的方式与进水阀门1的调节方式相似：压力传感器6将水压数据传输到控制器4，控制器4将带有死区b的水压偏差信号经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为旁通阀门2开度控制偏差，将此偏差与由进水阀门1和旁通阀门2的开度协联关系得到的旁通阀门2期望开度和旁通阀门2的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器4发出控制指令作用于旁通阀门2执行器，控制旁通阀门2的开度，从而使管道压力调节至额定范围之内；
[0079]
2)检测转速稳定在同步转速并且压力信号在给定范围内时，通过断路器5的闭合操作并网，然后按照发电控制规律操作进水阀门1和旁通阀门2的阀门开度；
[0080]
3)当运行过程中，发电系统出现故障信号时，控制器按照确定好的自动控制程序对进水阀门1开度和旁通阀门2开度进行调节，具体操作如下：发电系统出现事故信号时，控制进水阀门1给定值为0，旁通阀门2开度按照协联关系进行调节的同时，控制器4输出高速开关信号，控制断路器5断开；
[0081]
4)若控制器4接收到停机信号时，按照水压和功率协联规律进行调节进水阀门1开度和旁通阀门2开度，当阀门开度调整到位，机组出力降到最小后，控制器4输出高速开关信号，控制断路器5断开，完成停机工作。
[0082]
本发明管道式异步水力发电控制系统，在控制器4及其控制策略的作用下，通过调节机组进水阀门1和旁通阀门2的开度，从而使管道压力维持在一个给定的范围内，并根据异步发电机功率-转速-开度关系，保证发电系统功率稳定。
[0083]
水力机组进水阀门1和旁通阀门2的控制采用开度控制策略，根据异步水力发电机组转速-功率-开度的关系，采用转速控制；在阀门开度控制策略下，采用水压偏差前馈解决压力过大的问题。
[0084]
管道式异步水力发电控制器4控制过程具体包括以下步骤：
[0085]
步骤1、确定干路管道参考压力p
ref
偏差值e(k)及异步发电机同步转速n1，作为控制的初始计算条件：
[0086]
1)将管道参考压力p
ref
维持在固定的范围内，以防止管道内的压力过大，同时为了避免在实际的控制过程中，控制动作过于频繁，采用带死区的pid控制，偏差值e(k)为参考压力p
ref
(k)与管道实际压力pf(k)的差值，可表示为式(1)：
[0087]
e(k)＝p
ref
(k)-pf(k) (1)
[0088]
对控制偏差e(k)先引入非线性环节产生新的控制偏差en(k)，再进行pi运算，同时基于机组正常运行时，对压力死区e0的大小进行差别化设计，水力机组进水阀门1和旁通阀门2的调节压力死区分别设置为死区a和死区b，以调节水力机组进水阀门1开度为主要控制
方式，当调节后若压力依然超出参考压力值时，旁通阀门2再继续参与压力调节，直至压力稳定在参考压力范围内；
[0089]
非线性环节的表达式如公式(2)所示：
[0090][0091]
2)在异步发电机3运行时，时刻监视机组转速n，并通过调节进水阀门1的开度调节流量的大小，使机组转速n维持在同步转速n1以上，以保证发电系统功率稳定；
[0092]
步骤2、通过pid控制器算法确定进水阀门1和旁通阀门2的开度，具体算法如下：
[0093]
两阀门的调节规律采用增量型离散数字pid控制器4软件来实现。
[0094]
pid控制器是一种线性控制器，将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律如公式(3)所示：
[0095][0096]
式中，y(t)为连续pid调节器输出偏差，e(t)为连续pid调节器输入偏差，k
p
、ki、kd分别为比例、积分、微分的增益。
[0097]
在采样周期达到0.02s左右时，微分可近似由差分代替，积分可近似由梯形求和代替，经过上述变换，式(3)的微分方程就被转化为差分方程，最后得到离散化后的表达式如公式(4)所示：
[0098][0099]
其中，t为采样周期，e(k-1)与e(k)为相邻两次采样周期的连续pid调节器输入偏差差值，根据上述公式(4)可得第(k-1)次采样周期的表达式(5)：
[0100][0101]
通过式(4)减(5)，得到其简化后的控制算法如公式(6)：
[0102][0103]
在增量型pid调节的过程中，在比例p，积分i，微分d的增益确定时，可以求出位置增量即δyn(k)；
[0104]
在控制过程中，为了pid调节器有较强的抗干扰能力，用代替kds的微分环节，则微分通道的输出yd(t)和输入e(t)的微分方程如公式(7)：
[0105][0106]
将其化为差分方程，如公式(8)：
[0107][0108]
整理得到公式(9)和(10)：
[0109][0110][0111]
式(9)减(10)式得公式(11)：
[0112][0113]
将式(11)代入式(6)中，得到了实际应用的增量型pid算法公式(12)：
[0114][0115]
δy即为所求进水阀门1和旁通阀门2的开度；
[0116]
步骤3、读取输入数据，具体包括：
[0117]
①
干路管道压力pf，其由水压传感器测得；
[0118]
②
水力机组进水阀门1和旁通阀门2的开度y1和y2；
[0119]
③
异步发电机转子转速n；
[0120]
④
机组温度t；
[0121]
⑤
断路器5开/关(1/0)状态；
[0122]
步骤4、调节进水阀门1：
[0123]
压力传感器6将水压数据传输到控制器4，控制器4将带有死区a的水压偏差信号en1经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为进水阀门1开度控制偏差，将此偏差与由异步发电机3功率-转速-开度关系得到的进水阀门1期望开度和进水阀门1的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器4发出控制指令作用于进水阀门1执行器，控制进水阀门1的开度，从而使管道压力得到调节；
[0124]
步骤5、调节旁通阀门2：
[0125]
经上述调节后，若进水阀门1开度调至最大时，压力依然超出参考压力值，则旁通阀门2继续参与调节；旁通阀门2参与调节的方式与进水阀门1的调节方式相似：压力传感器6将水压数据传输到控制器4，控制器4将带有死区b的水压偏差信号en2经pi计算后作为前
馈信号，量纲转化为旁通阀门2开度控制偏差，将此偏差与由进水阀门1和旁通阀门2的开度协联关系得到的旁通阀门2期望开度和旁通阀门2的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器4发出控制指令作用于旁通阀门2执行器，控制旁通阀门2的开度，从而使管道压力调节至额定范围之内；
[0126]
步骤6、并网流程：
[0127]
控制器4通过接收的命令，判断如果为开机信号，将根据上述控制步骤控制水力机组进水阀门1的开度和旁通阀门2的开度，检测转速n稳定在同步转速n1以上并且压力信号pf在给定范围内时，通过断路器5的闭合操作并网，然后按照发电控制规律操作进水阀门1和旁通阀门2的阀门开度；
[0128]
当并网运行过程中，发电系统出现事故信号时，如机组温度过高，控制进水阀门1给定开度值为0，旁通阀门2开度按照协联关系进行调节的同时，通过开关量输出接口输出高速开关信号，并通过脉冲放大电路控制断路器5断开；
[0129]
步骤7、停机流程：
[0130]
当控制器4接收到停机信号时，将按照压力-开度协联规律进行调节进水阀门1开度和旁通阀门2开度，具体流程为：控制器4逐步关闭进水阀门1，同时按照压力-开度协联规律逐步开启旁通阀门2，机组转速降低，输出给电网的功率减小，当机组有功功率输出接近零时，控制断路器5断开，机组空转；继续关闭进水阀门1，机组因惯性运转一段时间后自由停机；当两阀门开度调整到位，干路压力pf稳定在参考范围内时，停机流程结束。
[0131]
异步发电机3、进水阀门1和旁通阀门2的压力-开度协联关系及异步水力发电机组转速-功率-开度协联关系说明如下：
[0132]
异步发电机3、进水阀门1和旁通阀门2存在一种压力-开度协联关系，在干路管道参考压力范围内，通过调节进水阀门1的开度控制其所在支路管道内的流量从而调节发电机的转速；
[0133]
在这种协联关系中，异步发电机3转速跟随阀门开度变化，控制器5只通过调节阀门开度就能达到改变机组有功输出的目的；通过进水阀门1和旁通阀门2的开度以协联关系保持运行使水轮机组始终以最佳效率运行。

技术特征：
1.管道式异步水力发电控制系统，其特征在于，包括控制器(4)，所述控制器(4)分别与进水阀门(1)、旁通阀门(2)、异步发电机(3)、断路器(5)和压力传感器(6)连接，所述压力传感器(6)位于干路管道上，沿水流方向、在所述压力传感器(6)之后干路管道分为两条并联支路管道，其中一条支路管道上依次设置有进水阀门(1)和异步发电机(3)，另外一条支路管道上设置有旁通阀门(2)，所述异步发电机(3)与断路器(5)连接，所述断路器(5)通过变压器(7)与电网连接。2.根据权利要求1所述的管道式异步水力发电控制系统，所述控制器(4)为增量型离散数字pid控制器。3.管道式异步水力发电控制系统的控制策略，其特征在于，水力机组进水阀门(1)和旁通阀门(2)的控制采用开度控制策略，具体按以下条件控制：1)控制器(4)通过接收的命令，判断若为开机信号，根据下述控制策略进行控制水力机组进水阀门(1)开度和旁通阀门(2)开度：压力传感器(6)将水压数据传输到控制器(4)，控制器(4)将带有死区a的水压偏差信号经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为进水阀门(1)开度控制偏差，将此偏差与由异步发电机(3)功率-转速-开度关系得到的进水阀门(1)期望开度和进水阀门(1)的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器(4)发出控制指令作用于进水阀门(1)执行器，控制进水阀门(1)的开度，从而使管道压力得到调节；经上述调节后，若进水阀门(1)开度调至最大时，压力依然超出参考压力值，则旁通阀门(2)继续参与调节，旁通阀门(2)参与调节的方式与进水阀门(1)的调节方式相似：压力传感器(6)将水压数据传输到控制器(4)，控制器(4)将带有死区b的水压偏差信号经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为旁通阀门(2)开度控制偏差，将此偏差与由进水阀门(1)和旁通阀门(2)的开度协联关系得到的旁通阀门(2)期望开度和旁通阀门(2)的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器(4)发出控制指令作用于旁通阀门(2)执行器，控制旁通阀门(2)的开度，从而使管道压力调节至额定范围之内；2)检测转速稳定在同步转速并且压力信号在给定范围内时，通过断路器(5)的闭合操作并网，然后按照发电控制规律操作进水阀门(1)和旁通阀门(2)的阀门开度；3)当运行过程中，发电系统出现故障信号时，控制器按照确定好的自动控制程序对进水阀门(1)开度和旁通阀门(2)开度进行调节，具体操作如下：发电系统出现事故信号时，控制进水阀门(1)给定值为0，旁通阀门(2)开度按照协联关系进行调节的同时，控制器(4)输出高速开关信号，控制断路器(5)断开；4)若控制器(4)接收到停机信号时，按照水压和功率协联规律进行调节进水阀门(1)开度和旁通阀门(2)开度，当阀门开度调整到位，机组出力降到最小后，控制器(4)输出高速开关信号，控制断路器(5)断开，完成停机工作。4.根据权利要求3所述的管道式异步水力发电控制系统的控制策略，其特征在于，所述控制策略的控制过程具体包括以下步骤：步骤1、确定干路管道参考压力p
ref
偏差值e(k)及异步发电机同步转速n1，作为控制的初始计算条件：1)将管道参考压力p
ref
维持在固定的范围内，以防止管道内的压力过大，同时为了避免在实际的控制过程中，控制动作过于频繁，采用带死区的pid控制，偏差值e(k)为参考压力
p
ref
(k)与管道实际压力p
f
(k)的差值，可表示为公式(1)：e(k)＝p
ref
(k)-p
f
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)对控制偏差e(k)先引入非线性环节产生新的控制偏差e
n
(k)，再进行pi运算，同时基于机组正常运行时，对压力死区e0的大小进行差别化设计，水力机组进水阀门(1)和旁通阀门(2)的调节压力死区分别设置为死区a和死区b，以调节水力机组进水阀门(1)开度为主要控制方式，当调节后若压力依然超出参考压力值时，旁通阀门(2)再继续参与压力调节，直至压力稳定在参考压力范围内；非线性环节的表达式如公式(2)所示：2)在异步发电机(3)运行时，时刻监视机组转速，并通过调节进水阀门(1)的开度调节流量的大小，使机组转速n维持在同步转速n1以上，以保证发电系统功率稳定；步骤2、通过pid控制器算法确定进水阀门(1)和旁通阀门(2)的开度，具体算法如下：两阀门的调节规律采用增量型离散数字pid控制器(4)软件来实现；pid控制器是一种线性控制器，将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律如公式(3)所示：式中，y(t)为连续pid调节器输出偏差，e(t)为连续pid调节器输入偏差，k
p
、k
i
、k
d
分别为比例、积分、微分的增益；在采样周期达到0.02s左右时，微分可近似由差分代替，积分可近似由梯形求和代替，经过上述变换，式(3)的微分方程就被转化为差分方程，最后得到离散化后的表达式如公式(4)所示：其中，t为采样周期，e(k-1)与e(k)为相邻两次采样周期的连续pid调节器输入偏差差值，根据上述公式(4)可得第(k-1)次采样周期的表达式(5)：式(4)减(5)，得到其简化后的控制算法如公式(6)：在增量型pid调节的过程中，在比例p，积分i，微分d的增益确定时，可以求出位置增量即δy
n
(k)；
在控制过程中，为了pid调节器有较强的抗干扰能力，用代替k
d
s的微分环节，则微分通道的输出y
d
(t)和输入e(t)的微分方程如公式(7)：将其化为差分方程，如公式(8)：整理得到公式(9)和(10)：整理得到公式(9)和(10)：式(9)减(10)式得公式(11)：将式(11)代入式(6)中，得到了实际应用的增量型pid算法公式(12)：δy＝δy
p
+δy
i
+δy
d
δy即为所求进水阀门(1)和旁通阀门(2)的开度；步骤3、读取输入数据，具体包括：
①
干路管道压力p
f
，其由水压传感器测得；
②
水力机组进水阀门(1)和旁通阀门(2)的开度y1和y2；
③
异步发电机转子转速n；
④
机组温度t；
⑤
断路器qf开/关(1/0)状态；步骤4、调节进水阀门(1)：压力传感器(6)将水压数据传输到控制器(4)，控制器(4)将带有死区a的水压偏差信号e
n
(k)经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为进水阀门(1)开度控制偏差，将此偏差与由异步发电机功率-转速-开度关系得到的进水阀门(1)期望开度和进水阀门(1)的实际开度之
间的偏差进行对比计算，再经控制器(4)发出控制指令作用于进水阀门(1)执行器，控制进水阀门(1)的开度，从而使管道压力得到调节；步骤5、调节旁通阀门(2)：经上述调节后，若进水阀门(1)开度调至最大时，压力依然超出参考压力值，则旁通阀门(2)继续参与调节；旁通阀门(2)参与调节的方式与进水阀门(1)的调节方式相似:压力传感器(6)将水压数据传输到控制器(4)，控制器(4)将带有死区b的水压偏差信号e
n
(k)经pi计算后作为前馈信号，量纲转化为旁通阀门(2)开度控制偏差，将此偏差与由进水阀门(1)和旁通阀门(2)的开度协联关系得到的旁通阀门(2)期望开度和旁通阀门(2)的实际开度之间的偏差进行对比计算，再经控制器(4)发出控制指令作用于旁通阀门(2)执行器，控制旁通阀门(2)的开度，从而使管道压力调节至额定范围之内；步骤6、并网流程：控制器(4)通过接收的命令，判断如果为开机信号，将根据上述控制步骤控制水力机组进水阀门(1)的开度和旁通阀门(2)的开度，检测转速稳定在同步转速以上并且压力信号在给定范围内时，通过断路器(5)的闭合操作并网，然后按照发电控制规律操作进水阀门(1)和旁通阀门(2)的阀门开度；当并网运行过程中，发电系统出现事故信号时，如机组温度过高，控制进水阀门(1)给定开度值为0，旁通阀门(2)开度按照协联关系进行调节的同时，通过开关量输出接口输出高速开关信号，并控制断路器(5)断开；步骤7、停机流程：当控制器(4)接收到停机信号时，将按照压力-开度协联规律进行调节进水阀门(1)开度和旁通阀门(2)开度，具体流程为：控制器(4)逐步关闭进水阀门(1)，同时按照压力-开度协联规律逐步开启旁通阀门(2)，机组转速降低，输出给电网的功率减小，当机组有功功率输出接近零时，控制断路器(5)断开，机组空转；继续关闭进水阀门(1)，机组因惯性运转一段时间后自由停机；当两阀门开度调整到位，干路压力稳定在参考范围内时，停机流程结束。5.根据权利要求3或4所述的管道式异步水力发电控制系统的控制策略，其特征在于，所述异步发电机(3)、进水阀门(1)和旁通阀门(2)的压力-开度协联关系及异步水力发电机组转速-功率-开度协联关系说明如下：异步发电机(3)、进水阀门(1)和旁通阀门(2)存在一种压力-开度协联关系，在干路管道参考压力范围内，通过调节进水阀门(1)的开度控制其所在支路管道内的流量从而调节发电机的转速；在这种协联关系中，异步发电机(3)转速跟随阀门开度变化，控制器(5)只通过调节阀门开度就能达到改变机组有功输出的目的；通过进水阀门(1)和旁通阀门(2)的开度以协联关系保持运行使水轮机组始终以最佳效率运行。

技术总结
本发明公开了管道式异步发电控制系统，包括控制器，控制器分别与进水阀门、旁通阀门、异步发电机、断路器和压力传感器连接，压力传感器位于干路管道上，沿水流方向、在压力传感器之后干路管道分为两条并联支路管道，其中一条支路管道上依次设置有进水阀门和异步发电机，另外一条支路管道上设置有旁通阀门，异步发电机与断路器连接，断路器通过变压器与电网连接。本发明还公开了上述管道式异步发电控制系统的控制策略，该控制方法针对管道式异步发电控制过程中水压和发电功率的控制精度，提出了一种压差前馈的阀门开度控制算法，该算法可以保证管道压力维持在一个给定的范围内，并根据异步发电机功率-转速-开度关系，保证发电系统功率稳定。功率稳定。功率稳定。


技术研发人员：肖礼报
受保护的技术使用者：西安格睿能源动力科技有限公司
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/6/28