付明林

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450011)

0 引言

為了提高可再生資源的利用率，節(jié)約資源，走可持續(xù)發(fā)展道路，應(yīng)該充分利用水電、風(fēng)電等自然資源，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與國外水電開發(fā)技術(shù)相比，我國水電的開發(fā)率較低[1]。水庫發(fā)電對環(huán)境產(chǎn)生的影響與其他資源發(fā)電相比相對較小，且資源利用率較高。發(fā)電機控制的自動化和智能化程度直接影響著水庫發(fā)電的效率[2]。水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)在綠色能源不斷發(fā)展的背景下得到了廣泛的應(yīng)用，對水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，對提高水庫水電發(fā)電機綜合效益具有重要作用。

余向陽等[3]通過最小單位流量對最優(yōu)轉(zhuǎn)速尋優(yōu)策略進(jìn)行改進(jìn)，采用多變量誤差疊加和雙通道勵磁控制方法在電機矢量控制理論的基礎(chǔ)上引入滯環(huán)電流控制，完成水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計，該方法在控制過程中發(fā)電機的振蕩次數(shù)較多，存在控制穩(wěn)定性差的問題。李文武等[4]將水閥門伺服電機，同步發(fā)電機和水輪機分別作為控制系統(tǒng)中的第一級系統(tǒng)和第二級系統(tǒng)，分別通過混合靈敏度設(shè)計方法和μ-綜合方法對其進(jìn)行控制，結(jié)合水啟動時間和水壓力波動時間等參數(shù)完成水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的設(shè)計，該方法的控制效果較差，且系統(tǒng)的運行能耗高。

為了解決上述方法中存在的問題，本文提出大型數(shù)據(jù)庫下的水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)設(shè)計方法。

1 硬件設(shè)計

水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)由2層構(gòu)成，分別是現(xiàn)地控制單元層和主控層。在水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中引入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，提高水庫水輪發(fā)電機的自動化水平，水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 主控制層功能

主控制層在水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)中的主要作用是對電站設(shè)備進(jìn)行控制、測量、保護(hù)與監(jiān)視，是系統(tǒng)的中心，可以作為上級調(diào)度部門和監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)系橋梁。主控制層在水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)中具有以下功能：

a.運行監(jiān)視。在LCU(local control unit，液晶顯示觸摸屏)中定期采集機組運行參數(shù)和變壓器運行參數(shù)，并將獲取的設(shè)備參數(shù)存儲到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，在系統(tǒng)運行過程中不斷更新數(shù)據(jù)庫[5-6]，并將數(shù)據(jù)庫中存在的數(shù)據(jù)實時投放到監(jiān)控系統(tǒng)中，工作人員根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)監(jiān)視生產(chǎn)過程中電站設(shè)備的運行狀態(tài)和過程。

b.調(diào)節(jié)與控制。在水庫水輪機發(fā)電控制系統(tǒng)的中控室中，系統(tǒng)操作人員可通過鍵盤向機組LCU傳送相關(guān)的控制指令和調(diào)節(jié)指令，運行人員在監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)視機組的操作過程。

c.人機接口。由鼠標(biāo)和顯示器構(gòu)成系統(tǒng)的人機接口，人機接口的主要作用是方便運行人員選擇監(jiān)控方式，包括畫面顯示功能、報表發(fā)音功能、參數(shù)修改功能和更改時間功能等。

d.自診斷。自診斷功能的主要作用是獲取水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)中的故障位置和故障設(shè)備，記錄并打印故障診斷結(jié)果。

e.通信。各LCU間的聯(lián)系可通過系統(tǒng)的通信功能完成。

1.2 現(xiàn)地控制單元層

現(xiàn)地控制單元層在水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)中的主要作用是采集并處理單元中存在的數(shù)據(jù)，具體功能如下：

a.數(shù)據(jù)采集。實時采集設(shè)備在電站中的開關(guān)量和模擬量等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記錄、保存到數(shù)據(jù)庫中。

b.數(shù)據(jù)處理。針對設(shè)備在水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)中運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，利用中控室的上位機進(jìn)行采集，并在系統(tǒng)內(nèi)部對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，將數(shù)據(jù)計算結(jié)果作為控制層監(jiān)控的依據(jù)。

c.調(diào)整與控制。在系統(tǒng)中該功能的主要作用是接收主控制層傳輸?shù)目刂泼詈驼{(diào)整命令，對電站的輔機和主機進(jìn)行控制。

d.人機界面。機組運行參數(shù)、斷路器狀態(tài)、母線和供電線的電壓以及變壓器運行參數(shù)等數(shù)據(jù)均顯示在發(fā)電機控制系統(tǒng)的人機界面中，利用人機界面中的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)操作人員可對水庫水輪發(fā)電機設(shè)備進(jìn)行控制與操作。

e.報警。將警鈴、警笛等報警裝備安放到機組控制保護(hù)屏中，現(xiàn)地控制單元當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障和問題時，在人機界面中顯示產(chǎn)生故障和問題的原因，并向主控制層發(fā)送報警信息[7-8]。

2 軟件設(shè)計

根據(jù)硬件設(shè)計中構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫，建立水庫水輪發(fā)電機的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

2.1 數(shù)學(xué)模型

不對水利摩擦阻力進(jìn)行考慮，構(gòu)建彈性水擊模型[9]，即

(1)

Yw為水流慣性時間常數(shù)；j為水輪機的水頭；Yr為水擊波r對應(yīng)的反射時間常數(shù)；w為水輪機在工作狀態(tài)下的流量。

水庫水輪機在系統(tǒng)運行過程中的線性化模型表示為

(2)

u為水輪機導(dǎo)葉對應(yīng)的開度；qm為水輪機在水庫水輪發(fā)電機運行過程中的輸出機械力矩；rmξ、rmj、rmy分別為水輪機力矩m對轉(zhuǎn)速、水頭和導(dǎo)葉開度的傳遞系數(shù)；rwξ、rwj、rwu分別為流量對轉(zhuǎn)速ξ、水頭j和導(dǎo)葉開度u的傳遞系數(shù)。

結(jié)合彈性水擊模型和水輪機線性化模型構(gòu)建水輪機在水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)中的線性化模型，即

(3)

Δξ為水輪機在水庫水輪發(fā)電機控制過程中的自調(diào)節(jié)力矩分量；Hj(s)為導(dǎo)葉在水庫水輪發(fā)電機控制過程中的調(diào)節(jié)力矩分量。

設(shè)ε為發(fā)電機對應(yīng)的功角；ξ為發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速；Am為原動機在水輪水庫發(fā)電機控制過程中的輸出機械功率；AF為發(fā)電機對應(yīng)的阻尼F功率；R為發(fā)電機在系統(tǒng)運行過程中的定子電流；xd為時間d下的電抗。在水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，利用二階模型對單機無窮大電力系統(tǒng)進(jìn)行描述，即

(4)

ξN為發(fā)電機在運行狀態(tài)N下的額定轉(zhuǎn)速；Yj為慣性時間常數(shù)；Ae為發(fā)電機電磁輸出功率；F為阻尼系數(shù)；Bt為t時刻的機端電壓；O為發(fā)電機在系統(tǒng)運行狀態(tài)下產(chǎn)生的定子電流。

2.2 軟件編寫

大型數(shù)據(jù)庫下的水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)設(shè)計方法通過C語言編寫PWM脈沖產(chǎn)生終端程序、主程序、終端程序和定時器程序[10]，構(gòu)成水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的軟件。并在軟件中數(shù)字化PID算法[11-12]，實現(xiàn)水庫水輪發(fā)電機的控制。

PID算法在模擬系統(tǒng)中的表達(dá)式為

(5)

LP為在P比例下的積分系數(shù)；r(t)為采樣偏差；YI、YD均為在模糊均值D控制下的采樣時刻。

在系統(tǒng)軟件設(shè)計中用差分方程代替原始的微分方程，對PID算法進(jìn)行離散化處理[13-14]，此時式(5)中的微分項和積分項可以表示為

(6)

R(k)為第k次采樣時，控制系統(tǒng)的偏差值。將式(6)代入式(5)中，完成PID算法的離散化處理，即

(7)

A(k)為調(diào)節(jié)器在第k次采樣時對應(yīng)的輸出；Y為采樣周期，水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的精度隨著采樣周期Y的減小而提高；R(k-1)為第k-1次采樣時，控制系統(tǒng)對應(yīng)的偏差值。

大型數(shù)據(jù)庫下的水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。

圖2 水輪水庫發(fā)電機控制系統(tǒng)的軟件流程

3 仿真分析

為了驗證大型數(shù)據(jù)庫下的水輪水庫發(fā)電機控制系統(tǒng)設(shè)計方法的整體有效性，需要對該方法進(jìn)行測試。

3.1 控制穩(wěn)定性測試

采用本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行發(fā)電機控制測試，將發(fā)電機的振蕩次數(shù)作為指標(biāo)，對比不同方法的控制穩(wěn)定性，振蕩次數(shù)越少，表明系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性越強，不同方法的測試結(jié)果如表1所示。

表1 控制穩(wěn)定性測試

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，采用本文方法設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行測試時，在系統(tǒng)運行60 s時，發(fā)電機出現(xiàn)了1次振蕩，其余時間均沒有發(fā)生振蕩，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法設(shè)計的系統(tǒng)在不同時間內(nèi)均存在振蕩現(xiàn)象。由上述測試結(jié)果可知，本文方法設(shè)計的系統(tǒng)只存在1次振蕩，表明該方法設(shè)計的系統(tǒng)具有較高的控制穩(wěn)定性，因為該方法在水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的軟件中，構(gòu)建了水輪機數(shù)學(xué)模型，采用PID控制算法在水輪機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對水庫水輪發(fā)電機進(jìn)行控制，可有效減少發(fā)電機的振蕩次數(shù)，提高水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。

3.2 控制效果測試

將發(fā)電機轉(zhuǎn)子角、輸出有功電磁功率和水輪機水門開度作為指標(biāo)，對比本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的控制效果，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 控制效果測試

由圖3a可知，本文方法的發(fā)電機轉(zhuǎn)子角曲線存在一定規(guī)律，而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的發(fā)電機轉(zhuǎn)子角曲線呈不規(guī)律狀態(tài)，表明發(fā)電機轉(zhuǎn)子角在系統(tǒng)運行過程中的波動較大。由圖3b可知，當(dāng)系統(tǒng)運行5 s以后，本文方法的發(fā)電機輸出有功電磁功率保持平穩(wěn)，基本不發(fā)生波動，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的發(fā)電機輸出有功電磁功率在系統(tǒng)運行過程中的波動較大，無法在短時間內(nèi)保持平穩(wěn)。由圖3c可知，本文方法的水輪機水門開度與文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法相比，波動較小。通過上述測試結(jié)果可知，本文方法設(shè)計的水輪水庫發(fā)電機控制系統(tǒng)具有較好的控制效果。

3.3 系統(tǒng)能耗測試

將電磁閥耗電量作為指標(biāo)，對本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的系統(tǒng)能耗進(jìn)行測試，電磁閥耗電量越高，系統(tǒng)的能耗越高，電磁閥耗電量Vs計算式為

Vs=0.1Is×2M

(8)

M為水庫水輪發(fā)電機系統(tǒng)的開閥次數(shù)；Is為進(jìn)行開關(guān)動作時電磁閥中存在的線圈電流。

本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的電磁閥耗電量測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的電磁閥耗電量

由圖4可知，隨著發(fā)電機控制系統(tǒng)運行時間的增長，本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的電磁閥耗電量均有所增長，但在相同時間內(nèi)，本文方法的電磁閥耗電量均低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的電磁閥耗電量，表明本文方法設(shè)計的水輪水庫發(fā)電機控制系統(tǒng)的能耗較低。

4 結(jié)束語

電能具有可再生性這一優(yōu)點，在社會生活和生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，具有重要的研究意義。我國河流眾多，水力發(fā)電具有良好的發(fā)展前景。但目前我國水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)存在控制穩(wěn)定性差、控制效果差和系統(tǒng)能耗高的問題，因此，本文提出大型數(shù)據(jù)庫下的水庫水輪發(fā)電機控制系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法在軟件設(shè)計中構(gòu)建了水輪機的數(shù)學(xué)模型，為水輪水庫發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了相關(guān)依據(jù)，解決了目前方法中存在的問題，為水力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。