水轮发电机组复合控制综述

葛 君

(华北水利水电大学电力学院，河南 郑州 450000)

0 引言

目前，我国电力系统呈现出“超高压、大机组、多扰动和大容量机组”的特点。在现实的运行中，电力系统的功率和负荷是一直都在变化的，因此，必须每时每刻调整发电机组各个动力机组的功率和输出动力，使得动力系统能够达到静态供需平衡的稳定状态。

但是，电力系统负荷的变化具有一定的随机性，静态供需的不平衡状态必然会发生，电力系统也经常会处于一个动态平衡的一个过程，在这个平衡的过程中，电能的频率和输出电压均会发生周期性的波动。动态的过程中，频率的偏差如果发生得过大，必然会严重影响电网和各动力机组自身的稳定和正常运行，严重的话甚至有可能会造成整个电网的系统解列或者崩溃。所以，想要更好地维持电力系统安全稳定的运行，频率控制在基本电压的误差内，基本电压的恒定就尤为重要。启动电压如果高于家用电器设备的标准电压要求，电气设备就有可能会受到损坏；反之，若家用电气设备超过或低于启动标准的电压，电气设备将不能正常启动和运行。

因此，电网的电压必须维持在启动标准规定的范围之内，电网才能够平稳正常地运行。在这种情况下，采取适当的复合控制手段无疑是一种可以保证系统安全、稳定以及合理、经济运行的有效方式。而控制水轮机组的调速器和水轮发电机励磁控制器是调速发电厂中主机组十分重要的复合控制手段和设备，对于有效保证电力系统的安全稳定的运行以及提高电能的质量具有重要的意义和作用。因此需要对水轮机组的调速器和水轮发电机组的励磁复合控制进行深入的研究。

1 水轮机调速器的研究

水轮机调速器是保证水电厂机组稳定安全运行的重要水轮发电设备之一，其直接影响着发电机组的安全与运行的稳定。关于运用水轮机调速器可以改善我国电力系统运行稳定性的观点是卢强于1993年首先提出的[1]。第一个描述水电厂机组动态的非线性水锤方程式发电机组是孙元章于1994年提出，他基于描述刚性水击，导出了发电机组导叶开度与机械功率的微分方程、电磁力矩的微分方程、机组调速运动的微分方程一起组合构成[2]。为了设计和研究第一个具有刚性水锤调速运动效应的非线性水轮方程式发电机组的非线性调速运动规律，孙郁松于1999年提出一个采用非线性化理论的微分几何非线性化理论的导叶设计[3]。2000年，又进一步深入讨论了这一设计问题[4]。为导叶的设计问题考虑了基于刚性水击的有功扰动调节控制规律，刘翔在2001年提出导叶采用自抗扰控制的技术[5]，而孙郁松为导叶设计了具有干扰抑制功能的基于导叶非线性反馈控制的规律，采用了非线性控制H∞的技术和基于动态微分几何的反馈控制非线性化的方法[6]。2002年，为了设计适用于水轮机的调速控制系统导叶附加H∞的控制(hgahc)，董清提取了有功扰动控制信号作为水轮机控制器的一个微分输入控制信号，采用的方法是一个动态微分几何积分器[7-8]。孙立民于2003年为导叶设计了基于导叶的非线性反馈控制的规律，运用的方法是基于动态微分几何反馈线性化的方法[9]。2004年，卢强等人设计了多机远距离电力系统调速器中的大型水轮机两用调速器和分散鲁棒的控制器，运用了微分方程的几何控制理论、非线性鲁棒控制和动态反馈控制理论[10]。2005年，发表了大型水轮发电机组两用调速器的非线性最优gnopss的技术研究论文，并特别指出对于进一步提高水轮机远距离输电系统的安全和稳定性，利用大型水轮发电机组非线性最优pss(gnopss)调速器控制运动规律的效果是显著的，与水轮机和facts的调速器效果同样是迭代叠加的，且性价比远超过facts的设备[11]。

尽管大型水轮发电机组与大型汽轮机调速器发电机组控制调节电力系统的控制设计特点各不相同，单从发电机的角度出发，他们的发电机组控制和调节设计机理仍然是相似的，因此，水轮机和大型汽轮机两用调速器的发电机组控制调节设计和理论总是相互推动、共同进步的，在所有水轮机调速器控制调节设计和理论中完全可以相互借鉴。大型汽轮机两用调速器是提高远距离电力系统安全稳定性的关键技术研究成果，其中有许多，如连续鲁棒控制[12]、小波神经网络[13]、分散鲁棒控制[14-15]、神经网络中的广义逆控制[16]等。

2 发电机励磁控制器的研究

2.1 线性单变量励磁控制方法

古典的控制系统理论最初是专门利用传递函数对现代控制电力系统的复杂性进行分析和描述的，在20世纪50年代已经发展成熟，研究的对象被称为采用线性定常的单输入-单输出控制系统[17]。在此基础上发明了一种PID调节的方式，虽然已经有了PID调节的方式，但是也不能完全有效地克服现代电力系统调节的复杂问题。

2.2 线性多变量励磁控制方法

因为目前电力系统的励磁控制稳定性和快速调节励磁控制精度之间的矛盾用上述的方法并不能完全得到改善，因为调节器的负阻尼会在快速励磁控制方式的使用时增加导致一些电力系统在使用时产生比较严重的低频振荡，因此采用线性多变励磁调节器控制的方法已经广泛应用起来。

2.2.1 强力式励磁调节方式

强力式励磁电流调节方式采用与电力系统功率振荡有关的多个参量进行功率振动控制，电力系统的功率稳定性基本上会在高频得到大幅度的提高，低频电力系统功率的振荡也会在高频得到大幅度的遏制，这是前苏联科学家在1985年正式提出的[18]。此控制方法在当时已经得到了很多科研人士的支持和关注，但是因为当电力系统结构发生变化的时候，参数进行整定的过程有时比较复杂，控制的效果并不理想，所以没有在世界上任何国家得到推广应用。

2.2.2 PID+PSS 励磁控制方式

为了研究设计一种采用PID+PSS这种结构的励磁输入驱动控制系统的方法，将励磁系统的控制由单励磁输入驱动控制的系统逐渐发展为双输入驱动控制的系统，1969年demello提出了对电力系统的稳定器控制PSS(power system stabilizer)作为辅助励磁系统的控制策略[19]。此种控制方法的特点是：PID驱动控制的传递函数的极点向左发生移动，并且基本上保留了对PID的稳定器控制，电力系统的励磁阻尼控制特性的稳定性也得到了充分保证，这种励磁控制方法至今仍在各国的电力系统中广泛应用。

现在，PSS的控制功能基于先进的控制方法和理论已经得到了很大的提升，这些控制方法主要有:免疫控制算法[20]、鲁棒快速控制输出反馈[21]、智能双输入[22]、遗传算法[23]等。

2.3 非线性多变量励磁控制方法

上述励磁控制的方法都可能是理想的，是按照近似的线性或者是非线性控制模型来说的，但是由于电力系统比较复杂，实际运行中往往是非线性的、时变的以及大扰动的，因此，线性化控制励磁模型的方法会在预测电力系统可能受到大规模扰动的时候产生较大偏差。而利用近代励磁偏微分方程的几何理论为其基础发展得到的非线性的励磁控制理论，可以大大提高电力系统在大励磁干扰下的运行稳定性。

在目前电力系统各种不确定性的扰动进行系统控制的几种方法中，鲁棒控制的每一种方法实际上都是行之有效的；而由于一个电力系统本身上就是一个复杂且具有不确定性的扰动控制系统，所以这种鲁棒控制系统方法就是一种有效的结构性控制系统方法。

鲁棒控制的主要目的之一就是为了保证电力系统在结构性扰动中一旦出现不确定因素时，效率能够始终保持最优。把系统的某些具有不确定性的因素和集合视为某种类型的结构性扰动的因素和集合，然后对这种结构性扰动的因素和集合分别给予适当的电力系统数学和物理性质的描述，并将其集合作为电力系统某些需要受到约束的基本条件，和系统原有的电力系统以及某些需要受到约束的因素和条件一起，通过理论优化，对结构性问题的规律和集合进行了分析和求解，最终可以直接得到鲁棒控制的理论和实践规律。在此基础上已经出现了关于H∞增益系统控制[24]、l2增益系统控制[25]和μ综合控制理论[26]等几种鲁棒控制的方式。鲁棒控制的优点仍然有许多，包括良好的系统抗干扰性、参数偏差小以及良好的系统稳定性；但它也有一些缺点，其具有很大的技术局限性，只能用于处理非结构性系统不确定性的问题、权衡函数的选取困难等。

3 调速与励磁复合控制器的研究发展

励磁和汽轮机联合调速的解耦和联合控制器的设计广泛应用于大型的汽轮机和火力发电机组，国内外的专家和学者对其控制算法都进行了大量的深入研究，如基于反馈线性化的非线性控制算法[27-28]、递归自校正的神经网络控制算法[29]、自校正神经网络控制算法[30]、采用变结构控制算法[31-32]、采用多指标非线性解耦的汽轮机复合控制[33]、逆系统控制的方法[34]、多机解耦复合控制在大型电力系统的设计过程中的分散控制[35]等。2001年，唐忠健博士成功开发和设计了大型发电机组中的一种附加励磁与汽轮机联合调速的解耦复合控制器[36]，而其主要研究和利用的复合控制理论基础就是非线性解耦复合控制状态下的PI解耦和汽轮机复合控制的解耦理论。

励磁和转浆叶调速的水轮转浆叶控制系统联合协调的控制系统设计，在水轮转浆式水力发电机组励磁和控制转浆叶方面的实际应用和技术研究相对较少。1995年，m.djukanovic在低水头励磁和调速的转浆式水轮调速风力发电机组的水轮转浆叶复合控制中，采用自适应线性化神经网络的转浆叶控制系统理论，设计了励磁和调速(转浆叶包括励磁导叶和自动调速的水轮转浆叶)系统综合协调的转浆叶控制器[37]，能有效地控制和改善系统的工作暂态和运行稳定性。1996年，赵闻飚利用了转浆式水力发电机组控制系统线性化转浆叶神经网络的模型，采用H∞控制线性化神经网络的理论，并成功设计了励磁和转浆叶调速的水轮转浆叶复合控制[38]。1997年，miodrag等人，采用了模糊相适应水轮机神经网络的理论重新设计了励磁和水轮机调速转浆叶综合协调的解耦控制器[39]。1999年，djordje等项目负责人重新设计了一种主要适用于低水头调速转浆式水轮发电机组的励磁和水轮机调速转浆叶控制器综合的解耦控制器，可以有效地减少和抑制在大水力扰动的条件下水轮发电机组的振荡[40]。2000年，肖志怀采用多变量的频率偏差控制的方法重新研究设计了励磁和有功水轮机调速电压综合的控制器，他采用励磁水轮机有功调速电压的频率增量和励磁水轮机有功调速电压之间的频率偏差控制信号为基础的解耦电路输入频率控制信号，进行解耦电路和控制器的分析和设计[41]。2002年，陈远楚博士首先提出了采用相适应神经网络理论协调控制的方法重新研究分析和设计了励磁和水轮机有功调速的综合协调控制的规律和存在的问题[42]。2004年，m.j.jin基于微分方程和几何的动力学理论重新研究了励磁和调速多机复合电力系统在设计和运行的过程中，水轮机调速器和励磁的协调控制的规律[43]。目前相关技术研究的重点和主流方向是在控制算法和技术层次上的励磁调速复合控制器的设计。

4 结语

水力发电在不断发展，但伴随的就是远距离输电，因此电力系统的稳定和电能质量的稳定就显得十分重要。水轮机调速系统和发电机控制系统的复合控制技术相对来说较为复杂，但却是保证电力系统稳定运行和电能质量的重要方式，也是该领域目前研究的热点。对两个系统的复合控制关键在于选取适合的控制方式，但目前来说相关的理论和研究还不是很充分，开展相关的数学建模和理论研究以及仿真实验，将为水轮机组的复合控制提供科学的依据，在行业内会有重要的影响。