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摘要：本文主要讨论了PID控制在自动发电控制（AGC）和水轮机调速器中的应用，简要分析了调速器死区产生的原因及影响，重点阐述了脉冲调节及PID控制在水电站有功调节的具体实现方式。并针对大容量机组的负荷调节死区产生的负荷偏差提出优化解决方案，以及机组出力优化前后的对比。
关键词：PID控制;水电厂;调节;应用
引言
水电站在电网生产运行中发挥防洪灌溉、调峰调频的重大作用，对全厂有功调节进行优化以提高资源利用效率至关重要，然而由于水电厂功率调节速度快，出力能在短时间大幅度增减，容易给电网造成安全隐患。因此必须利用高效PID控制策略对各机组出力、负荷分配、运行方式、全厂功率等参数进行处理，合理进行流域梯级水库和发电生产，尽量避免弃水现象的发生。
一、 PID 控制在水轮机调速器中的应用及死区的影响
水轮机调速器是水电站核心控制设备之一，它与计算机监控系统相配合，承担着机组导叶开度、机组频率、机组功率等控制任务，简单的水轮机微机调速器系统结构如图 1 所示。PLC调节器经过 PID运算输出脉冲序列，经过放大后作为开关阀的输入信号，但是开关阀只有开启和关闭两种状态，输出的流量是断续的，这时需采用 PWM控制技术控制高速开关阀，让其输出连续的流量信号并进入接力器，从而控制接力器的位移，反馈信号则取自接力器位移，经过 V/F 转换成频率信号再次输入PLC，与运算值进行综合比较，达到调节导叶开度的目的。
目前，国际和国内的数字式调试器都是基于 PID或以 PID为基础的适应性变参数调整规律。由于水流贯性时间常数、水头的变化、尾水的波动以及蜗壳中不均匀流场引起的脉动，水轮机微机调速器出现导叶开度调整不到位的情况，也就是导叶开度控制死区。死区如果过大，实质就是理论和自动控制的失效，具体表现为机组频率摆动过大，主配抽动剧烈，压油泵启动频繁，管路振动，难于并网等。当然死区也不是越小越好，过于精准可能会使得主配压阀非常灵敏，这对系统未必是好事。事实上，系统中如果存在一定的死区，在动态调节过程中，该死区会存在于整个调节过程中，使得导叶反馈曲线和给定曲线并不完全一致，且形成一个相对平缓的调节过渡过程，这对有效抑制机组惯性造成的频率反馈滞后是非常有利的。
二、电网对水电机组PID功率调节的要求
电网对水电机组PID功率调节的要求：在机组功率调节过程中，保证安全、平滑、快速地将机组有、无功负荷调整到设定的目标值;不出现超调与调节振荡;能保证机组的各项参数在允许的功偏差值内运行。安全是指在调节过程中机组的各项参数不能超出安全范围;平滑是指调节时机组功率不要出现大的超调;快速是指机组能较快地响应功率设定，在调速系统安全允许的情况下，尽快的将实发值调节
至目标值死区范围内。
三、PID功率调节程序的保护与闭锁条件
PID调节算法本身可以计算出功率调节控制的脉宽，但并不能保证调节的安全，所以在调节程序算法的外围设计了相应的闭锁和保护程序，保证调节的安全。保护和闭锁是两个不同的概念，程序的具体实现方法也不相同。功率调节闭锁是指当某项电气量达到闭锁限定值时，功率调节程序就将相应的输出闭锁，禁止其输出;调节程序继续执行，一旦闭锁电气量条件恢复到正常值时，调节程序就自动解除其相应的输出闭锁，允许其输出。而调节保护是指边界条件达到保护限定值时，整个功率调节程序退出。
1.PID功率调节保护
（1）PID功率调节超时保护。超时保护是指在经过长时间对机组有功或无功功率进行调节后仍未进人设定值范围，说明PID调节程序某-环节出现问题，调节程序自动退出，需要运行人员进行千预处理。
（2）PID功率调节负荷差保护。负荷差保护是指PID调节程序下发一次调节脉冲前后功率差过大时，调节程序自动退出。调节程序需要满足安全平滑的调节要求，因此正常的调节过程不应出现功率突变的现象，一旦功率突变则说明PID调节某环节出现问题，应将调节程序退出运行。
（3）PID功率调节频率保护。频率保护是指频率高于一定限值时调节程序自动退出。正常情况下机组并网后其频率应相对稳定，如果发生频率过高说明机组可能已脱离电网或电网自身有重大事故，这时需将调节程序退出。
2.PID功率调节闭锁
机组在并网运行中各电气参数必须在规程规定的限定值内运行，以保证机组的安全稳定及经济运行。因此，在PID调节程序中设置了电气量闭锁，分述如下：
（1）定子电流上限闭锁定子电流上限闭锁，闭锁有功、无功增调节。防止机组定子过流引起机组定子温度过高。
（2）转子电压上、下限闭锁转子电压上、下限闭锁，闭锁无功增、或调节。
（3）定子电压上、下限闭锁，定子电压上、下限闭锁，闭锁无功增减调节。
在水电机组中，有的机组因水轮机效率特性运行中的机组振动与汽蚀水头变化等因素的影响，要求水轮机的导叶开度在规定的边界条件下运行，以保证水轮机的安全稳定运行。因此，有些水电机组的PID调节程序还设置了导叶开度闭锁用以闭锁有功功率。
四、PID调节在电厂AGC中应用
从水电机组快速开、停机，增减负荷的要求上看，优先采用比例控制是非常合理和科学的。根据设定负荷和实际负荷的差值，通过监控系统机组现地控制单元（LCU）的PID控制程序來进行闭环控制调节。具体对PID控制器而言，
在脉冲宽度调制（PWM1）中，在固定循环周期（t_period）内输出与模拟值X成比例的可变持续时间的“1”信号，其输出Y_POS（增脉冲）和Y_NEG（减脉冲）的脉冲长度T_on分别为：
使用比例控制，则有YI=0，YD=0。其中PID首次调节的参数分别为：
随后将得到的增益值输入到控制模块中，并通过脉冲长度计算公式（2）或（3）得到脉冲输出长度。
五、有功调节存在的问题及原因分析
由于死区的存在，全厂有功出力实发值存在无法达到调度下发设定值的情况，偏差可能较大，有功出力调节不够精确。所以急需对监控系统有功出力调节策略进行优化，使全厂出力实发值达到调度下发的设定值。由于机组有功功率采用有功PID调节模块调节，根据调度下达的全厂有功出力设定值，分配至各台机组有功PID的调节变化量不确定。机组有功PID在小幅调节时的调节能力较差，造成机组有功出力实发值低于有功设定值的情况，从而导致全厂机组实际出力值低于设定值。当机组有功PID调节到位后若有功实发值低于有功设定值，则多发一次增有功脉冲，使有功实发值达到有功设定值。同时，兼顾PID与一次调频的协调关系，仅在一次调频未动作的情况下生效，避免干扰机组一次调频正确动作。
结束语
在发电机组的AGC有功调节过程中，水轮机组在某些负荷区域运行时会产生较大振动，也就是通常说的振动区，个别机组的振动区甚至出现在机组的高效率区，而这会大大影响机组的安全稳定和使用寿命。因此必须合理进行有功调节及分配，将机组的运行调整在合理的区间，避开机组的振动区域，使机组有良好的工况，更好的执行电网的负荷需求。
参考文献
[1]王定一，伍永刚.水电厂用计算机实现自动发电控制的经济效益[J].水力发电，1994（1）：17-49.
关键词：PID控制;水电厂;调节;应用
引言
水电站在电网生产运行中发挥防洪灌溉、调峰调频的重大作用，对全厂有功调节进行优化以提高资源利用效率至关重要，然而由于水电厂功率调节速度快，出力能在短时间大幅度增减，容易给电网造成安全隐患。因此必须利用高效PID控制策略对各机组出力、负荷分配、运行方式、全厂功率等参数进行处理，合理进行流域梯级水库和发电生产，尽量避免弃水现象的发生。
一、 PID 控制在水轮机调速器中的应用及死区的影响
水轮机调速器是水电站核心控制设备之一，它与计算机监控系统相配合，承担着机组导叶开度、机组频率、机组功率等控制任务，简单的水轮机微机调速器系统结构如图 1 所示。PLC调节器经过 PID运算输出脉冲序列，经过放大后作为开关阀的输入信号，但是开关阀只有开启和关闭两种状态，输出的流量是断续的，这时需采用 PWM控制技术控制高速开关阀，让其输出连续的流量信号并进入接力器，从而控制接力器的位移，反馈信号则取自接力器位移，经过 V/F 转换成频率信号再次输入PLC，与运算值进行综合比较，达到调节导叶开度的目的。
目前，国际和国内的数字式调试器都是基于 PID或以 PID为基础的适应性变参数调整规律。由于水流贯性时间常数、水头的变化、尾水的波动以及蜗壳中不均匀流场引起的脉动，水轮机微机调速器出现导叶开度调整不到位的情况，也就是导叶开度控制死区。死区如果过大，实质就是理论和自动控制的失效，具体表现为机组频率摆动过大，主配抽动剧烈，压油泵启动频繁，管路振动，难于并网等。当然死区也不是越小越好，过于精准可能会使得主配压阀非常灵敏，这对系统未必是好事。事实上，系统中如果存在一定的死区，在动态调节过程中，该死区会存在于整个调节过程中，使得导叶反馈曲线和给定曲线并不完全一致，且形成一个相对平缓的调节过渡过程，这对有效抑制机组惯性造成的频率反馈滞后是非常有利的。
二、电网对水电机组PID功率调节的要求
电网对水电机组PID功率调节的要求：在机组功率调节过程中，保证安全、平滑、快速地将机组有、无功负荷调整到设定的目标值;不出现超调与调节振荡;能保证机组的各项参数在允许的功偏差值内运行。安全是指在调节过程中机组的各项参数不能超出安全范围;平滑是指调节时机组功率不要出现大的超调;快速是指机组能较快地响应功率设定，在调速系统安全允许的情况下，尽快的将实发值调节
至目标值死区范围内。
三、PID功率调节程序的保护与闭锁条件
PID调节算法本身可以计算出功率调节控制的脉宽，但并不能保证调节的安全，所以在调节程序算法的外围设计了相应的闭锁和保护程序，保证调节的安全。保护和闭锁是两个不同的概念，程序的具体实现方法也不相同。功率调节闭锁是指当某项电气量达到闭锁限定值时，功率调节程序就将相应的输出闭锁，禁止其输出;调节程序继续执行，一旦闭锁电气量条件恢复到正常值时，调节程序就自动解除其相应的输出闭锁，允许其输出。而调节保护是指边界条件达到保护限定值时，整个功率调节程序退出。
1.PID功率调节保护
（1）PID功率调节超时保护。超时保护是指在经过长时间对机组有功或无功功率进行调节后仍未进人设定值范围，说明PID调节程序某-环节出现问题，调节程序自动退出，需要运行人员进行千预处理。
（2）PID功率调节负荷差保护。负荷差保护是指PID调节程序下发一次调节脉冲前后功率差过大时，调节程序自动退出。调节程序需要满足安全平滑的调节要求，因此正常的调节过程不应出现功率突变的现象，一旦功率突变则说明PID调节某环节出现问题，应将调节程序退出运行。
（3）PID功率调节频率保护。频率保护是指频率高于一定限值时调节程序自动退出。正常情况下机组并网后其频率应相对稳定，如果发生频率过高说明机组可能已脱离电网或电网自身有重大事故，这时需将调节程序退出。
2.PID功率调节闭锁
机组在并网运行中各电气参数必须在规程规定的限定值内运行，以保证机组的安全稳定及经济运行。因此，在PID调节程序中设置了电气量闭锁，分述如下：
（1）定子电流上限闭锁定子电流上限闭锁，闭锁有功、无功增调节。防止机组定子过流引起机组定子温度过高。
（2）转子电压上、下限闭锁转子电压上、下限闭锁，闭锁无功增、或调节。
（3）定子电压上、下限闭锁，定子电压上、下限闭锁，闭锁无功增减调节。
在水电机组中，有的机组因水轮机效率特性运行中的机组振动与汽蚀水头变化等因素的影响，要求水轮机的导叶开度在规定的边界条件下运行，以保证水轮机的安全稳定运行。因此，有些水电机组的PID调节程序还设置了导叶开度闭锁用以闭锁有功功率。
四、PID调节在电厂AGC中应用
从水电机组快速开、停机，增减负荷的要求上看，优先采用比例控制是非常合理和科学的。根据设定负荷和实际负荷的差值，通过监控系统机组现地控制单元（LCU）的PID控制程序來进行闭环控制调节。具体对PID控制器而言，
在脉冲宽度调制（PWM1）中，在固定循环周期（t_period）内输出与模拟值X成比例的可变持续时间的“1”信号，其输出Y_POS（增脉冲）和Y_NEG（减脉冲）的脉冲长度T_on分别为：
使用比例控制，则有YI=0，YD=0。其中PID首次调节的参数分别为：
随后将得到的增益值输入到控制模块中，并通过脉冲长度计算公式（2）或（3）得到脉冲输出长度。
五、有功调节存在的问题及原因分析
由于死区的存在，全厂有功出力实发值存在无法达到调度下发设定值的情况，偏差可能较大，有功出力调节不够精确。所以急需对监控系统有功出力调节策略进行优化，使全厂出力实发值达到调度下发的设定值。由于机组有功功率采用有功PID调节模块调节，根据调度下达的全厂有功出力设定值，分配至各台机组有功PID的调节变化量不确定。机组有功PID在小幅调节时的调节能力较差，造成机组有功出力实发值低于有功设定值的情况，从而导致全厂机组实际出力值低于设定值。当机组有功PID调节到位后若有功实发值低于有功设定值，则多发一次增有功脉冲，使有功实发值达到有功设定值。同时，兼顾PID与一次调频的协调关系，仅在一次调频未动作的情况下生效，避免干扰机组一次调频正确动作。
结束语
在发电机组的AGC有功调节过程中，水轮机组在某些负荷区域运行时会产生较大振动，也就是通常说的振动区，个别机组的振动区甚至出现在机组的高效率区，而这会大大影响机组的安全稳定和使用寿命。因此必须合理进行有功调节及分配，将机组的运行调整在合理的区间，避开机组的振动区域，使机组有良好的工况，更好的执行电网的负荷需求。
参考文献
[1]王定一，伍永刚.水电厂用计算机实现自动发电控制的经济效益[J].水力发电，1994（1）：17-49.