水电机组调节系统参数辨识及并网运行控制优化研究

摘要

随着我国能源结构优化向可持续发展方向不断推进，水电能源作为成本低廉、环境友好的可再生清洁能源在我国能源发展战略中发挥了重要作用。水电机组作为将水能转化为电能的设备，具有运行灵活、调节能力强等特点，是电力系统稳定控制中不可或缺的调峰调频装备；其中，抽水蓄能机组作为可以双向运行的水电机组，不仅改善了电网的能源结构，而且提供了更为灵活的调节空间，进一步提高了水电机组在电力系统调节中的地位。近年来，随着风电、光伏等具有间歇性和波动性的电力能源入网规模的逐步提升，电网的电能质量和运行稳定性受到了严重的挑战。水电机组作为电网调节的主力对于缓解新能源并网所引发的功率平衡和频率稳定等问题具有重要作用，因此，电网波动的加剧对水电机组的调节性能提出了更高的需求。水电机组调节系统是受水力、机械和电气因素耦合作用的具有非最小相位特性的复杂非线性系统，系统的运行呈现高度复杂的特性，为了进一步提高水电机组的调节能力，保证电力系统的安全稳定运行，亟需开展水电机组的并网运行控制优化研究。 水电机组调节系统精细化建模是机组控制优化研究的基础。传统的水电机组调节系统建模通常只考虑机组的调速系统，同时将发电机等效成具有一定转动惯量的刚体，忽略了电气因素对机组运行动力过程的影响，无法精确描述机组运行特性，对机组的精细化建模、参数辨识和控制优化带来了不利的影响。因此，本文以提高水电机组在并网运行的调节性能为目标，将系统辨识、智能优化算法和控制理论等数学工具引入至水电机组调节系统的建模、仿真和控制优化中，同时以水电机组的调节系统为切入点，针对具有水电机组的电力系统调频性能优化问题开展了深入的研究，取得了一定的成果，本文的主要研究成果和创新如下： （1）深入研究了水电机组调节系统的组成结构，将系统分为原动机、过水系统、调速器、发电机、励磁系统六大模块，分析了各模块的运行机理，归纳总结了各模块的不同建模方法，讨论了不同模型的适用情形，建立了包含调速和励磁系统的水电机组调节系统模型，为水电机组调节系统参数辨识和并网运行控制优化提供了模型基础。 （2）为实现水电机组调节系统并网运行状态的参数辨识，在建立的水电机组调节系统模型基础上，使用灰狼群优化算法将参数辨识问题转变为寻优问题，并通过引入混沌搜索策略，提高了算法的寻优能力，形成了一种改进灰狼群优化算法，实现了系统模型参数的高精度辨识。 （3）为提高水电机组调节系统的控制性能，引入协同控制理论为水电机组调速系统设计新型控制器；研究了协同控制理论的原理和控制器设计思路，基于建立的具有复杂引水系统的水电机组调速系统模型，推求了协同调速控制规律；进一步，在建立的抽水蓄能机组的调节系统模型的基础上，设计了调速励磁协同控制器；在单机无穷大系统中，通过不同状态下的仿真运行验证了设计的协同调速控制器和调速励磁协同控制器的有效性和优越性。 （4）针对风电并网规模日益增长的现状，深入研究了风电机组的组成结构和运行特性，基于前述研究建立的水电机组模型，搭建了包含抽水蓄能机组与风电机组的微电网模型，为水电机组与风电机组互联运行研究提供了模型基础；为提高抽水蓄能机组的调节性能、实现系统的运行优化，基于模糊控制理论为抽水蓄能机组调速系统设计了控制参数在线调整的自适应模糊PID控制器，采用改进灰狼群优化算法对控制器进行参数优化整定，并通过仿真试验验证了设计的控制器的有效性。 （5）针对电力系统中频率的二次调节，深入研究了电力系统的负荷频率控制方式及其目标，建立了两区域的水-火电互联电力系统负荷频率控制模型，引入协同控制理论分别为系统中水电和火电区域的负荷频率控制设计了控制器，为了提高协同控制器的误差消除能力，构造了具有积分项的宏变量，并据此推求了协同控制律；通过系统负荷扰动下的仿真对比实验表明，设计的协同控制器提高了系统负荷频率控制的调节品质。

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 水电机组调节系统参数辨识研究

1.2.1 系统辨识理论概述

1.2.2 水电机组调节系统参数辨识

1.3 水电机组调节系统控制策略研究

1.3.1 水电机组调速系统控制策略研究

1.3.2 同步发电机励磁系统控制策略研究

1.4 拥有水电机组的多能源系统研究

1.4.1 水电机组与风电机组互联微电网研究

1.4.2 电力系统负荷频率控制研究

1.5 本文主要研究内容

2 水电机组调节系统数学模型

2.1 引言

2.2 水轮机/水泵水轮机数学模型

2.2.1 线性解析模型

2.2.2 内特性模型

2.2.3 特性曲线插值模型

2.3 过水系统数学模型

2.3.1 压力引水管道模型

2.3.2 调压井模型

2.3.3 特征线求解模型

2.4 调速器数学模型

2.4.1 微机调节器数学模型

2.4.2 液压执行机构数学模型

2.5 同步发电机模型

2.5.1 同步发电机五阶模型

2.5.2 同步发电机三阶模型

2.5.3 同步发电机一阶模型

2.6 励磁系统数学模型

2.6.1 直流励磁机模型

2.6.2 励磁调节器模型

2.6.3 电力系统稳定器模型

2.7 水电机组调节系统仿真模型

2.8 本章小结

3 水电机组调节系统参数辨识

3.1 引言

3.2 基于智能优化算法的水电机组调节系统参数辨识

3.2.1 参数辨识的适应度函数

3.2.2 参数辨识策略

3.3 灰狼群优化算法及其改进

3.3.1 灰狼群优化算法

3.3.2 改进灰狼群优化算法

3.4 仿真算例

3.4.1 负荷调整工况

3.4.2 电压阶跃状态

3.5 本章小结

4 水电机组调节系统协同控制器设计

4.1 引言

4.2 协同控制理论及控制器设计方法

4.2.1 协同控制原理

4.2.2 协同控制器设计

4.2.3 协同控制流形设计

4.3 具有复杂过水系统的水电机组调速系统协同控制器设计

4.3.1 具有复杂过水系统的水电机组调速系统模型

4.3.2 协同调速控制器设计

4.3.3 仿真算例

4.4 抽水蓄能机组调速励磁系统协同控制器设计

4.4.1 抽水蓄能机组调速励磁系统仿真模型

4.4.2 调速励磁协同控制器设计

4.4.3 仿真算例

4.5 本章小结

5 抽水蓄能机组与风电机组互联微电网运行优化

5.1 引言

5.2 抽水蓄能机组与风电机组联合运行微电网

5.2.1 微电网系统中水电机组模型

5.2.2 微电网系统中双馈异步风力发电机组模型

5.2.3 抽水蓄能机组与风电机组联合运行的微电网仿真模型

5.3 抽水蓄能机组调速系统自适应模糊PID控制器设计

5.3.1 模糊控制理论

5.3.2 自适应模糊PID控制器设计

5.4 仿真算例

5.4.1 风速变化状态

5.4.2 负荷扰动状态

5.4.3 三相短路故障恢复状态

5.4.3 自适应模糊PID控制器鲁棒性分析

5.5 本章小结

6 基于协同控制的水-火电互联电力系统负荷频率控制

6.1 引言

6.2 水-火电互联电力系统负荷频率控制模型

6.2.1 调速器及原动机模型

6.2.2 发电机及联络线模型

6.2.4 水-火电互联电力系统负荷频率控制模型

6.3 协同控制器设计

6.3.2 火电区域负荷频率协同控制器设计

6.3.1 水电区域负荷频率协同控制器设计

6.4 仿真算例

6.4.1 负荷扰动状态

6.4.2 鲁棒性分析

6.5 本章小结

7 全文工作总结与展望

7.1全文工作总结

7.2进一步研究展望

致 谢

参考文献

附录1：攻读博士期间发表的论文

附录2：攻读博士期间完成和参与的科研项目