抽水蓄能机组调速系统参数辨识及控制优化研究

摘要

随着我国能源结构改革的不断深入，抽水蓄能电站作为可再生能源的储能技术以及有效地电网调峰、调频工具，得到了快速发展与大规模建设。抽水蓄能机组的复杂输水管道布置、可逆式的运行方式、频繁的工况转换以及水泵水轮机固有的“S”区域与“驼峰”区域，使得机组调速系统呈现时变、非最小相位、复杂非线性以及水-机-电强耦合等特点。这些特点不仅给机组调节、电站稳定运行带来了极大的困难，且安全问题日益凸显，给机组的安全、稳定与高效运行带来了一系列亟待解决的科学前沿问题和工程技术难题。进一步，大规模间歇性可再生能源接入电网以及电网负荷的剧烈波动，使得机组调速系统控制与优化运行呈现高度复杂特性，亟需开展抽水蓄能机组调速系统先进控制策略与优化运行等关键技术的研究。
　　抽水蓄能机组调速系统高精度建模是开展上述关键科学问题研究的基础，传统的建模方法大都将水泵水轮机简化为一阶线性模型，无法有效描述机组的运行特性以及调速系统的强非线性，制约了基于精确模型的参数辨识、智能控制策略、优化运行等关键技术领域的研究与发展。为此，本文以抽水蓄能机组安全、高效、稳定运行的需求为切入点，围绕抽水蓄能机组调速系统精确建模与控制优化领域的关键科学问题与技术瓶颈，以系统辨识、现代控制理论与智能优化算法为理论基础，以对象建模、仿真计算分析、工程实践验证为研究主线，针对抽水蓄能机组调速系统辨识与控制优化开展了深入的研究，取得了一定的理论突破与方法创新，研究成果在我国江西洪屏抽水蓄能电站得到应用示范，本文的主要研究成果与创新如下：
　　（1）综合分析抽水蓄能机组调速系统的各环节结构与数学描述方法，结合水泵水轮机的运行特性与全特性曲线数值变换方法，构建了可以满足不同研究应用需求的调速系统线性模型、基于全特性曲线对数投影变换的非线性模型以及数值计算模型；进一步，基于建立的调速系统非线性模型，发现了机组转速在控制参数域内的分岔现象，获得了系统非线性动力学时域图、相轨迹图和Pioncare映射图，探明了水泵水轮机“S”特性对于机组转速振荡的影响，揭示了机组运行在“S”特性区域的非线性动力学行为及其动态演化规律，为调速系统先进控制策略研究提供了理论依据。
　　（2）为实现抽水蓄能机组调速系统实时运行状态的参数辨识，以建立的抽水蓄能机组调速系统非线性模型为研究对象，提出了适用于求解调速系统高维参数辨识问题的改进菌群觅食趋化性-引力搜索算法（bacterial foraging chemotaxis-gravitational search algorithm，BCGSA），引入参数辨识重要度因子，建立了基于BCGSA的自适应一体化参数辨识模型，实现了非线性模型的高精度辨识；进一步，以调速系统线性模型为研究对象，提出了基于调速系统“白箱”线性模型映射的BP神经网络参数辨识方法，克服了传统神经网络系统辨识对于大量样本数据的依赖以及辨识结果泛化能力差的缺陷，发展了调速系统精确建模的研究范式。
　　（3）针对抽水蓄能机组在低水头空载工况运行易进入“S”特性区域，进而引起机组转速振荡、并网困难等问题，引入分数阶微积分思想，建立了一种新型调速系统分数阶PID控制器，有效抑制了“S”特性区域对机组空载稳定的不利影响；进一步，深入研究模糊控制理论，综合分析模糊分数阶PI与模糊分数阶PD控制器的特点，推求了适用于工程实际的模糊规则，建立了抽水蓄能机组调速系统自适应快速模糊分数阶PID控制器（AFFFOPID），仿真实验表明，AFFFOPID进一步改善了低水头空载运行时机组频率和导叶开度的过渡过程，提高了抽水蓄能机组调节系统的控制品质。
　　（4）针对大波动工况下抽水蓄能机组运行不稳定问题，深入探讨了不同导叶关闭方式的特点及其对输水系统各水力单元的水力特性的影响，基于本文建立的“一管-双机”式抽水蓄能机组调速系统数值计算模型，引入水力单元调保计算安全阈值边界和调速器油速等多重约束因素，建立了均衡考虑机组转速上升率与水锤压力波动的导叶关闭规律多目标优化模型，并提出了一种基于种群重构、多目标趋化性操作以及精英档案集指导等机制的改进多目标引力搜索算法（IMOGSA），实现了机组导叶关闭规律多目标优化问题的高效求解，快速制定出了甩负荷、水泵断电工况下分布均匀且广泛的导叶关闭规律非支配方案集，为保障抽水蓄能机组的安全、稳定运行提供了理论依据与科学的指导。
　　（5）基于本文抽水蓄能机组调速系统辨识与控制优化研究的理论成果，设计开发了一种面向服务的抽水蓄能机组调速系统控制优化与性能评估应用系统，通过调速系统分布式集散监测数据融合，实现了调速系统参数辨识、控制优化与性能评估等功能，该系统已成功应用于江西洪屏抽水蓄能电站，为电站运行人员提供科学的辅助决策建议，推动了我国抽水蓄能行业的科技进步与发展。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 抽水蓄能机组运行特点与特性

1.3 抽水蓄能机组调速系统辨识研究

1.4 水电机组调速系统控制优化研究

1.5 本文主要研究内容

2 抽水蓄能机组调速系统建模及非线性动力学分析

2.1 引言

2.2 调速器数学模型

2.3 引水系统数学模型

2.4 水泵水轮机数学模型

2.5 发电/电动机及负载模型

2.6 抽水蓄能机组调速系统仿真模型

2.7 基于调速系统非线性模型的动力学稳定性分析

2.8 本章小结

3 抽水蓄能机组调速系统参数辨识

3.1 引言

3.2 引力搜索算法

3.3 基于改进引力搜索的调速系统自适应参数辨识

3.4 基于调速系统“白箱”线性模型映射的BP神经网络参数辨识

3.5 本章小结

4 抽水蓄能机组调速系统分数阶PID控制器设计与参数优化

4.1 引言

4.2 分数阶微积分原理

4.3 多场景模式下分数阶PID控制器设计与参数优化

4.4 自适应快速模糊分数阶PID控制与参数优化

4.5 本章小结

5 复杂工况下抽水蓄能机组导叶关闭规律多目标优化

5.1 引言

5.2 导叶关闭规律优化问题描述

5.3 改进多目标引力搜索算法

5.4 复杂工况下机组导叶关闭规律多目标优化模型

5.5 基于IMOGSA的导叶关闭规律多目标优化求解策略

5.6 实例分析

5.7 本章小结

6 抽水蓄能机组调速系统控制优化与性能评估系统设计

6.1 引言

6.2 面向服务的抽水蓄能机组调速系统控制优化与性能评估系统设计1

6.3 调速系统控制优化与性能评估系统在洪屏电站的应用

6.4 本章小结

7 全文总结及展望

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

附录3: 与导师合作申请的发明专利

附录4: 攻读博士期间奖励与授权研究成果