抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識及控制優(yōu)化研究.pdf

1、隨著我國能源結(jié)構(gòu)改革的不斷深入，抽水蓄能電站作為可再生能源的儲能技術(shù)以及有效地電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻工具，得到了快速發(fā)展與大規(guī)模建設(shè)。抽水蓄能機(jī)組的復(fù)雜輸水管道布置、可逆式的運(yùn)行方式、頻繁的工況轉(zhuǎn)換以及水泵水輪機(jī)固有的“S”區(qū)域與“駝峰”區(qū)域，使得機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)呈現(xiàn)時(shí)變、非最小相位、復(fù)雜非線性以及水-機(jī)-電強(qiáng)耦合等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)不僅給機(jī)組調(diào)節(jié)、電站穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的困難，且安全問題日益凸顯，給機(jī)組的安全、穩(wěn)定與高效運(yùn)行帶來了一系列亟待解決的科學(xué)

2、前沿問題和工程技術(shù)難題。進(jìn)一步，大規(guī)模間歇性可再生能源接入電網(wǎng)以及電網(wǎng)負(fù)荷的劇烈波動，使得機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制與優(yōu)化運(yùn)行呈現(xiàn)高度復(fù)雜特性，亟需開展抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)先進(jìn)控制策略與優(yōu)化運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)的研究。
　　抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)高精度建模是開展上述關(guān)鍵科學(xué)問題研究的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的建模方法大都將水泵水輪機(jī)簡化為一階線性模型，無法有效描述機(jī)組的運(yùn)行特性以及調(diào)速系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，制約了基于精確模型的參數(shù)辨識、智能控制策略、優(yōu)化運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)

3、領(lǐng)域的研究與發(fā)展。為此，本文以抽水蓄能機(jī)組安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的需求為切入點(diǎn)，圍繞抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)精確建模與控制優(yōu)化領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)瓶頸，以系統(tǒng)辨識、現(xiàn)代控制理論與智能優(yōu)化算法為理論基礎(chǔ)，以對象建模、仿真計(jì)算分析、工程實(shí)踐驗(yàn)證為研究主線，針對抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)辨識與控制優(yōu)化開展了深入的研究，取得了一定的理論突破與方法創(chuàng)新，研究成果在我國江西洪屏抽水蓄能電站得到應(yīng)用示范，本文的主要研究成果與創(chuàng)新如下：
　?。?）綜合分

4、析抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)描述方法，結(jié)合水泵水輪機(jī)的運(yùn)行特性與全特性曲線數(shù)值變換方法，構(gòu)建了可以滿足不同研究應(yīng)用需求的調(diào)速系統(tǒng)線性模型、基于全特性曲線對數(shù)投影變換的非線性模型以及數(shù)值計(jì)算模型；進(jìn)一步，基于建立的調(diào)速系統(tǒng)非線性模型，發(fā)現(xiàn)了機(jī)組轉(zhuǎn)速在控制參數(shù)域內(nèi)的分岔現(xiàn)象，獲得了系統(tǒng)非線性動力學(xué)時(shí)域圖、相軌跡圖和Pioncare映射圖，探明了水泵水輪機(jī)“S”特性對于機(jī)組轉(zhuǎn)速振蕩的影響，揭示了機(jī)組運(yùn)行在“S”特性區(qū)域的非線性動力

5、學(xué)行為及其動態(tài)演化規(guī)律，為調(diào)速系統(tǒng)先進(jìn)控制策略研究提供了理論依據(jù)。
　?。?）為實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)辨識，以建立的抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)非線性模型為研究對象，提出了適用于求解調(diào)速系統(tǒng)高維參數(shù)辨識問題的改進(jìn)菌群覓食趨化性-引力搜索算法（bacterial foraging chemotaxis-gravitational search algorithm，BCGSA），引入?yún)?shù)辨識重要度因子，建立了基于BCGSA

6、的自適應(yīng)一體化參數(shù)辨識模型，實(shí)現(xiàn)了非線性模型的高精度辨識；進(jìn)一步，以調(diào)速系統(tǒng)線性模型為研究對象，提出了基于調(diào)速系統(tǒng)“白箱”線性模型映射的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)辨識方法，克服了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識對于大量樣本數(shù)據(jù)的依賴以及辨識結(jié)果泛化能力差的缺陷，發(fā)展了調(diào)速系統(tǒng)精確建模的研究范式。
　?。?）針對抽水蓄能機(jī)組在低水頭空載工況運(yùn)行易進(jìn)入“S”特性區(qū)域，進(jìn)而引起機(jī)組轉(zhuǎn)速振蕩、并網(wǎng)困難等問題，引入分?jǐn)?shù)階微積分思想，建立了一種新型調(diào)速系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階P

7、ID控制器，有效抑制了“S”特性區(qū)域?qū)C(jī)組空載穩(wěn)定的不利影響；進(jìn)一步，深入研究模糊控制理論，綜合分析模糊分?jǐn)?shù)階PI與模糊分?jǐn)?shù)階PD控制器的特點(diǎn)，推求了適用于工程實(shí)際的模糊規(guī)則，建立了抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)自適應(yīng)快速模糊分?jǐn)?shù)階PID控制器（AFFFOPID），仿真實(shí)驗(yàn)表明，AFFFOPID進(jìn)一步改善了低水頭空載運(yùn)行時(shí)機(jī)組頻率和導(dǎo)葉開度的過渡過程，提高了抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
　?。?）針對大波動工況下抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定問

8、題，深入探討了不同導(dǎo)葉關(guān)閉方式的特點(diǎn)及其對輸水系統(tǒng)各水力單元的水力特性的影響，基于本文建立的“一管-雙機(jī)”式抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型，引入水力單元調(diào)保計(jì)算安全閾值邊界和調(diào)速器油速等多重約束因素，建立了均衡考慮機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率與水錘壓力波動的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律多目標(biāo)優(yōu)化模型，并提出了一種基于種群重構(gòu)、多目標(biāo)趨化性操作以及精英檔案集指導(dǎo)等機(jī)制的改進(jìn)多目標(biāo)引力搜索算法（IMOGSA），實(shí)現(xiàn)了機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律多目標(biāo)優(yōu)化問題的高效求解，快速制定出

9、了甩負(fù)荷、水泵斷電工況下分布均勻且廣泛的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律非支配方案集，為保障抽水蓄能機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論依據(jù)與科學(xué)的指導(dǎo)。
　?。?）基于本文抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)辨識與控制優(yōu)化研究的理論成果，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種面向服務(wù)的抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制優(yōu)化與性能評估應(yīng)用系統(tǒng)，通過調(diào)速系統(tǒng)分布式集散監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識、控制優(yōu)化與性能評估等功能，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于江西洪屏抽水蓄能電站，為電站運(yùn)行人員提供科學(xué)的輔助決策建議，