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逆奈奎斯特阵列法在水电机组控制中的应用

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第２期（总第３９３期）　吉　林水利　２０１５年２月　［文章ｍ－￣－］１００９—２８４６（２０１５）０２—００３０—０７　逆奈奎斯特阵列法在水电机组控制中的应用　张鹏．王玲花　（华北水利水电大学电力学院，河南　郑州４５００１１）　［摘要］针对水轮发电机组控制系统中多变量控制对象的特点，采用现代频域法中逆奈奎斯特阵列法对水轮发　电机组中的励磁与调速耦合控制回路进行解耦。以减弱回路之间的相互关联，然后对每一控制回路按照单变量　控制系统进行设计。仿真结果表明，用该方法能够降低两者之间的影响并且实现良好的控制效果。　［关键词］水轮发电机组；逆奈奎斯特阵列法；解耦；仿真　［中图分类号］ＴＶ　７３４．２　［文献标识码］Ｂ　水轮发电机组之所以能按照电力系统的任务　要求进行工作．是由于水轮机调速控制系统和发　电机励磁控制系统二者协同控制才完成的　一方　面．调速控制系统和励磁控制系统的动态特性差　异很大：调速控制系统是一个具有水力、机械回路　的大惯性系统环节．时间常数大．导致其动作具有　时滞性；励磁控制系统是电气回路。时间常数小，　动作快　另一方面．调速控制系统和励磁控制系统　又是通过角速度耦合起来［１】。近年来。一些专家学　者研究了励磁调节和转速调节之间的相互影ＩＩ￣［２－７１　大量研究结果表明水轮发电机组的两个控制环相　互制约、相互影响，使整体控制性能变弱。　传统的设计中．机组运动方程中的机械力矩　假设不变．机械力矩只是励磁控制系统中的扰动　信号。当发生低频振荡时．电磁转矩变化将引起调　速器的功率调节．出现励磁与调速分别动作的情　况。为了协调这种控制，抑制低频振荡，宜采用励　磁与调速协调设计　目前在以励磁控制系统和调速控制系统相分　离的基础发展起来的水轮发电机组协调控制系统　研究的主流是在控制算法层次上的协调设计。其　基本思路是：在机组运动方程中，将机械功率项表　示成导叶开度的函数．这样由机组运动方程和发　电机方程就构成了励磁和调速的协调控制模型．　通过选取合理的控制信号．实现机组的协调控制　的目标，其中包括改善系统的功角稳定性。抑制低　频振荡等。但由于系统间的耦合作用．随着工况点　的改变，系统的性能也会变差　现代控制理论的发展为控制系统的设计提供　了新的理论和方法．其中包括状态空间理论与现　代频域设计理论［８１等　现代频域设计理论中的逆奈　奎斯特阵列法不像状态空间法那样．对控制对象　的数学模型的精度要求很高．由于这种方法是在　古典频率法的基础上发展而来．具有清晰直观的　物理概念、设计方向容易判别，易于在工程上实现　等优点　本文针对水轮发电机组控制系统中存在　的上述问题．采用逆奈奎斯特阵列法对其控制系　统进行设计与分析　１　水轮发电机组控制系统设计　根据逆奈奎斯特阵列法【９１设计思想建立水轮　发电机组综合控制器结构图（其中包含转速调节　部分，励磁调节部分和被控对象），如图１所示。本　文被控对象水轮发电机组耦合系统传递函数数学　采用四阶数学模型，传递函数矩阵Ｇ（ｓ）＝［ｇ　（ｓ），　ｇｌ：（ｓ），　－（ｓ），　（ｓ）］表示；矩阵Ｋｅ（　）＝　。（ｓ），ｋ　ｚ　（ｓ），ｋｐ３（ｓ），ｋｐ４（ｓ）］表示预补偿矩阵，它一般为常数　矩阵，用来对被控对象Ｇ（ｓ）进行补偿，使被控对象　矩阵成为对角优势矩阵；矩阵　（ｓ）为动态补偿矩　阵，且Ｋｄ（ｓ）＝ｄｉａｇ［ｋ　（ｓ），ｋ，ａ（ｓ）］，它是对系统的每　一回路进行动态补偿，改善系统的性能：矩阵Ｆ（ｓ）　为反馈增益矩阵，且Ｆ（ｓ）＝ｄｉａｇ（＾　厂２），它对系统的　每一回路构成闭环，使系统闭环稳定。　［收稿日期］２０１４—１２—１９　【作者简介】ｇ￣（１９８９一），男，华北水利水电大学在读研究生，水利水电工程专业。　一

３０—　吉林水利　逆奈奎斯特阵列法在水电机组控制中的应用　张鹏等　２０１５年２月　Ｒ　

．　图１　水轮发电机组综合控制器结构图　逆奈奎斯特阵列法基本设计步骤如下：　（１）设计预补偿阵《‘（ｓ），使　：‘（ｓ）Ｇ一（ｓ）或Ｇ　（ｓ）　（ｓ）为对角阵或者对角优势阵，以实现解耦；　ｆ２）依据逆奈奎斯特稳定性判据，按被控对象　系统矩阵的Ｇｅｒｓｃｈｇｏｉｎ带，确定反馈增益矩阵Ｆ　（ｓ）并使其满足稳态精度的要求；　ｆ３）对解耦后的单个回路。设计动态补偿矩阵　Ｙ　

（ｓ），使闭环系统满足动态要求。　逆奈奎斯特阵列法的最终设计目标就是设计　出静态补偿矩阵　（ｓ），动态补偿矩阵　（ｓ）以及　反馈增益矩阵Ｆ（ｓ）。根据逆奈奎斯特阵列法基本　设计步骤．利用ＭＡＴＬＡＢ强大的计算功能编制计　算机辅助设计程序【姗．其程序用Ｍ语言编制而成，　其流程图如图２所示　

图２逆奈奎斯特阵列法计算机辅助设计流程图　２　水轮发电机组耦合系统模型　本文针对水轮机调速系统和发电机励磁系统　常是由相互独立的控制而导致系统模型精度失　配、缺乏全面的水机电耦合数学模型的问题，构建　了水电站整体水机电耦合系统模型．更加接近于　实际物理系统。　２．１物理模型　水轮发电机组耦合系统有两个紧密联系的主　控制环：①水轮机与调速器组成的主环，它的目的　是控制机组机械转矩．通过调速系统来调节机组　的转速（频率），维持系统的能量平衡。②发电机励　磁控制系统主环．通过发电机励磁系统调节励磁　电流，维持发电机端电压稳定的目的【ｎ，１２］。如图３所　示，图中０为水轮机导叶开度；ｑ为水轮机流量；＾　为水轮机水头；Ｐｍ为机械功率；　为励磁系统输出　电压；　为发电机机端电压；ｎ为机组转速；　为　电力系统稳定器输出电压值　一

３１—　吉林水利　逆奈奎斯特阵列法在水电机组控制中的应用　张鹏等　２０１５年２月　

图３水轮发电机组耦合系统　２．２数学模型　水轮发电机组耦合系统被控对象数学模型【ｌ３１为（１）式：　Ｃ（ｓ）＝　０．Ｏ６　Ｏ．Ｏ５　０．０４　０．Ｏ３　０．０２　Ｏ．０１　Ｏ　－２．４３ｓ＋４ｌ５．８８　—　————■　——————一　ｓ＋１　１．４２ｓ＋１４．３５ｓ＋１．９　２　ｓ＋１２３．８２ｓ＋１４３２８．１　１　————　—————————～　ｓ＋１００ｓ＋２６Ｏ（１ｓ＋１１１１．１１　２４．３９　—ｉ．—————　———————一　ｓ＋２５．３５ｓ＋１４．５３ｓ＋１．６ｌ　１６８００　————　————————一　ｓ＋ｌＯＯｓ＋２６００ｓ＋１１１１．１ｌ　

，－０．０８　－０．０６　－０．０４　－０．Ｏ２　０　０．０２　Ｏ　－０．００５　－０．０ｌ　－－０．０１５　－０．０２　－０．０２５　—０．０３　－０．０３５　－０．０４　－０．０ｌ　０　０．０ｌ　０．０２　Ｏ．０３　０．０４　０．０５　０．０６　～３２　（１）　

×１０－３　

图４

带有带的逆奈奎斯特图　吉林水利　逆奈奎斯特阵列法在水电机组控制中的应用　张鹏等　２０１５年２月　３　系统解耦设计　按照前述逆奈奎斯特阵列法基本设计思想．　首先编写Ｍ文件．用ＭＡＴＬＡＢ绘制出Ｇ　（ｓ）带有　Ｇｅｒｓｈｇｏｒｉｎ带的逆奈奎斯特图．若对于全部的　来　说．各个对角元素Ｇｅｒｓｈｇｏｒｉｎ带均不含原点，则系　统对角优势占优．系统变量间的耦合性很弱，否　则．需要补偿器对其进行解耦设计。　如图４所示．由于第一行对角元素Ｇｅｒｓｈｇｏｒｉｎ　带均包含原点．且第二行Ｇｅｒｓｈｇｏｒｉｎ带比较宽，因　此可以判定系统不满足对角占优．需要对其进行　解耦和静态补偿　利用伪对角化法．由ＭＡ，Ｉ＇ＩＡＢ编写出伪对角　化函数【　．该函数可以由给定频率段的逆奈奎斯特　数据来求取预补偿矩阵　。　一１『－１．０３５８　０．０５７６］　Ｐ一【一０．７８２１—１．２９６６　Ｊ　即　＝［　】　经过伪对角处理后，补偿模型　（ｓ）Ｇ　（ｓ）带　有Ｇｅｒｓｈｇｏｒｉｎ带的逆奈奎斯特图如图５所示　由图５可以看出．经过补偿后的被控系统已　经趋于对角矩阵。解耦成功。　

图５带有带的逆奈奎斯图　根据逆奈奎斯特阵列法对角优势和稳定性联　合判据．为了实现闭环系统稳定，我们必须找到反　馈增益矩阵Ｆ．由于经过补偿后的Ｇｅｒｓｈｇｏｒｉｎ带与　负实轴无交点．所以反馈增益的取值范围为０≤　≤∞，为了便于控制的实现，我们把反馈增益都　取为单位反馈　经过补偿后的系统已满足对角优势．可以采　用类似于单变量系统设计理论进行设计．而不必　顾虑某一回路会影响其他回路　因此根据水轮机　调节系统分析【ｌ５ｊ．利用ＰＩＤ参数整定原则和依据　［１６１，来确定动态补偿矩阵　（ｓ）。本文选取　ｌ　３．３＋　＋１．８ｓ　０　ｌ　Ｋａ（ｓ　｛　３－２＋盟＋０．　Ｊ　【　ｓ　Ｊ　如图６所示．经过动态补偿后的系统具有较　强的对角占优特性　至此．根据逆奈奎斯特阵列法，已经求出了静　态补偿矩阵　，动态反馈矩阵　，反馈矩阵　完成　对系统的设计　一

３３—　吉林水利　逆奈奎斯特阵列法在水电机组控制中的应用　张　鹏等　２０１５年２月　

图６的逆奈奎斯特图　

—．３４—．　图７

仿真模型　吉林水利　逆奈奎斯特阵列法在水电机组控制中的应用　张鹏等　２０１５年２月　有功波动　

４　系统仿真　无功波动　

图８系统的阶跃响应曲线　根据前面所介绍的水轮发电机组控制系统结　构图建立综合控制器仿真模型．利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭　建如图７所示的仿真模型【切。该模型有两路输入信　号：分别为转速偏差信号和电压偏差信号；两路输　出控制信号．能够模拟系统受到单位阶跃扰动信　号后的系统响应。　编写Ｍ文件．绘制出系统的阶跃响应曲线。如　图８所示。　系统的阶跃响应图８中．当有功发生波动而　无功不变时系统的响应如（１）和（２）所示，从图中　可以清楚的看出。调速系统的超调量不超过１５％。　时间在ｌＯｓ就达到稳定：励磁系统的电压波动值只　有稳态运行时的１．５％，且振荡时间极短，不到２ｓ。　当无功发生波动而有功不变时系统的响应如图８　中（３）和（４）所示。从图中可以清楚的看出，机组转　速基本上保持不变．转速波动的最大值不到稳态　运行转速的２％，且时间持续很短，不到１ｓ；励磁系　统的动作迅速，大致与阶跃信号同步，且超调量不　到５％，调节时间大约为５ｓ。　５结语　本文首先建立接近实际物理模型的水电机组　耦合系统模型．然后利用逆奈奎斯特阵列法并应　用计算机辅助设计对耦合系统进行解耦．构建了　综合控制器的数字仿真模型．最后通过仿真可以　看出，当励磁或者调速发生扰动时。系统响应超调　量小，响应速度快。表明回路间的耦合作用减弱，　综合控制器具有良好的稳定性和动态特性。说明　应用逆奈奎斯特阵列法所设计的综合控制器结构　能够实现系统的解耦和控制。口　参考文献：　【１】肖志怀，蔡天富，周洪．基于多变量频率法的发电机励磁和调速　联合控制系统叨．武汉水利电力大学学报，２０００，３３（４）：５１—５４．　［２】程远楚，叶卫华，叶鲁卿，等．发电机励磁调节和电磁过程对机组　转速控制的影响田．大电机技术，２００５，５：５０－５３．　一

３５—　吉林水利　逆奈奎斯特阵列法在水电机组控制中的应用　张　鹏等　２０１５年２月　【３】戴哲转，赖旭．水电站的励磁调节对机组转速的影响［ＪＪ．中国农村　水利水电，２００６，９：１３４—１３６．　［４】赵桂连，扬建东，杨安林．电气过渡过程对转速调节品质的影响　ｆＪ１．水力发电学报，２００７，２６（１）：１３５—１３８．　【５】朱建国．水轮机及其调速系统对电力系统低频振荡的影响叭．水　力发电。２００８，２４（６）：６２—６４．　【６】李晃．励磁系统对孤立运行水电机组频率稳定性的影响【ＪＪ．水电　站机电技术，２０１　１，３４（４）：１８—２０．　【７】邹金，赖旭，宗欣．发电机电磁过程对带孤立负荷运行的水电站　过渡过程的影响叽．武汉大学学报，２０１３，４６（１）：１０９—１１６．　【８】白方周．多变量频域理论与设计技术［Ｍ】．北京：国防工业大学出　版社．１９８８．　ｆ９】高黛陵，昊麒．多变量频率域控制理论［Ｍ］．北京：清华大学出版　社．１９９８．　【ｌ　０】叶庆凯．控制系统计算机辅助设计【Ｍ】．：ｌｈ京：北京大学出版社，　１９９０．　【ｌ１】束洪春，张加贝．水机电耦合系统建模及暂态分析［Ｊ］．电力系统　自动化，２００８，３２（１３）：２６—３０．　［１２］张加贝．水机电耦合系统建模及其相互影响研究【Ｄ］．昆明：昆明　理工大学．２００８．　【１３】华丕龙．水轮发电机组综合控制器模型研究【Ｄ１．昆明：昆明理工　大学．２００２．　［１４］ｉ￣定宇．控制系统计算机辅助设计一ＭＡＴＩＡＢ语言与应用（第二　版）【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００６．　［１５】沈祖诒．水轮机调节系统分析【Ｍ】．北京：水利水电出版社，１９９６．　【１６１￣１％守平，卢本杰．水轮机调速器的ＰＩＤｉ￣Ｉ节规律［Ｊ】．水力发电学　报，２００３，４：１１２—１１８．　【１７】陈桂明，张明照，戚红雨，张宝骏．应用ＭＡＴＬＡＢ￣与仿ＪＬ［Ｍ］．　北京：科学出版社。２００１．　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎ　ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｎｙｑｕｉｓｔ　ａｒｒａｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｕｎｉｔｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｚｈａｎｇ　Ｐｅｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｌｉｎｇ－ｈｕａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｂｌｅ　ｏｂｊｅｃｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａ　ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｓｅｔ，ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｍｏｄｅｍ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｎｙｑｕｉｓｔ　ａｒｒａｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｏｖｅｒｎｏｒ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｈｙ—　ｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｅ　ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｏｏｐ　ｔｏ　ｗｅａｋｅｎ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｌｏｏｐｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｆｏｒ　ｅａｃｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｏｏｐ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ－ｖａｒｉａｂｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ａｎｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｇｏｏｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｓｅｔ；ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｎｙｑｕｉｓｔ　ａｒｒａｙ　ｍｅｔｈｏｄ；ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　（上接第２６页）　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｕｎｄｅｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｂｉｌｉｕ　Ｒｉｖｅｒ　Ｚｈｏｕ　Ｌｏｎｇ，Ｌｉ　Ｒｕｉ，Ｘｕ　Ｄａｎ，Ｗａｎｇ　Ｔａｏ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｍｏｔｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ａ　ｌａｒｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓ—　ｔｅｒｎｓ．Ｔｈｕｎｄｅｒｓｔｏｒｍｓ　ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ　ａｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｉｌｉｕｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　１９９０－２０１１　ｉｎ　Ｐｕｌａｎｄｉａｎ，ａｎｄ　ｆｒｏｍ　２００７－２０１１　ｉｎ　Ｄａｌｉａｎ，Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｏｐｏｇｒａ—　ｐｈｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｓｏｉｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｉｔ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｏｒａｌ　ａｎｄ　ｓｐａｔｉａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｉｎ　Ｂｉｌｉｕ　Ｒｉｖｅｒ；ｉｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　Ｂｉｌｉｕ　Ｒｉｖｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ；Ｂｉｌｉｕ　Ｒｉｖｅｒ；ｔｅｍｐｏｒａｌ　ａｎｄ　ｓｐａｔｉａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　

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基于模型预测控制的半潜漂浮式风机协调控制方法研究

基于模型预测控制的半潜漂浮式风机协调控制方法研究

第42

卷第12

期

4330 2022

年 6

月 20

日中国电机工程学报

Proceedings of the CSEEVol.42 No. 12 Jun. 20, 2022

©2022 Chin.Soc.for Elec.Eng.

DOI

： 10.13334/j.0258-8013.pcsee.211805

文章编号：0258-8013 (2022) 12-4330-09

中图分类号：TM 614

文献标识码：A

基于模型预测控制的半潜漂浮式

风机协调控制方法研究

宋子秋，冯翰宇，佘照国，胡阳'刘吉臻

(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京市昌平区102206)

Coordinated

Control

of

Semi-submersible

Floating

Turbine

With

Model

Predictive

Control

Strategy

SONG

Ziqiu

, FENG

Hanyu

, YU

Zhaoguo

, HU

Yang

, LIU

Jizhen

(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China)

ABSTRACT: The study of floating offshore wind power

generation considering the coordinated control of output power

and mechanical load can help improve the economy and safety

of deep-sea wind turbine operation. In order to realize the

multi-objective control of floating wind turbine, the gain

INFIT系统在火电机组辅助调频控制中的应用

INFIT系统在火电机组辅助调频控制中的应用

国家发展改革委及国家能源局早已明确袁到圆园圆园年袁风电尧光伏发电尧水电利用率要高于怨缘豫袁核电全部实现安全保障消纳咱员暂遥当前具有随机性尧波动性的清洁能源被电网大量消纳袁电网的安全及稳定性退化袁需要火电机组深挖调峰调频潜力袁不断提高灵活性运行水平遥为激励发电企业提升调频服务供应质量袁圆园圆园年远月猿园日袁江苏能源监管办会同江苏省发展改革委印发叶江苏电力辅助服务渊调频冤市场交易规则渊试行冤曳袁并于苑月员日正式启动电力辅助服务调频市场试运行遥为更好参与辅助调频市场袁火电机组需进一步优化自动发电控制渊粤郧悦冤功能遥目前火电机组多采用基建期调试的常规孕陨阅控制策略咱圆暂袁在机组经过多年运行尧多次大小修后袁机组整体运行特性有了明显的变化袁导致协调系统控制性能退化袁进而制约了火电机组的运行灵活性遥部分电厂通过牺牲机组运行稳定性来针对粤郧悦考核作调整袁导致主汽压力尧主汽温度尧再热汽温度等关键参数波动加大袁影响机组安全尧稳定尧经济运行咱猿暂遥有必要为火电机组协调系统袁设计一套更为先进尧有效的控制策略遥由于预测控制咱源暂能很好地解决大惯性大滞后问题咱缘暂袁陨晕云陨栽系统采用预测控制作为闭环控制的核心环节遥机炉协调系统被控对象具有强非线性袁目前针对非线性预测控制的研究很多咱远原苑暂袁但为避免非线性预测控制计算负担过重带来的计算实时性问题袁考虑将多模型方法咱愿原怨暂与预测控制技术结合遥常规阅悦杂控制系统并未对机组在悦悦杂运行方式下是否投入粤郧悦功能作控制参数区分袁为提高机组综合调频性能指标运责袁陨晕云陨栽系统采用智能算法对预测控制参数进行寻优遥工程应用表明袁陨晕云陨栽系统不仅能有效提升协调控制系统的负荷调节品质袁保证压力尧汽温等关键参数的控制性能袁还能显著增加机组辅助调频市场收益尧减少野两个细则冶考核袁为机组带来可观的经济效益遥员协调系统被控对象员援员被控对象结构以某厂裕圆超临界直流炉机组为研究对象袁机炉协调控制系统的主要任务是在保持压力等主要参数在允许范围内变化的前提下袁将锅炉原汽机看作一个整体进行控制袁以快速满足机组负荷要求遥由于直流炉机组没有汽包的缓冲及蓄热作用袁需考量直流炉给水流量对机组实发功率尧主汽压力尧主汽温度等参数的影响遥将超临界机组协调系统被控对象看作式渊员冤所示的野猿输入猿输出冶的多变量系统遥晕藻责泽贼栽泽责杉删山山山煽闪衫衫衫越郧阅枣憎怎贼则月杉删山山山煽闪衫衫衫渊员冤其中输入量为给水流量阅枣憎渊贼辕澡冤袁汽机调门开度怎贼渊豫冤和实际入炉煤量则月渊贼辕澡冤袁输出量为机组实发功率晕藻渊酝宰冤袁机侧主汽压力责泽贼渊酝孕葬冤和分离器出口温度栽泽藻责渊益冤遥郧为传递函数模型矩阵遥员援圆模型辨识为把握该厂裕圆机组被控对象的真实动态特性袁在陨晕云陨栽系统调试前期袁对目标机组开展阶跃响应实验并建立传递函数模型遥在猿源缘酝宰尧源远园酝宰尧缘苑缘酝宰负荷处进行阶跃响应实验袁辨识各负荷点处传递函数模型遥圆智能指标寻优预测控制算法圆援员局部预测控制器圆援员援员预测模型式渊员冤中的机组实发功率晕藻尧机侧主汽压力责泽贼和中间点温度栽泽藻责分别简写为输出量赠员尧赠圆尧赠猿袁给水流量阅枣憎尧汽机调门开度怎贼和实际入炉煤量则月分别简写为输入量怎员尧怎圆尧怎猿遥于是式渊员冤可写为悦粤砸陨酝粤模型形式袁如式渊圆冤所示院凿蚤葬早喳渊粤员渊扎原员冤袁粤圆渊扎原员冤袁粤猿渊扎原员冤札吟赠员渊噪冤赠圆渊噪冤赠猿渊噪冤杉删山山山煽闪衫衫衫越月员员渊扎原员冤月员圆渊扎原员冤月员圆渊扎原员冤月圆员渊扎原员冤月圆圆渊扎原员冤月圆圆渊扎原员冤月猿员渊扎原员冤月猿圆渊扎原员冤月猿圆渊扎原员冤杉删山山山山煽闪衫衫衫衫吟怎员渊噪冤怎圆渊噪冤怎猿渊噪冤杉删山山山煽闪衫衫衫垣孜员渊噪冤孜圆渊噪冤孜猿渊噪冤杉删山山山煽闪衫衫衫渊圆冤其中袁吟越员原扎原员袁代表差分算子袁而扎原员代表后移算子袁粤员渊扎原员冤尧粤圆渊扎原员冤尧粤猿渊扎原员冤尧月蚤躁渊扎原员冤都为关于扎原员的多项式袁噪为时刻袁孜蚤渊噪冤代表噪声序列元素遥陨晕云陨栽系统在火电机组辅助调频控制中的应用陨晕云陨栽杂赠泽贼藻皂蚤灶粤怎曾蚤造蚤葬则赠云则藻择怎藻灶糟赠原酝燥凿怎造葬贼蚤燥灶悦燥灶贼则燥造燥枣栽澡藻则皂葬造孕燥憎藻则哉灶蚤贼陈尉渊国电常州发电有限公司袁江苏常州圆员猿园猿猿冤摘要院圆园圆园年苑月员日袁江苏省正式启动电力辅助服务调频市场试运行袁为更好参与辅助调频市场袁某火电机组使用陨晕云陨栽系统以优化自动发电控制渊粤郧悦冤功能遥陨晕云陨栽系统采用多模型预测控制作为闭环控制的核心环节袁有效提升协调控制系统的控制性能袁同时采用智能寻优算法对粤郧悦功能控制参数作针对性优化袁显著提高了机组辅助调频服务质量和市场收益遥陨晕云陨栽系统的成功投用具有工程示范意义遥关键词院陨晕云陨栽系统曰辅助调频曰预测控制曰火电机组粤遭泽贼则葬糟贼押韵灶允怎造赠员熏圆园圆园熏允蚤葬灶早泽怎孕则燥增蚤灶糟藻燥枣枣蚤糟蚤葬造造赠造葬怎灶糟澡藻凿贼澡藻贼则蚤葬造燥责藻则葬贼蚤燥灶燥枣贼澡藻责燥憎藻则葬怎曾蚤造蚤葬则赠枣则藻择怎藻灶糟赠原皂燥凿怎造葬鄄贼蚤燥灶皂葬则噪藻贼援陨灶燥则凿藻则贼燥遭藻贼贼藻则责葬则贼蚤糟蚤责葬贼藻蚤灶贼澡藻葬怎曾蚤造蚤葬则赠枣则藻择怎藻灶糟赠皂燥凿怎造葬贼蚤燥灶皂葬则噪藻贼熏葬贼澡藻则皂葬造责燥憎藻则怎灶蚤贼怎泽藻凿贼澡藻陨晕云陨栽泽赠泽贼藻皂贼燥燥责贼蚤皂蚤扎藻贼澡藻葬怎贼燥皂葬贼蚤糟早藻灶藻则葬贼蚤燥灶糟燥灶贼则燥造穴粤郧悦雪枣怎灶糟贼蚤燥灶援栽澡藻陨晕云陨栽泽赠泽贼藻皂怎泽藻泽皂怎造贼蚤原皂燥凿藻造责则藻凿蚤糟贼蚤增藻糟燥灶贼则燥造葬泽贼澡藻糟燥则藻造蚤灶噪燥枣糟造燥泽藻凿原造燥燥责糟燥灶贼则燥造贼燥藻枣枣藻糟贼蚤增藻造赠蚤皂责则燥增藻贼澡藻糟燥灶贼则燥造责藻则枣燥则皂葬灶糟藻燥枣悦悦杂援栽澡藻蚤灶贼藻造造蚤早藻灶贼燥责贼蚤皂蚤扎葬贼蚤燥灶葬造早燥鄄则蚤贼澡皂蚤泽怎泽藻凿贼燥燥责贼蚤皂蚤扎藻贼澡藻糟燥灶贼则燥造责葬则葬皂藻贼藻则泽燥枣贼澡藻粤郧悦枣怎灶糟贼蚤燥灶熏憎澡蚤糟澡泽蚤早灶蚤枣蚤糟葬灶贼造赠蚤皂责则燥增藻泽贼澡藻泽藻则增蚤糟藻择怎葬造蚤贼赠葬灶凿皂葬则噪藻贼则藻增藻灶怎藻燥枣葬怎曾蚤造蚤葬则赠枣则藻择怎藻灶糟赠原皂燥凿怎造葬贼蚤燥灶燥枣贼澡藻怎灶蚤贼援栽澡藻泽怎糟糟藻泽泽枣怎造怎泽藻燥枣贼澡藻陨晕云陨栽泽赠泽贼藻皂澡葬泽早则藻葬贼藻灶早蚤灶藻藻则蚤灶早凿藻皂燥灶泽贼则葬贼蚤燥灶泽蚤早灶蚤枣蚤糟葬灶糟藻援运藻赠憎燥则凿泽押陨晕云陨栽泽赠泽贼藻皂熏葬怎曾蚤造蚤葬则赠枣则藻择怎藻灶糟赠原皂燥凿怎造葬贼蚤燥灶熏责则藻凿蚤糟贼蚤增藻糟燥灶贼则燥造熏贼澡藻则皂葬造责燥憎藻则怎灶蚤贼陨晕云陨栽系统在火电机组辅助调频控制中的应用26叶工业控制计算机曳圆园圆员年第猿源卷第员期对式渊圆冤进行多步预测袁可得到预测输出值向量再遥圆援员援圆性能指标函数噪时刻的优化性能指标为院允渊噪冤越咱再原再则暂栽匝咱再原再则暂垣吟哉栽砸吟哉渊猿冤上式中袁再则为输出参考值向量袁匝为控制偏差惩罚系数矩阵袁砸为控制增量惩罚系数矩阵遥圆援员援猿最优控制率当鄣允渊噪冤鄣吟哉越园袁可求得最优控制增量吟哉渊噪冤遥需要注意袁控制量及控制增量需满足规定的约束条件遥最终噪时刻最优控制量为哉渊噪冤越哉渊噪原员冤垣吟哉渊噪冤遥圆援圆辅助调频指标寻优惩罚系数矩阵匝尧砸的对角元素取值会直接影响预测控制器性能袁故需基于辅助调频指标对预测控制器内部惩罚系数矩阵匝尧砸的对角元素进行智能寻优遥自然界中袁长角天牛由触角接收到的食物气味强弱决定飞行方向袁并据此最终确认食物所处位置遥受此启发袁文献咱员园原员员暂提出一种求解迅速尧精准的天牛须搜索算法渊月粤杂冤遥以多维空间寻优应用为例袁记载造尧载则分别为天牛左右两侧触角的空间坐标袁载糟为质心的空间坐标袁凿造为两侧触角的直线距离遥载造及载则可由质心描述院载造越载藻垣凿员鄢责凿蚤则辕圆渊源冤载则越载藻原凿员鄢责凿蚤则辕圆渊缘冤其中袁责凿蚤则为天牛右侧触角指向左侧触角向量的方向向量孕凿的归一化处理量遥算法中目标函数枣渊曾冤对于天牛而言即为气味强弱信号袁左右两侧触角接收到的值分别为院枣造越枣渊载造冤渊远冤枣则越枣渊载则冤渊苑冤比较两者大小袁可知天牛下一步飞行目标位院载糟灶越载糟垣泽贼藻责鄢责凿蚤则鄢杂蚤早灶渊枣造原枣则冤渊愿冤上式中袁泽贼藻责为飞行步长袁杂蚤早灶为符号函数遥当枣造约枣则袁符号函数值为原员袁即右侧接收的气味大于左侧时袁天牛向右飞行曰反之符号函数值为员袁则天牛向左飞行遥最终确定目标函数最大值渊气味信号最强冤的位置遥为保证寻优精度袁对原算法进行改进袁引入小于员的步长系数滓袁每次迭代时的步长则为院泽贼藻责越泽贼藻责鄢滓渊怨冤当前江苏省单次粤郧悦指令的调频性能指标计算式为院运蚤袁躁责越皂葬曾喳灾蚤袁躁灾藻垣猿粤藻原粤蚤袁躁粤藻袁园札渊员园冤上式中袁运责蚤袁躁为机组蚤第躁次粤郧悦指令的调频性能指标计算式袁灾蚤袁躁为机组蚤第躁次的粤郧悦调节速率袁粤蚤袁躁为机组蚤第躁次粤郧悦调节精度袁灾藻为机组粤郧悦的标准调节速率袁粤藻为机组粤郧悦的标准调节精度遥基于改进月粤杂算法袁对矩阵匝和砸对角元素进行寻优袁考虑到所提出的优化算法以最大值为优化目标袁故可直接取调频性能指标计算式作为目标函数遥圆援猿多模型加权准则为减少计算量袁对各局部预测控制器的性能指标函数作加权处理遥允越猿蚤越员移憎蚤允蚤渊员员冤其中袁憎蚤越藻曾责原渊准原糟蚤冤栽渊准原糟蚤冤滓圆蚤蓘蓡猿蚤越员移藻曾责原渊准原糟蚤冤栽渊准原糟蚤冤滓圆蚤蓘蓡袁蚤越员袁圆袁猿遥憎蚤为郧蚤所对应的局部控制器的加权系数袁允蚤为郧蚤所对应的局部控制器的性能指标函数遥郧员尧郧圆尧郧猿分别代表猿源缘酝宰尧源远园酝宰尧缘苑缘酝宰负荷处的传递函数模型遥准为工况参数渊可取机组当前工况负荷冤袁糟蚤和滓蚤分别为郧葬怎泽泽蚤葬灶调度函数的中心渊可取各建模负荷点冤和宽度遥猿工程应用陨晕云陨栽采用杂蚤藻皂藻灶泽杂苑原猿园园系列孕蕴悦作为可靠硬件平台袁通过杂栽蕴语言编程实现新协调控制策略袁并以外挂的方式安全尧稳定融入原阅悦杂控制系统遥猿援员陨晕云陨栽控制系统性能分析图员为机组投用原阅悦杂协调控制系统的控制曲线遥从图中可以看出院在粤郧悦运行模式下袁负荷小幅变动袁机侧主汽压力与设定值的动态偏差可达员援园酝孕葬袁且长时间振荡袁大幅变负荷时袁主汽压力动态偏差可达员援猿酝孕葬遥由于主汽压力控制效果不佳袁水煤比失调袁导致主汽温度动态偏差大袁最低至缘缘员益袁最高可达缘苑缘益以上袁不利于机组的安全尧经济运行曰受主汽压力波动影响袁变负荷速率低袁基本无法中标电网粤郧悦调频模式袁同时机组野两个细则冶考核增多遥图员投用原阅悦杂协调控制系统的控制曲线图圆为机组投用陨晕云陨栽协调控制系统的控制曲线渊粤郧悦调频模式冤遥负荷大幅变动时袁主汽压力动态偏差只有园援缘酝孕葬袁主汽温度无振荡和超温情况产生遥主要参数稳定的情况下袁可提升机组变负荷速率至员园酝宰辕皂蚤灶袁使得机组能以高运责值中标电网粤郧悦调频模式袁同时明显减少机组野两个细则冶考核袁经济效益增多遥渊下转第猿园页冤图圆投用陨晕云陨栽协调控制系统的控制曲线渊粤郧悦调频模式冤27

T-S新型模糊控制器在水轮发电机组调速控制中的应用与仿真1

T-S新型模糊控制器在水轮发电机组调速控制中的应用与仿真1

T-S新型模糊控制器在水轮发电机组调速控制中的应用与仿真

1. 前言

水力发电作为清洁能源之一，在我国能源发展中扮演着重要的角色。在水力发电中，水轮发电机组作为核心设备，其调速控制系统的稳定性和控制效果对发电的质量和发电机组寿命有着重要的影响。因此，在水轮发电机组调速控制中，运用新型模糊控制器，进行仿真分析，可以探究和改进调速控制系统。

2. T-S模糊控制器

Takagi-Sugeno (T-S)模型是一种多变量非线性系统描述方法，通过将非线性系统转化为线性子系统的加权和，可以实现对非线性系统的建模和控制。T-S模糊控制器基于此方法，采用模糊控制器实现对非线性系统的控制。

T-S模糊控制器分两个步骤进行，首先对系统进行划分，建立一系列局部模型，并在每个局部模型中构造一个线性控制器，其次构造一个整体控制器，通过综合各个局部模型的控制器输出，控制系统的输出。对于非线性系统，这一方法可以得到比传统的控制方法更稳定、更精确的控制效果。

3. 水轮发电机组调速分析

水轮发电机组调速控制系统是一个复杂的非线性多变量系统。在控制过程中，需要考虑水轮机转速的稳定性和发电功率的平稳输出。常规的PID控制方法难以对这样的非线性系统进行有效控制，因此需要采用其他更有效的控制方法。T-S模糊控制器可以对此类系统进行建模和控制，并能够获得更好的控制效果。

4. T-S模糊控制器在水轮发电机组控制中的应用

将T-S模糊控制器应用于水轮发电机组调速控制中，可以提高控制效果和稳定性。在该方法中，将水轮发电机组调速系统简化为一个二阶系统，采用两个控制框架进行控制。首先，建立一组T-S模糊局部模型，然后在每个局部模型中设计一个线性控制器，并将控制器输出整合在一起，形成总体控制器，对整个水轮发电机组的转速进行调整。

5. T-S模糊控制器在水轮发电机组控制仿真

通过Simulink进行仿真，可以验证T-S模糊控制器在水轮发电机组调速控制中的应用效果。在仿真过程中，设定恒定输入的干扰和故障，比较采用T-S模糊控制与传统的PID控制方法的控制效果。 6.

水轮发电机逆功率保护原理

水轮发电机逆功率保护原理

- 1 - 水轮发电机逆功率保护原理

水轮发电机逆功率保护原理是指在水轮发电机运行时，当外部负载消失或减少，导致发电机输出功率大于电网负载要求时，会发生逆功率现象，即电能从电网流向发电机，导致电网电压和频率下降，严重时可能引发电网崩溃。为了保护电网稳定运行和发电机安全运行，需要采用逆功率保护装置对水轮发电机进行保护。

逆功率保护装置通过测量电网电压、电流、频率等参数，实时监测电网负载的变化情况，当发现逆功率现象时，立即切断发电机与电网的连接，避免逆功率流入电网，保护电网稳定运行。同时，逆功率保护装置还具有过流、欠频、过频、过压等保护功能，保证发电机安全运行。

总之，水轮发电机逆功率保护原理是保护电网稳定运行和发电机安全运行的关键措施，需要在水轮发电机系统中得到充分应用。