混流式水轮机调节系统的鲁棒控制策略研究

水轮机及其调节系统是水力发电系统中的重要组成部分,承担着能量转换的重要作用。水轮机运行于复杂工况下,往往表现出各种复杂的非线性行为,危害水力发电系统安全。基于刚性水击下混流式水轮机调节系统的数学模型,采用T-S模糊控制方法建立了水轮机调节系统的非线性T-S模糊模型,基于Lyapunov稳定性定理,提出了一种鲁棒控制策略,设计了相应的鲁棒控制器。仿真计算表明,所设计的鲁棒控制器能够极大地抑制水轮机调节系统的振荡,并在较短时间内将水轮机调节系统的运动控制到稳定运行状态,研究结果可为混流式水轮机调节系统的安全稳定运行控制提供参考依据。     

T-S模糊控制器设计新方法及应用仿真

以具有非线性和非最小相位特性的水轮发电机调速系统为例．提出了T—S模糊控制器设计的新方法——基于PID控制器知识样本的T—S模糊控制器设计方法。将模糊控制器运用于水轮机控制。并对其进行仿真,把得到的模糊控制响应曲线与PID控制器进行比较,从调节时间、超调量、鲁棒性等方面可以看出,模糊控制器控制效果要优于PID控制。     

混流式水轮机空化声发射信号的混沌特性分析

针对水轮机空化过程中声发射信号表现出的强烈非线性和非平稳性,提出了水轮机空化声发射信号的混沌特性分析方法,研究了混流式水轮机空化声发射信号的混沌特征及其变化规律.基于混流式水轮机模型空化试验采集了不同空化状态下典型测点处的声发射信号,检验其混沌性后进行相空间重构,计算得到重构信号的关联维数和最大Lyapunov指数,分析了这2种混沌特征参数随水轮机空化状态变化的规律,明确了水轮机空化声发射信号的混沌特征参数与空化状态之间的对应关系.结果表明:关联维数和最大Lyapunov指数不仅可以定性地表征空化状态,而且可以定量地描述空化程度;这2种混沌特征参数受单位转速的影响比受导叶开度的影响更大.     

考虑导叶分段关闭特性的水轮机调速系统改进模型

针对电力系统分析软件PSD-BPA中水轮机调速系统的执行机构模型不能有效反映实际特征且混流式水轮机模型仿真精度不高的问题,提出了考虑导叶分段关闭特性的执行机构模型,设置不同的分段点对机组甩负荷进行了仿真分析,并对计及功率与开度间非线性关系的混流式水轮机解析非线性模型进行研究。仿真及实测分析结果表明,考虑导叶分段关闭特性的水轮机调速系统改进模型能准确仿真混流式水轮机组导叶分段关闭规律,比BPA模型的开度及功率响应更切合实际,更能体现其有效性。     

多能互补发电系统中杨家湾水电站水轮机压力脉动特性的数值研究

在多能互补联合发电系统中,水电作为调节系统,为了平衡系统中出力的波动,需要频繁地改变运行工况.而在偏工况下运行时,水轮机就会出现压力脉动、水力振动等稳定性问题.本文针对多能互补联合发电系统中的杨家湾水电站混流式水轮机,开展了压力脉动特性数值研究,对杨家湾水电站额定水头下不同导叶开度工况进行非定常数值计算,设置了一系列各过流部件监测点,通过快速傅里叶变换(FFT)对水轮机内部压力脉动进行频谱分析,找出了各过流部件产生压力脉动的原因,研究了不同工况下水轮机压力脉动特性.     

不同故障下水轮发电机组轴系的振动特性研究

水轮发电机组的振动往往由水-机-电耦合因素引起,分析单一故障及多因素耦合故障下的轴系振动对机组稳定运行和厂房结构安全至关重要。采用四阶龙格-库塔法分别求解了不平衡磁拉力、碰摩力、非线性油膜力单独作用或耦合作用下的发电机和水轮机振动特性。结果表明,仅考虑不平衡磁拉力或仅考虑碰摩力时,轴系的运动特性主要表现为周期运动状态和拟周期运动状态;在多因素耦合作用下,轴系的运动特性将会变得更为复杂,表现为以拟周期运动和混沌运动为主,间歇性出现周期运动。研究结果可为水电站的安全、稳定、优化运行提供更多的理论依据。     

非线性水轮机调节系统的Hopf分岔分析

水力发电系统具有非线性特性,利用线性模型分析水轮机调节系统会导致仿真结果不准确。为此,在考虑水轮机调节系统各部分非线性情况下建立了水轮机调节系统的非线性模型。基于Hopf分岔理论对建立的非线性调节系统模型进行分析和仿真,比较线性模型与非线性模型动态特性。结果表明,非线性系统模型能更准确地反映系统大扰动情况下的本质特性,PID参数变化会引起非线性系统拓扑结构的变化。     

基于Simulink的水轮机调节系统仿真中水轮机模型研究

基于Matlab/Simulink仿真工具建立的水轮机调节系统,有助于了解水轮机调节系统在实际运行过程中的调节过程。水轮机调节系统分为四部分,包括水轮机调速器、压力引水系统、水轮机以及发电机。本文介绍了各模型的一般形式,并主要就现有的几种水轮机模型进行总结和分析。     

分数阶PID混合算法的水轮机调速系统优化控制与建模分析

为深入研究水轮机调速系统的非线性动态特征,分析水轮机在负荷波动时调速系统对水轮机转速、出力及输出电压电流波形的控制情况,提出一种采用混合算法(BP-FOA)的分数阶PID(FOPID)双目标函数控制系统;并利用Matlab平台建立了能够反映动态负荷变化及发电机情况的水轮机模型,使其更具实际适应性。仿真及实例分析表明,经混合算法优化后的水轮机调速器在调节性能与鲁棒性上均有一定的提升,同时亦为水轮机动态模型建模提供了借鉴。     

一种基于光/水互补孤立发电系统的新型频率控制策略

针对由光伏电压源型逆变器并联组成的微电网与小型水轮发电机构成的孤立互补发电系统,其频率响应受到水轮机调速器特性的影响,存在调节过程时间长、超调大,存在稳态误差的问题。在现有微电网分层控制策略的基础上,提出了一种新型光伏微电网功率控制策略,通过调节光伏微电网的有功出力,实现了对互补孤立发电系统频率的控制,改善了原发电系统频率调节的动态响应,消除了稳态误差,最后通过仿真验证了所提控制策略的有效性。     

水轮发电机组改进型非线性广义预测控制器设计

为提高水轮发电机组调速器的鲁棒性和稳定性,设计了一种基于瞬时线性化模型的水轮发电机组改进型非线性广义预测控制器(JNGPC)。为了使初始状态的建模误差最小,依据机组历史运行数据,采用遗忘因子递推增广最小二乘法辨识控制系统的初始参数。在此基础上,引入一种改进广义预测控制算法,并对控制系统在每个采样时刻进行瞬时线性化,设计了一种基于控制系统CARIMA模型瞬时线性化的改进的非线性广义预测控制器。以我国某水电站为试验对象,对水轮发电机组调节系统不同水头下开机启动进行仿真试验,并与PID、FOPID、GPC控制器进行比较。结果表明,与PID、FOPID控制器相比,所设计的JNGPC能有效抑制开机启动工况下的转速振荡,具有更强的鲁棒性和稳定性;与GPC控制器相比,JNGPC具有更高的计算效率,更符合工业现场实时性要求。     

大型混流式水轮机低水头运行振动特性研究

基于机组安稳运行和调度的需要,有必要研究大型混流式水轮机在低水头运行区的振动、空蚀及疲劳等特性,从而在保证调度需求的同时,通过采用合理控制方式避开不利于机组长期运行的区域。以猴子岩水电站#2机组为例,根据电站机组形式及调度运行需求,采用多种测量方法综合分析其在低水头工况下的全负荷区的振动原因及特征,并提出了大型混流式水轮机低水头运行的一般振动特征。研究成果可用于指导工程实践。     

变顶高尾水洞水电站水轮机调节系统的Hopf分岔及其动态仿真

基于刚性水击、非线性水轮机、三阶发电机、PID调速器等模型,建立了变顶高尾水洞水电站的水轮机调节系统的非线性模型,运用Hopf分岔理论分析了动力系统的分岔现象,以PID调节参数作为动力系统的分岔参数分析了接力器时间常数、尾水洞坡度和甩负荷对系统稳定域的影响,并采用RKF方法对系统进行了负荷变化的动态仿真。结果表明,系统的Hopf分岔为亚临界,接力器时间常数增大时系统稳定域减小,尾水洞坡度应取较小值,机组甩负荷时系统稳定域增大;在稳定域内系统是渐进稳定的,所建立的模型可用于大波动和小波动的动态仿真。     

Basic Modeling and Simulation Tool for Analysis of Hydraulic Transients in Hydroelectric Power Plants

In this paper, the simulation system of a typical hydroelectric power plant was developed in a MATLAB/Simulink-based software environment, which has a high water head and a long penstock with upstream and downstream surge tanks and is equipped with a Francis turbine. With MATLAB/Simulink, the models of the proposed simulation system are all modularized and visualized, and can be reused easily. No complex codes have been programmed and the proposed simulation system adapts varieties of hydroelectric power plants. The nonlinear characteristics of hydraulic turbine and then inelastic water hammer effect were considered to calculate and simulate hydraulic transients. Moreover, the influences of different parameters, such as hydraulic turbine speed governor proportional-integral-derivative (PID) gains, pressure water supply system, as well as surge tanks, were analyzed for the dynamic performance of hydraulic turbine regulating system. The digital simulations of a sudden full load rejection for an actual hydroelectric power plant in China were performed, and the results indicate that the proposed MATLAB/Simulink-based hydroelectric power plant simulation system is accurate and effective enough to represent and simulate hydroelectric power plant's nonlinear dynamics as well as to design hydraulic turbine speed control system. The proposed simulation system has also been proved to be useful for preliminary designs or assessments of hydropower projects.      

某火电机组汽电双驱引风机系统辅机故障控制仿真及试验分析

为了研究某火电机组风烟系统采用汽电双驱型引风机系统,不同设备故障条件下机组相应的控制策略,依据热力学原理及设备固有属性,并搭建了相应的动力学模型,对发电机跳闸、小汽轮机跳闸、引风机与小汽轮机同时跳闸3种故障下的控制策略进行分析。最后,通过3次实际试验验证了控制策略及模型仿真结论的正确性。研究表明：在发电机跳闸时,可以通过调门快速动作到一定开度来保证机组的安全运行;在小汽轮机跳闸或引风机与小汽轮机同时跳闸时,可以通过保证机组的水煤比、风煤比等参数实现机组的减负荷运行。     

Integrating electrical and aerodynamic characteristics for DFIG wind energy extraction and control study

A doubly fed induction generator (DFIG) wind turbine depends on the control of the system at both generator and turbine levels, and the operation of the turbine is affected by the electrical characteristics of the generator and the aerodynamic characteristics of the turbine blades. This paper presents a DFIG energy extraction and control study by combining the two characteristics together in one integrative environment to examine various factors that are critical for an optimal DFIG system design. The generator characteristics are examined for different d‐q control conditions, and the extracted power characteristics of the turbine blades versus generator slip are presented. Then, the two characteristics are analyzed in a joint environment. An integrative study is conducted to examine a variety of parametric data simultaneously for DFIG maximum wind power extraction evaluation. A close‐loop transient simulation using SimPowerSystem is developed to validate the effectiveness of steady‐state results and to further investigate the wind energy extraction and speed control in a feedback control environment. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.