具有水力聯系的水電機組自適應模糊控制器

具有水力聯系的水電機組自適應模糊控制器

殷玉杰， 劉雙林

(吉林省水文水資源局， 長春130012)

摘要：本文根據非線性條件下具有水力內聯的水電機組特點，建立了非線性動態模型并設計了自適應模糊控制器。模型可較好地表達具有水力聯系機組的可建模與不易建模特性；自適應模糊控制器專門用于幾臺機組共用一條壓力引水管道水電廠的現地控制系統，在機組正常運行時可以保證其穩定，在任一臺機組導葉開度急劇變化時能對另一臺機組的狀態進行補償；并行運算方式可以使控制器取代數臺獨立分布于每臺機組的常規PID水輪機調速器，從而為現代化水電廠控制提供一種新的解決方案。根據實際電廠的數據進行仿真，結果驗證了自適應模糊控制器的有效性。

關鍵詞：水電機組；水力內聯；自適應模糊控制器；非線性控制

中圖分類號：TP273+.4

Hydropower Unit Self-adaptive Fuzzy Controller with

Hydraulic Connection

YIN Yu-jie, LIU Shuang-lin

(JilinHydrologyandWaterResourcesBureau,Changchun130012,China)

Abstract：In the paper, nonlinear dynamic model is established, and self-adaptive fuzzy controller based on hydropower unit characteristics with hydraulic connection under nonlinear condition is designed. Modeling and difficult modeling features of hydraulic connection unit can be better expressed by the model. Self-adaptive fuzzy controller is specially used for site control system of hydraopower plant that several units share one pressure water diversion pipeline. Its stability can be ensured during normal operation of unit. State of another unit can be compensated when any one unit guide vane openness is abruptly changed. Parallel operation mode makes controller to replace several conventional PID turbine speed governors which are independently distributed in each unit, thereby providing a new solution for modern hydropower plant control. Stimulation can be conducted according to actual data of power plant. The effectiveness of self-adaptive fuzzy controller is verified in the result.

Keywords：hydropower unit; hydraulic connection; self-adaptive fuzzy controller; nonlinear control

1概述

多臺機組共用一條引水管道的電站，可能會出現“內聯擾動問題”。如果在設計和調整水輪機調速器參數時不考慮水力聯系，必然會產生永久波動誤差，從而引起水電廠不穩定以及電網抖動[1,2]。因此，對此類問題的研究具有重要意義。

本文首先建立了兩臺具有水力聯系機組的非線性動態模型，其次在模型的基礎上設計了自適應模糊控制器。模型可以較好地表達具有水力聯系機組的可建模與不易建模特性；自適應模糊控制器專門用于幾臺機組共用一條壓力引水管道水電廠的現地控制系統，在機組正常運行時可以保證其穩定，在任一臺機組導葉開度急劇變化時能對另一臺機組的狀態進行補償。根據實際電廠的數據進行仿真，結果驗證了所設計自適應模糊控制器的有效性。

2水力機組的非線性動態模型

多臺具有水力聯系機組的布置如圖1所示。

圖1　多臺具有水力聯系機組的布置圖

根據牛頓運動定律可以導出下式：

(1)

不考慮流量損失，即Q=Q1+Q2+…+Qn(n為機組的臺數)，依據式(1)，有

(2)

對每段壓力管道應用(1)式，則

(3)

由式(2)、式(3)得

(4)

式(4)說明分叉管內的作用水頭與管道特性、壓力管道特性以及具有水力聯系機組的內聯特性有關。

每臺機組的輸出功率為

(5)

式中ρ——流體密度;

ηT——水輪機效率修正值;

考慮環境對流體密度和溫度的影響δ以及速度波動的影響PΩ，則式(5)可表達為

(6)

式中Qnl——每臺機組無負荷時的流量。

發電機組運動方程為

(7)

根據上述諸式，以兩臺機組為對象，建立具有水力聯系水電機組的動態非線性模型，如圖2所示。

圖2　具有水力聯系的兩臺機組動態非線性模型

3自適應模糊控制器設計

模糊控制方法是解決系統非線性控制的有效方法之一[3,4]。本節研究了一種自適應模糊控制器，專門用于幾臺機組共用一條壓力引水管道水電廠的現地控制系統，可以同時控制幾臺非線性工況下具有水力聯系的水電機組。

3.1模糊專家知識

用于模糊控制器設計的專家知識表述如下：

a.兩臺水力聯系機組的模糊控制器要包含兩個并行運行的模糊規則基，它們分別對應各自機組的調節控制。

b.應保證在任何電網負荷以及任何管道內的水流條件下機組的轉速穩定和恒定。

c.負荷的變動引起機組出力和負荷之間的偏差。

d.當甩負荷或緊急停機時，過水流道必須及時關閉，相應的機組轉速上升和管道內的壓力升高要在允許值范圍內。

e.當頻率快速波動時，調速器采取高調節，頻率變化較慢和穩態時，調速器采取低調節。

f.水力暫態包含調整參數變化、對水輪機負荷需求的變化、水庫水位的變化、水輪機調速器調整。

g.控制系統應迅速響應每臺機組的負荷要求并補償由于鄰近機組的水力聯系引起的偏差，使每臺機組迅速達到各自的穩態。

3.2模糊控制器的輸入和輸出

模糊控制器的8個輸入和4個輸出分為兩個集合。一個集合對應一臺機組。每個集合輸入信號為：出力偏差信號、頻率偏差信號、導葉位置信號、導葉開度變化率信號。輸出信號為：導葉控制信號、導葉控制增量。

3.3控制策略

為與實際運行中的問題相符，選擇以下兩個工況討論控制策略。

3.3.1　正常運行

正常運行時，系統通過檢驗出力偏差信號迅速響應負荷要求，此時會暫時忽略頻率偏差信號直到達到每臺機組的運行區。每臺機組要通過調整導葉開度盡快達到負荷要求，直到出力偏差接近于設定值，每臺機組的臨界運行區將總是由±5%出力偏差裕量標定的區域。此時如果有頻差信號存在，模糊控制器將持續調節保持每臺機組在最優運行區內運行或擺動完成頻率調節，此時被控制過程是穩定的。

3.3.2　水力聯系補償

由于在開、停機過程中機組間的水力聯系、機組運行工況點的大變化、機組負荷的急速變化等因素都可能使轉速產生很大偏差，因此需要用一個前饋誤差補償器來迅速補償由于導葉開度急劇變化引起的偏差。為檢測導葉開度的急劇變化，在模糊控制器中引入每臺機組的導葉開度變化率信號以及當前導葉開度信號。只要任一臺機組的導葉開度發生急劇變化，模糊控制器就會迅速發出補償信號(前饋)給鄰近的機組，從而調節機組達到穩態。

4仿真實例

4.1水力聯系機組特性

兩臺具有水力聯系的機組模型如圖2所示，采用某電廠機組的實際數據作為仿真實例，數據見下表。

具有水力聯系的兩臺機組仿真數據表

根據圖2建立的具有水力聯系水電機組的動態非線性模型，在Simulink環境下進行仿真。設1號機組起始開度為10%，并在5s處導葉開度由10%跳變到50%，而在此過程中2號機組始終保持50%的開度，仿真結果如下頁圖3所示。

圖3　兩臺水力聯系機組仿真結果

圖3的仿真結果說明：當數臺具有水力聯系機組中的一臺機組導葉開度發生變化時，將引起其他與之有水力聯系機組的水頭(出力)迅速增加或減少。相應機組的控制系統將調節各自的導葉開度，如此可能重新影響其他水力聯系機組。如果在控制器的設計中不考慮上述作用，則會使整個水電廠相互聯系的機組運行出現不穩定。

4.2自適應模糊控制器特性

由3.3的控制策略可知：出力偏差信號的比例因子由-100%到+100%。其隸屬函數由在中間表示運行區“OZ”的三個高斯型隸屬函數構成。頻差信號比例因子由-5%到+5%，正常運行時，由自適應模糊控制算法可以得到模糊控制器輸入量調整前后的隸屬函數曲線，如圖4、圖5所示。下頁圖8中t=0～5s間的曲線為正常運行時的控制結果。當擾動發生后則無補償作用的控制結果，如圖8中的虛線所示。

圖4　出力偏差隸屬函數

圖5　頻率偏差隸屬函數

當水力聯系機組間一臺機組的負荷發生變化時，需要進行水力聯系補償，此時模糊控制器的輸入信號為導葉開度和導葉變化率信號，輸出為導葉控制增量信號。導葉位置比例因子由0到100%，其隸屬函數由三個高斯型隸屬函數構成。導葉開度變化率(dG/dt)比例因子為-2m/s到+2m/s，其隸屬函數也由三個高斯型隸屬函數構成。它將對導葉開度變化率檢測結果劃到以下三個區域：“負高(NH)”表示導葉正在迅速關閉；“正常(OZ)”表示導葉開度變化率在其設定和允許范圍內；“正高(PH)”表示導葉迅速開啟。由自適應模糊控制算法可以得到模糊控制器輸入量調整前后的隸屬函數曲線，如圖6、下頁圖7所示。圖8中的實線為水力補償作用的控制結果。

圖6　導葉開度隸屬函數

圖7　導葉開度變化率隸屬函數

圖8　自適應模糊控制器控制結果

由圖8中的結果可知：0～5s間的虛線為2號機組正常運行時的控制曲線，此時模糊控制器基本上與常規PID控制器的作用相同，都是使頻率達到50Hz(如圖中的虛線所示)。當在5s處1號機組的導葉開度發生急劇變化時，模糊控制器由于采用了水力補償，使具有水力聯系機組的控制結果得到了很好的改善。

5結語

本文針對具有水力聯系機組的特點，設計了一種自適應模糊控制器。由于采用并行算法，可在非線性條件下同時控制幾臺具有水力聯系的機組，并且可補償由機組之間的水力聯系引起的偏差，同時通過自適應調整隸屬函數，使模糊控制適用于機組的各種運行工況。設計的控制器可以取代常規控制時的兩臺獨立的PID調速器，具有快速的響應速度和調節時間，以及良好的穩定性。

參考文獻

[1]Mahmoud M, Dutton K, Denman M.Dynamical modelling and simulation of a cascaded reservoirs hydropower plant [J].Electric Power Systems Research,2004,70:129-139.

[2]Mahmoud M,Dutton K,Denman M.Design and simulation of a nonlinear fuzzy controller for a hydropower plant [J].Electric Power Systems Research,2005,73:87-99.

[3]Ogata K.Modern Control Engineering [M].ISBN0132613891,Prentice-Hall Inc.,1997.

[4]Klir G J,Yuan B.Fuzzy Sets,Fuzzy Logic,and Fuzzy Systems[M].Selected Papers by Lotfi Zadeh-ISBN9810224214,World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd.,1996.

大華橋水電站獲得國家發改委項目核準批復

日前，國家發改委下發文件，同意建設云南瀾滄江大華橋水電站。

大華橋水電站位于云南省怒江州蘭坪縣兔峨鄉境內瀾滄江上游河段上，是瀾滄江干流水電基地上游河段規劃的八座梯級電站中的第六級。工程為堤壩式開發，以發電為主。壩址控制流域面積9.26×104平方公里，多年平均流量925立方米/秒。正常蓄水位1477米，相應庫容2.93億立方米，調節庫容0.41億立方米，具有周調節性能?？傃b機容量900兆瓦(225兆瓦×4)，年發電量40.7億千瓦時。

2007年11月，開始大華橋水電站可行性研究階段設計工作;2013年12月，《云南瀾滄江大華橋水電站可行性研究報告》通過審查;2014年5月，可研報告取得審查批復;2014年8月，項目申請報告通過評估；2014年12月，國家發展改革委以“發改能源[2014]2977號”文件批復核準了大華橋水電站項目。

項目核準批復后，大華橋水電站工程將全面迎來主體工程施工。

來源：中國電建 中國水力發電工程學會網2015年1月15日

http://www.hydropower.org.cn/showNewsDetail.asp?nsId=15402

科學研究及工程設計