抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化研究與應(yīng)用

摘要：抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)是電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的核心控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，加強(qiáng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化研究十分重要。該文概述了抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的具體組成結(jié)構(gòu)，著重從PID控制、智能控制和其他先進(jìn)控制方法這3個(gè)方面對(duì)抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化進(jìn)行了分析，并從控制策略優(yōu)化、模型精細(xì)化和智能算法參數(shù)整定這3個(gè)方面指出了未來(lái)抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站 ?調(diào)節(jié)系統(tǒng) ?優(yōu)化 ?PID控制 ?智能控制

中圖分類號(hào)：TV743文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（b）-0000-00

作者簡(jiǎn)介：翟進(jìn)男（1993—），男，本科，助理工程師，主要從事電站機(jī)電設(shè)備安裝及機(jī)組運(yùn)維工作。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)峰谷差逐步加大，特別是為適應(yīng)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源快速發(fā)展以及核電安全穩(wěn)定運(yùn)行需要，保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，合理配套和加快抽水蓄能電站建設(shè)十分必要。特別是在我國(guó)提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)背景下，加快發(fā)展抽水蓄能電站，提升電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的已成為迫切的現(xiàn)實(shí)要求。但目前我國(guó)在運(yùn)抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模為31.79GW，占電源總裝機(jī)比重僅為1.4%，無(wú)法滿足新能源快速需求。近日國(guó)家能源局綜合司印發(fā)關(guān)于征求對(duì)《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（征求意見(jiàn)稿）的函，提出到2035年我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)規(guī)模將增加到3億kW。按照“規(guī)劃”提出的目標(biāo)，意味著未來(lái)15年我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)將有近10倍的增長(zhǎng)空間。可以說(shuō)，抽蓄電站正迎來(lái)大開發(fā)、大建設(shè)的黃金時(shí)期。

抽蓄電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為電站自動(dòng)發(fā)電控制的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和核心控制系統(tǒng)，承擔(dān)著控制機(jī)組開停機(jī)、工況轉(zhuǎn)換、緊急停機(jī)、一次調(diào)頻和機(jī)組功率調(diào)節(jié)的重任，其重要性不言而喻。而抽水蓄能電站機(jī)組具有水輪機(jī)和水泵雙向運(yùn)行的特點(diǎn)，且其工況頻繁轉(zhuǎn)換、水力特性十分復(fù)雜，使得其調(diào)節(jié)系統(tǒng)為一個(gè)具有非最小相位的、水、機(jī)、電耦合的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，這也使得抽蓄電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化十分困難。隨著抽蓄電站規(guī)未來(lái)進(jìn)一步模化開發(fā)建設(shè)，其所在電網(wǎng)中的比例不斷增加，機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行勢(shì)必影響到整個(gè)電網(wǎng)。因此，加強(qiáng)抽蓄電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化整定方法研究、探索新型控制規(guī)律，對(duì)于提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、改善抽水蓄能機(jī)組控制品質(zhì)和保障電站穩(wěn)定高效運(yùn)行意義重大。

2 抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)由被控對(duì)象和調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩大部分組成。被控對(duì)象包括水泵水輪機(jī)、有壓引水系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)速器主要包括調(diào)節(jié)器和電液隨動(dòng)系統(tǒng)。具體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

抽水蓄能機(jī)組微機(jī)調(diào)節(jié)器通常采用并聯(lián)PID控制模式，與常規(guī)水電站水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)器在功能和結(jié)構(gòu)上基本類似，同樣具有開度調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、開停機(jī)等功能。電液隨動(dòng)系統(tǒng)是抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器的具體物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該系統(tǒng)可將微機(jī)調(diào)節(jié)器的電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓位置信號(hào)，并將該信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)調(diào)速器接力器產(chǎn)生位移，從而實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)控制。電液隨動(dòng)系統(tǒng)主要包括主接力器和主配壓閥等設(shè)備。

3 抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化研究

我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)與運(yùn)行時(shí)間較短，因此在抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化研究與應(yīng)用方面也起步較晚。但近些年，隨著抽蓄電站的不斷開發(fā)、建設(shè)和投運(yùn)，越來(lái)越多的專家和學(xué)者開始關(guān)注到抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化問(wèn)題，在理論和應(yīng)用方面展開了大量的研究和探索，并取得了一些有益成果，該文將從PID控制、智能控制和其他先進(jìn)控制方法這3個(gè)方面進(jìn)行討論和分析。

3.1 PID控制

PID控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)中最為經(jīng)典的控制方法，也是最為成熟的控制策略，在工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。同樣，傳統(tǒng) PID 的控制規(guī)律因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)早期被廣泛應(yīng)用于我國(guó)常規(guī)水電站和抽水蓄能電站。然而PID控制因在非線性領(lǐng)域和環(huán)境自適應(yīng)方面存在明顯不足，使得機(jī)組的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力完全取決于PID控制器參數(shù)的優(yōu)化整定結(jié)果，而抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)卻是一個(gè)強(qiáng)非線性的復(fù)雜控制系統(tǒng)，加之抽水蓄能機(jī)組作為電網(wǎng)中調(diào)頻調(diào)峰的主要機(jī)型，其運(yùn)行工況較常規(guī)機(jī)組更多，且工況轉(zhuǎn)換更為頻繁，使得機(jī)組工況發(fā)生頻繁切換時(shí)控制品質(zhì)劣化，出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，部分專家學(xué)者針對(duì)常規(guī) PID 控制在抽水蓄能機(jī)組應(yīng)用中存在的這些不足，提出了一些改進(jìn)型的PID控制方法并將其部分應(yīng)用到實(shí)際的抽蓄機(jī)組中，取得了一定的效果。

近年來(lái)，分?jǐn)?shù)階微積分理論在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn)。作為分?jǐn)?shù)階微積分理論應(yīng)用的重要成果分?jǐn)?shù)階PID控制器也憑借其突出的靈活性、適應(yīng)性和良好的整體控制性能被逐步引入到水電控制領(lǐng)域。單華等人針對(duì)抽水蓄能電站的區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)分?jǐn)?shù)階PID控制器，提出了基于Outsaloup算法的分?jǐn)?shù)階PID控制策略，并通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了該控制策略在非線性控制系統(tǒng)中具有良好的控制效果和較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性。有相關(guān)學(xué)者也對(duì)分?jǐn)?shù)階PID控制策略在抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并通過(guò)構(gòu)建精細(xì)化數(shù)學(xué)模型，采用一定的目標(biāo)函數(shù)，驗(yàn)證了相應(yīng)控制策略在實(shí)際應(yīng)用中的良好性能。在 PID 與其他先進(jìn)理論與方法相結(jié)合方面，趙志高等人針對(duì)現(xiàn)有PID控制在不同水頭空載工況下表現(xiàn)出的適應(yīng)性較差及現(xiàn)有用于控制參數(shù)優(yōu)化的抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型不夠精細(xì)的問(wèn)題，提出了一種基于非線性抽水蓄能機(jī)組精細(xì)化模型的增益自適應(yīng)PID控制策略，建立了基于特征線法和改進(jìn)Suter變換的抽水蓄能調(diào)節(jié)系統(tǒng)精細(xì)化模型，通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了該控制策略在抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的有效性。還有一些相關(guān)學(xué)者將模糊控制與PID控制相結(jié)合形成新的控制方式，并應(yīng)用于抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)，獲得良好的控制效果。

3.2 智能控制

智能控制是具有智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策的控制方式，是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。智能控制研究對(duì)象的主要特點(diǎn)是具有不確定性的數(shù)學(xué)模型、高度的非線性和復(fù)雜的任務(wù)要求。智能控制的特點(diǎn)決定了其在抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用具有良好的適用性。因此，越來(lái)越多的專家學(xué)者將專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法引入到抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。

蒲桂林針對(duì)抽水蓄能電站機(jī)組工況復(fù)雜且頻繁切換運(yùn)行特點(diǎn)，而傳統(tǒng) PID 控制難以滿足穩(wěn)定運(yùn)行的要求，基于電容場(chǎng)強(qiáng)作用原理和專家控制經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出非線性控制調(diào)節(jié)函數(shù)，提出了一種智能非線性 PID 控制器，并在控制參數(shù)整定上引入了極差實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制器能夠有效改善機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能、提高系統(tǒng)的魯棒性。胡肇偉將模糊控制和模型預(yù)測(cè)控制引入抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)機(jī)制的抽蓄機(jī)組非線性預(yù)測(cè)控制器，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，并以實(shí)際抽蓄電站機(jī)組為對(duì)象進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分析和對(duì)比結(jié)果證明了該控制策略的有效性和優(yōu)越性。李博洋將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合應(yīng)用于抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，優(yōu)化了單一模糊控制下的模糊規(guī)則權(quán)數(shù)，提高了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力與預(yù)測(cè)能力。同時(shí)以國(guó)內(nèi)實(shí)際抽蓄機(jī)組為例，將所提算法以Simulink可識(shí)別的特征函數(shù)形式嵌入所建立的基于彈性水擊模型下的混流式蓄能機(jī)組仿真模型中，以驗(yàn)證該控制策略。通過(guò)仿真分析與對(duì)比，說(shuō)明了基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的控制策略具有較好的控制效果。

3.3 其它先進(jìn)控制方法

除了PID控制和智能控制，近些年，預(yù)測(cè)控制和滑膜控制等先進(jìn)控制方法被逐步應(yīng)用到抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中來(lái)。劉開培等人將模型預(yù)測(cè)控制引入到雙饋式變速抽水蓄能電廠的功率控制中，分別研究了多個(gè)工況下模型預(yù)測(cè)控制的控制效果及延時(shí)對(duì)控制效果的影響。通過(guò)與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行仿真計(jì)算對(duì)比，結(jié)果表明在系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)及平抑風(fēng)電功率波動(dòng)時(shí)，模型預(yù)測(cè)控制能夠使得系統(tǒng)具有更好的控制性能，同時(shí)表現(xiàn)更強(qiáng)的魯棒性，模型預(yù)測(cè)控制的引入為改善雙饋式變速抽水蓄能電廠的功率控制性能提供了一條有效路徑。常鵬飛等人基于矢量控制思想， 將模型預(yù)測(cè)控制方法應(yīng)用于可變速抽水蓄能機(jī)組， 設(shè)計(jì)了一種適用于可變速抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制器， 并提出了一種節(jié)省在線計(jì)算時(shí)間的矢量選擇方法， 通過(guò)仿真驗(yàn)證了該模型預(yù)測(cè)控制在該系統(tǒng)中的有效性和優(yōu)越性。洪錚針對(duì)現(xiàn)有控制器響應(yīng)速度不足的情況，基于反演控制提出了一種反演滑模控制器，在保障滑膜控制器原有強(qiáng)魯棒性的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高控制器響應(yīng)速度。并將所設(shè)計(jì)的滑?？刂破髋c原常規(guī)控制器進(jìn)行對(duì)比，仿真計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了反演滑?？刂破鞯膽?yīng)用使得系統(tǒng)在響應(yīng)速度、誤差收斂性、抗干擾性和魯棒性等方面均具有明顯的提高和改善。

4 結(jié)論

抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)涉及水、機(jī)、電的具有多變量、強(qiáng)非線性的復(fù)雜控制系統(tǒng)，其對(duì)于保障電網(wǎng)和機(jī)組高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵。未來(lái)，還需要對(duì)抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)理論和工程應(yīng)用所面臨的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)一步深入研究。該研究認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面著手。

（1）將更多更先進(jìn)的控制方法引入到抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，同時(shí)結(jié)合不同控制方法的特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，形式復(fù)合控制策略將是未來(lái)的重要發(fā)展方向。

（2）調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與仿真是進(jìn)行抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化的前提，因此，未來(lái)還需在機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)精細(xì)化建模方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究，特別是加快解決水泵水輪機(jī)全特性有效表征這一難題。

（3）調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化整定直接影響到系統(tǒng)控制優(yōu)化性能，將更多更優(yōu)的先進(jìn)智能算法引入到調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化整定中十分必要。

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