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第38卷第3期2010年2月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.38No.3Feb.1,2010基于现代智能控制技术的水轮机自适应工况PID调速器研究曹程杰,莫岳平(1.扬州大学能源与动力工程学院,江苏扬州225000;2.南瑞自动控制有限公司,江苏南京210000)摘要:针对水轮机常规PID调速器不能根据系统的动态过程自动调整控制参数的缺点,提出一种新的基于现代智能控制技术的水轮机自适应.r- ̄LPID调节方法。该方法根据水轮机模型综合特性曲线划分水轮机-Y- ̄L,采用一种改进遗传算法对水轮机的不同工况求取最优调节参数,利用神经网络做到运行工况与最优参数间的平滑切换。经过仿真表明,该控制方法具有良好的静态和动态性能,并具有很强的鲁棒性。关键词:水轮机调速器;自适应PID;遗传算法;神经网络Researchofself-adaptivePIDhydraulicturbinegovernorbasedonmodernintelligencecontroltechnologyCAOCheng-jie,MOYue.ping(1.YangzhouUniversity,Yangzhou225000,China;2.NARIAutomaticControlCo.,Ltd,Nanjing210000,China)Abstract:InordertoovercometheflawofgenerailaydraulicturbinePIDgovernor.anewself-adaptivePIDcontrolbasedonthemodemintelligencecontroltechnologyiSproposed.First.itdividestheconditionofhydraulicturbineaccordingtosyntheticcharacteristiccurve,thencalculatestheoptimalparameterfordifferentconditionsusinganimprovedgeneticalgorithm,andsmoothlyswitchestheparameterbymeansofANN.Thesimulationresultshowsthatthenewcon ̄olmethodhasexcellentstoicanddynamicperformance.inaddition.ithasastrongrobustperformance.Keywords:hydraulicturbinegovernor;selgadaptivePID:geneticalgorithm:neuralnetwork中图分类号:TM761;TK730文献标识码:A——文章编号:16743415(2010)030081.050引言随着社会的不断发展和进步,人们对电能质量的要求也越来越高。由于水电机组具有启动快、开停机迅速、机组平均效率高等优点,因此很适宜担任系统的调峰调频任务。当机组并入大电网运行时,水轮机调速器主要作为电网一次调频/负荷控制器、电网二次调频和电网负荷频率控制的功率控制器使用。由此可见,水轮机调速器的性能是影响电能质量的关键因素之~。目前水轮机调速器的控制规律基本还是PID控制,不断发展的PID控制策略以其算法简单、控制效果良好而备受人们的青睐,但水轮发电机组的调节系统是一个由引水系统、水轮机、发电机和调速器等组成的水机电综合控制系统。由于水流惯性带来的水锤效应,水轮机各环节的非线性和大惯性,以及电网负荷变化带来的扰动使得水轮发电机组的调节十分困难。现行的PID控制,往往只是在机组投运时,通过现场调试结合经验公式设定一组参数,对于机组工况的变化及调节模式的改变均缺乏良好的适应性,而水轮机的运行工况随时有可能偏离设定的工况,使得固定参数的PID控制很难满足现代电力系统的需求【JJ。本文根据水轮机模型综合特性曲线划分运行工况,针对每一种工况运用一种改进的遗传算法离线计算最优PID调节参数,然后利用神经网络可以精确逼近未知非线性函数的特点建立各种工况与最优PID调节参数之间的映射关系,做到在运行中根据工况自适应改变调节参数J。1水轮机运行工况的划分及传递函数的计算由水轮机相似理论可知,同系列水轮机在相似工况下其单位转速1"/l1及单位流量Ql1分别相等,因此一定的l1、Q值就决定了一个相似工况。水轮.82.电力系统保护与控制机模型综合曲线用nl1、Oll为参变量表示同系列水轮机在不同工况下的效率导叶开度a及空化系数盯等的变化情况,因此该曲线包含了水轮机在不同工况下的运行信息,可作为划分水轮机工况的依据。小波动情况下具有单一调节机构的水轮机线性力矩方程和流量方程可表示为:式中:q、m、Y、、h分别为流量、力矩、接力器行程、转速、水头的相对偏差;eqy、eqx、eq^分别为水轮机流量对导叶开度、转速、水头的传递系数;、ex、e分别为水轮机力矩对导叶开度、转速、水头的传递系数。由式(1)可知,水轮机的动态特性是用六个传递系数来描述的,实际水轮机的特性将随着水轮机工况点的变化而改变,这就是水轮机非线性特性的一种表现。反映在六个传递系数上就表现在其不为常数。为此,在对水轮机调节系统进行小波动仿真计算时,对每个工况点分别求取各个传递系数值,就可以较好地反映水轮机的这种非线性特性,提高动态模拟计算精度。利用水轮机模型综合特性曲线计算传递系数如图1所示,首先在图上确定稳态工作点0,然后在其周围取1、2、3、4点。其中1、2点在等单位流量线上,而3、4点在等开度线上。于是可以读…出各点的Q川、、f、口等参数,同时可计算出各点的力矩、水头(i=1、2、3、4)。传递系数可按式(3)计算:———}一~\、/,1、’’Eam图1由综合特性曲线计算传递系数Fig.1Calculatingtransfercoefficientaccordingtosyntheticcharacteristiccurve:——亟一Am,:(M2-Mt)/Mr(一口I)/:一Amt:—(1144-M—3)IM,~3xAx(n4一n3)/n,,:——亟一Amt:(344-M3)IM,Ah(一n3)/n:望:f二2≈——===--=△(口2一aI)laM:笪:!二2≈——=-二==1_=l二(n4-n3)ln ̄,:笪:!二2,=≈_二=———=_=thH4一H|Ht式中:(2):93740QllI/ ̄DIHo(N.m)f:1,2,3,4Mr:93740Qllr ̄rDIH(N.m):,√Dl:(m,/s)l,2,3,4(3)=√Q1.DI(m,S)/'/i=,X/-'H-7o/D,(1/min)i=3,4,l,=nlIr4-uS,/DI(1/min):(盟)f_3,42水轮机调节系统的数学模型理论计算采用弹性水击下的线性化小波动水轮机模型,调速器形式为并联PID型,发电机模型采用暂态电势恒定的二次模型[引。二阶弹性水击传递函数为:wTrS㈩‘8式中:h为管道特征系数;为水锤压力波反射时间,即水锤相长。线性化小波动水轮机模型为:mt+yY+eh,zqeqxx+eqyy+eqhh式中:各量含义如前所述。并联PID调速器传递函数为:S+等(6)l十』式中:、、分别为比例系数、积分系数、微分系数;乃为暂态反馈时间常数。嚣曹程杰,等基于现代智能控制技术的水轮机自适应工况PID调速器研究一83一机械液压模块传递函数为:1式中:,1为辅助接力器反应时间常数;为主接力器反应时间常数。二阶发电机模型为:fd=co-l:詈Pm+鲁Pm。一尝(一)一詈(8):置sin一()in2】fZ娆日Z∑dXd+Xt+XlXqExq七xf+Xl式中:为功角:、09。为发电机角速度和同步角速度;P为输入机械功率:Po为机械功率初始稳态值;尸e为发电机输出电磁功率;H为机械转动惯‘量;D为阻尼系数;为发电机机端电压;Xd、。、Xt、分别为发电机d轴暂态电抗、q轴同步电抗、’变压器短路电抗、输电线路电抗;为系统d轴总∑暂态电抗,q为系统q轴总电抗。E为发电机q轴暂态电势。水轮机调节系统模型框图如图2所示。图中K1、K2、K3为调节模式转换开关,这些开关的不同位置组合可以构成水轮机调节系统不同的调节模式,如表l所示。表1水轮机PlD调节模式Tab.1PIDregulationmodeofhydro-turbine图2水轮机调节系统模型框图—Fig.2Modeldiagramofhydroturbinegoverningsystem3不同工况下最优PlD参数的计算之间有如下关系:上工程中设定PID调节参数往往采用现场试验加经验公式的方法,但受现场条件的制约,不一定能整定到最优参数。本文根据现场人员调试经验,采用一种改进遗传算法进行最优调速器参数离线整定]。3.1水轮机PID调速系统参数的编码方法将待优化的水轮机PID调速系统参数用二进制编码。各调节参数的二进制字符串表示值与实际值∑’(bLbL・・60):=(2)。=X0(9)=+争二一1…式中:(bLb川b0)表示参数的二进制编码;i为的取值范围。根据相关行业标准,调节参数的调整范围必须包容如下规定值:比例增益:0.5 ̄20;积分增益:O.05~101/s;微分增益Ko:0-5S。.84.电力系统保护与控制3.2最优调节参数整定步骤为了避免同时调节三个参数所带来的调节效果的不确定性,借鉴工程中广泛使用的经验试凑法,程序计算步骤如下:1)令调速器参数=0,KD=0。用遗传算法按纯比例系数整定;2)将求得的最优值扩大1.2倍,用遗传算法整定积分系数;3)在已求得的值附近重新整定,寻找最优值。4)在有需要的情况下,用遗传算法整定微分系数KD。3.3适应度函数的确定因为是分别调整三个参数,且每个参数对过渡过程的影响均不相同,因此需要针对三个参数的不同特点分别设计适应度函数1)比例系数的适应度函数比例调节是对被控参数的粗调,追求的目标是“”稳。因为纯比例调节是一种有差调节,因此无论是基于最小偏差原则的指标函数如IAE、ITAE等,还是用于衡量过渡过程性能的参数如稳态误差、上升时间等,在此处作为适应度函数都不合适。为了判断比例系数的优劣,衡量纯比例调节的控制效果,本文引入了概率统计、数值分析中用来描述随机变量分布形状与对称形式的偏斜度与峰度等相关概念,构造的适应度函数如下:J=IQRCy)・w+厂纪()一Skewness(y)(10)式中:IQR为求变量Y的四分位差运算;Kurtosis为求变量Y的峰度运算;Skewness为求变量Y的偏斜度运算;W为权值。变量Y的四分位差即样本在75%分位点与25%分位点上取值之差。变量Y的峰度定义为—():E(—y—-—E(_y))4(11)[D()]变量y的偏斜度定义为Skew嬲=式(11)与式(12)中E定义为求期望的运算;J[)定义为求方差的运算。2)积分系数的适应度函数积分调节是对被控参数的微调,追求的目标是“”准。积分调节可以完全消除被控系统的静差,但积分系数整定不当会引起较大的超调,这在水轮机控制中是不希望出现的,因此采用ITAE函数作为基础,设计相应的目标函数如下:一丁..J=【(,J(f)l+w=te2(t))dt(13)式中:el()为未超调部分的误差;e2(t)为产生超调部分的误差,W。、W2为针对不同误差部分的权值;令W2>w,以惩罚产生超调的积分系数。3)微分系数KD的适应度函数微分调节是对被控参数的微调,追求的目标是“”快。针对微分系数1(o设计的目标函数如下:J=【(tle(t)1)dt+wts(14)式中:P(为控制系统的误差;,s为过渡过程的上升时间;W为系数。4建立运行工况与最优调节参数的非线性映射水轮机运行工况包括非负载状态(例如空载、开机过程、停机过程等)、负载状态(例如机组油开关投入、并入电网运行等),调速器调节模式有频率调节模式、开度调节模式、功率调节模式。不同的运行工况,不同的调节模式,都需要整定相应的最优调节参数,但针对所有可能出现的情况进行优化计算即无可能也无必要,利用神经网络强大的自学习、白适应能力,将前期计算所得数据作为样本进行充分训练,即可建立各种运行工况、调节模式与最优调节参数的非线性映射关系,做到在线自适应改变调节参数。5仿真计算实例5.1水轮机传递系数计算选择某型号水轮机,根据其转轮综合特性曲线由图(1)及式(2)、式(3)计算各工况下传递系数如表2所示。5.2水轮机最优PlD调节系数优化计算在Matlab中建立水轮机调节系统模型如图2,应用本文提出的改进遗传算法计算最优调节参数。系统参数如下:1---0.3,0.3,0.2,h=5,Td_2.5,bp=0,E。=1.2,=1.0,00=43。,D=5,H=10S,Xd=O.211,=0.535,溉=0.125,xr=1.4,。=曹程杰,等基于现代智能控制技术的水轮机自适应工况PID调速器研究—.850.8,O3o=314rad/s。在频率调节模式及功率调节模式下计算所得最优调节参数如表2所示。表2水轮机不同工况下的传递系数及各调节方式下的最优调节参数Tab.2Transfercoefficientofhydro-turbineindifferentconditionsandoptimalparameterindifferentregulationmodes5.3神经网络控制器的训练神经网络控制器的输入包括水头信号、水轮机运行工况信号、调速器调节模式信号等,输出则为PID调节系数、、,构建结构为6.40.3的三层前向BP神经网络,输入层与中间层的传递函数采用S型正切函数,中间层与输出层的传递函数采用纯线形函数,用变步长加动量项算法进行训练,达到精度要求后即可用于控制系统中。5.4频率扰动仿真试验在水头波动情况下,采用本文提出的自适应工况PID调速器及传统固定参数调速器针对频率扰动的响应如图3所示,可以看出,固定参数PID调速器在水头上升时容易产生超调,而在水头下降时调节时间过长,自适应工况调速器则可以根据水头变化选择最优调节参数,调节益线快、准、稳。图3频率扰动波形比较Fig.3Waveformcomparisonoffrequencydisturbance6结论从上面的仿真结果可以看出,本文提出的基于智能控制技术的自适应变参数PID控制方法与常规PID控制相比,调节更为平衡平稳,调节速度更快。当系统参数或外界环境发生变化时,系统仍能保持良好的动态调节品质。这说明该方法具有较强的鲁棒性。但同时应当看到,实际运行中的水轮机其运行工况更加复杂多变,而仿真研究中的水轮机模型则是在忽略了诸多次要因素的条件下建立的,因此试图用仿真准确地反映水轮机调节系统的实际过程并得到精确的定量结果是十分困难的。本文也只是从定性的、理论的意义上,对水轮发电机组控制提出一种新思路、新方法,希望可以为以后的研究工作提供决策支持。参考文献[1]于波,肖慧民.水轮机原理与运行【M】.北京:中国电力出版社,2008.E23刘翔,李东海,姜学智,等.水轮发电机组的非线性控制器仿真研究[J].中国电机工程学报,2002,22(1):—9196.—LIUXiang,LIDonghal,JIANGXue-zhi,eta1.SimulationStudyonNonlinearControllerforHydroTurbineGeneratorSets[J].ProceedingsoftheCSEE,2002,22(1):91-96.[33桂小阳。胡伟.刘锋.基于水轮发电机综合非线性模型的调速器控制[J].电力系统自动化,2005,29(15):—l822.—GUIXiaoyang,HUWei,LIUFeng.GovernorControlDesignBasedonNonlinearHydraulicTurbineModel[J].AutomationofElectricPowerSystems,2005,29(15):18.22.(下转第94页continuedonpage94)..94..电力系统保护与控制r一一-……一一一一一一一兰竺5一}:il'馨:毒装落L:●…■●●●■.E_E一’’1fE…e’I蜱∞∞一…e}臻一,::=:…●…’m‘…^{∞一箸:;:—一。……6●‘…t_.}T-ii"g茎:=竺:~!.…口*+…g::一………一~0…~……-…0~…%H_~。……tI^i…一1¨…5t_nh-……㈣’∞fT~一…t…_一●t一-…嘲岬,一卿_q一--…一w一~I{图6自动测试软件系统界面—Fig.6AutotestsoftwaresystemGUI表1部分自动测试结果Tab.1Partofauto.testresult项}I报告信号1光纤筹动保护m1.O5高电流差动保护跳A定值A相l3ms2光纤差动保护m1.0j高电流差动保护跳B定值B相12ms3光纤差动保护m1.O5高电流差动保护跳C定值C相14ms4光纤差动保护mO.95低起动定值A相5光纤差动保护m0.95低起动定值B相6光纤差动保护mO.95低起动定值C相75结论随着电网规模的进一步扩大,微机继电保护设备作为一种最重要的二次设备之一在电网中要担当越来越重要的角色,为了减少保护测试中的人工干预所带来的繁重工作量和人为错误,未来对保护设备的自动化测试技术的研究也会越来越深入,本系统的出现解决了部分保护专业人员的繁重又重复的定值整定测试工作,从自动化的角度实现了保护设备的远程自动化测试,有一定的现实社会经济效益。考虑到本系统的解决方案目前还只是针对单台保护设备的自动测试,而将来需要考虑一种系统级的,比如对一条线路上的所有保护设备进行并发自动化测试的解决方案,这方面的研究还有待进一步开展。参考文献WebbAC,WebbM.AutomatedTestingofPowerSystemProtectionRelays[J].PowerEngineeringJournal,—1988(1l1:291296.CristianPaduraru.AutomatedTestingofProtectiveRelaysUsingAdvancedVisualTestSoftware[A].in:Proceedingsofthe2002LargeEngineeringSystemConferenceon—PowerEngineering【C】.2002.143146.IEC60870-5・103,TransmissionProtocols2CompanionStandardforInformativeInterfaceofProtectionEquipment1997[¥1.电力行业标准DL/PT667.1999idtIEC——608705103:1997[S】.陈皓.新一代微机继电保护测试仪及基本性能[J].电力自动化设备,2002,22(5):61.63.CHENHao.TestDeviceofProtectiveRelayandItsProperty[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2002,—22(5):6163.梁志琴,刘建飞,等.基于PC内置便携式微机保护测—试系统的研制【J].继电器,2001,29(11):4446.——LIANGZhiqin,LIUJianfei,eta1.DevelopmentofaTestSystemforMicroprocessorProtectionBasedon—IntegralPortalPC[J].Relay,2001,29(11):4446.—收稿日期:200903-03:——修回El期:20090325作者简介:赖擎(1976一),男,硕士,从事电力系统分析应用软件研究开发;E-mail:laiqing7617@163.com华建卫(1967-),男,高工,从事继电保护研究;吕云(1971-),女,高工,从事电力系统信息化研究。(上接第85页continuedfrompage85)[43谭群峰,李朝晖.基于工况的水轮机调速系统性能分析fJ】.电力系统自动化,2007,31(4):34.37.——TANQunfeng,LIZhaohui.PerformanceAnalysisforHydroturbineGoverningSystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(4):34-37.[5]孙郁松,孙元章,卢强.水轮发电机水门非线性控制规律的研究[J].电力系统自动化,1999,23(23):33.36.—SUNYu-song,SUNYuanzhang,LUQiang.ResearchonNonlinearControlStrategyforHydroturbineGovernor[J].AutomationofElectricPowerSystems,—1999,23(23):3336.收稿日期:2009-02-26;修回日期;2009-06-02作者简介:曹程杰(1982-),男,硕士研究生,主要研究方向为自动控制理论,电力系统控制等;E-mail:bluesky_wflts@163.com莫岳平(1962-),男,博士,教授,主要从事电机及其控制的教学及研究工作。…
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