一種抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，包括：(1)建立抽水蓄能機(jī)組的水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型；(2)在水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型中設(shè)置三個(gè)階段開機(jī)控制原則；(3)根據(jù)三個(gè)階段開機(jī)控制原則，并采用離散形式時(shí)間乘誤差絕對值積分指標(biāo)作為控制參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)來建立開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；(4)運(yùn)用啟發(fā)式優(yōu)化方法求解所述開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并獲得最優(yōu)控制參數(shù)。本發(fā)明專利技術(shù)優(yōu)選出控制參數(shù)，并應(yīng)用到仿真計(jì)算后，顯著提升不同水頭下抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況開機(jī)品質(zhì)，縮短開機(jī)時(shí)間、減小超調(diào)量和減少轉(zhuǎn)速波動等指標(biāo)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于水力發(fā)電
，更具體地，涉及一種抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法。
技術(shù)介紹
目前，我國大多數(shù)抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況開機(jī)方法均沿用傳統(tǒng)水電機(jī)組開機(jī)方法，一般采用“開環(huán)+閉環(huán)”模式，即開機(jī)初段不引入轉(zhuǎn)速反饋信號，控制系統(tǒng)開環(huán)，調(diào)速器按照一定規(guī)律控制導(dǎo)葉開啟，待機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速附近，再引入轉(zhuǎn)速反饋信號，調(diào)速器按照閉環(huán)控制規(guī)律(一般為PID控制)調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速，待定并網(wǎng)。按照機(jī)組開環(huán)階段導(dǎo)葉開啟方式不同，開機(jī)過程有兩種典型方式：第一種為一段式開機(jī)，其特點(diǎn)在于開環(huán)階段導(dǎo)葉一段開啟。當(dāng)調(diào)速器接到開機(jī)指令后，先將導(dǎo)葉開啟至空載開度，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至某一設(shè)定值(一般為額定轉(zhuǎn)速的90％)，再切換到PID控制，待機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再進(jìn)行并網(wǎng)。這種開機(jī)方式因?qū)~的控制開度為空載開度，所以機(jī)組轉(zhuǎn)速在接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)不容易出現(xiàn)超調(diào)，但由于抽水蓄能機(jī)組水頭變化范圍較大，精確控制和調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度比較困難，從而導(dǎo)致開機(jī)時(shí)間較長。此外，機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化與其慣性時(shí)間常數(shù)有關(guān)，機(jī)組的慣性越大，轉(zhuǎn)速變化越慢，開機(jī)時(shí)間就越長。因此，這種開機(jī)方式對于機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)比較大、要求有快速響應(yīng)能力的抽水蓄能機(jī)組來說，顯然不能滿足要求。第二種是目前普遍采用的兩段式開機(jī)，其特點(diǎn)在于開環(huán)階段導(dǎo)葉兩段開啟。當(dāng)調(diào)速器接到開機(jī)指令后，先以最快速度將導(dǎo)葉迅速開啟到啟動開度(啟動開度約為空載開度的2倍)，并保持這一開度不變，這時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速和頻率迅速上升，當(dāng)頻率升至某一設(shè)定值(一般為額定頻率的60％)時(shí)，立即將導(dǎo)葉的開度限制調(diào)整到空載開度限制，待機(jī)組轉(zhuǎn)速投入PID調(diào)節(jié)控制，直到機(jī)組頻率升至額定頻率并逐漸穩(wěn)定。這種開機(jī)方式由于導(dǎo)葉的初始啟動開度較大，機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率上升很快，可以縮短開機(jī)時(shí)間。這種開機(jī)控制方式的不足之處是：首先，啟動開度的選取與機(jī)組的空載開度密切相關(guān)，空載開度又是水頭的函數(shù)，目前抽水蓄能電站使用的空載開度-水頭關(guān)系曲線有的由轉(zhuǎn)輪模型曲線轉(zhuǎn)換得出，有的基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，不可避免存在偏差；其次，啟動開度的選取比較盲目，啟動開度選取過小則開機(jī)速度緩慢，過大則易產(chǎn)生過調(diào)，啟動開度為空載開度的兩倍不一定最優(yōu)，也并不適用于所有機(jī)組，若第一段啟動開度太大、機(jī)組升速過快，會產(chǎn)生較大的超調(diào)量；此外，這種開機(jī)方式當(dāng)導(dǎo)葉從較大的啟動開度突然降到較小的空載開度時(shí)，會引起有壓引水系統(tǒng)水壓的較大變化，在管道內(nèi)產(chǎn)生大幅水壓震蕩，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本專利技術(shù)的目的在于提供一種抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，旨在解決現(xiàn)有的開機(jī)方法存在偏差，且在管道內(nèi)產(chǎn)生大幅水壓震蕩，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行的問題。本專利技術(shù)提供了一種抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，包括下述步驟：(1)建立抽水蓄能機(jī)組的水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型；所述水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型包括PID控制器、調(diào)速器伺服機(jī)構(gòu)、有壓引水系統(tǒng)、水泵水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和負(fù)載；為提高模型的仿真精度，有壓引水系統(tǒng)水錘采用特征線法進(jìn)行計(jì)算，水泵水輪機(jī)模型采用經(jīng)改進(jìn)Suter變換處理后的特性曲線插值模型。水泵水輪機(jī)調(diào)速器檢查機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度等反饋信號，可通過PLC執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的各種控制規(guī)律，驅(qū)動導(dǎo)葉動作，進(jìn)而控制水泵水輪機(jī)的流量和力矩，達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速的目的。仿真模型能準(zhǔn)確模擬實(shí)際機(jī)組開機(jī)過程。(2)在所述水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型中設(shè)置三個(gè)階段開機(jī)控制原則；(3)根據(jù)三個(gè)階段開機(jī)控制原則，并采用離散形式時(shí)間乘誤差絕對值積分(IntegralTimeAbsoluteError，ITAE)指標(biāo)作為控制參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)來建立開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；(4)運(yùn)用啟發(fā)式優(yōu)化方法求解所述開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并獲得最優(yōu)控制參數(shù)。更進(jìn)一步地，水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型包括：發(fā)電機(jī)模型、有壓引水系統(tǒng)模型、水泵水輪機(jī)模型和PID控制器模型。更進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)模型為：其中，J為機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量，n為機(jī)組轉(zhuǎn)速，Mt為發(fā)電機(jī)力矩；所述有壓引水系統(tǒng)模型為：其中，Ca＝gA/c為管道特性，A為管道橫截面積，c為水錘波速，Cf＝fΔt/2DA模阻系數(shù)，f為摩擦系數(shù)，Δt為采樣時(shí)間間隔，D為管道直徑。QP，QA，QB分別為P點(diǎn)、A點(diǎn)、B點(diǎn)的流量，HP，HA，HB分別為P點(diǎn)、A點(diǎn)、B點(diǎn)的水頭。Cp、Cn分別為特征線正、負(fù)傳遞系數(shù)；所述水泵水輪機(jī)模型為其中，h、a、q、m為機(jī)組相對水頭、轉(zhuǎn)速、流量、力矩，第一轉(zhuǎn)速系數(shù)k1，第二轉(zhuǎn)換系數(shù)k2＝0.5～1.2，導(dǎo)葉處理系數(shù)Cy＝0.1～0.3，水頭處理系數(shù)Ch＝0.4～0.6，WH為水頭變換后矩陣，WM為力矩變換后矩陣，x為轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)速，下標(biāo)n代表當(dāng)前時(shí)刻；所述PID控制器模型為的傳遞函數(shù)為：控制信號輸出為：u(s)＝GPID(s)·(nr(s)-n(s))；其中Kp，Ki和Kd是PID控制器的比例增益、微分增益和積分增益。u(s),nr(s)和n(s)是控制信號u,額定轉(zhuǎn)速nr和機(jī)組轉(zhuǎn)速n的Laplace變換后參數(shù)。更進(jìn)一步地，步驟(2)中，三個(gè)階段開機(jī)控制原則包括：第一階段：抽蓄機(jī)組接到開機(jī)指令至轉(zhuǎn)速達(dá)到30％前以最快速率開啟導(dǎo)葉，機(jī)組轉(zhuǎn)速快速上升；第二階段：機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到30％至轉(zhuǎn)速達(dá)到閾值nc前；調(diào)速器采用PI控制方法，且控制參數(shù)包括第一比例增益KP1和第一積分增益KI1；控制目標(biāo)為轉(zhuǎn)速的微分與轉(zhuǎn)速偏差的比值為常數(shù)C；其中，dΔn/dt為轉(zhuǎn)速的微分，第k時(shí)刻轉(zhuǎn)速微分為Δt為采樣時(shí)間間隔；Δn為轉(zhuǎn)速的偏差，第k時(shí)刻轉(zhuǎn)速偏差Δn(k)＝n(k)-n(k-1)，n(k)為k時(shí)刻機(jī)組轉(zhuǎn)速；第三階段：機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到閾值nc至機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速前，調(diào)速器采用PID控制方法，且控制參數(shù)包括第二比例增益KP2、第二積分增益KI2和微分增益KD2。更進(jìn)一步地，步驟(3)中，所述開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：其中，X＝[KP1,i,KI1,i,C,KP2,i,KI2,i,KD2,i]為控制參數(shù)，nr為額定轉(zhuǎn)速，Ns為采樣點(diǎn)數(shù)，T為時(shí)間序列。更進(jìn)一步地，步驟(4)具體為：(4.1)算法初始化：設(shè)置算法參數(shù)，包括群體規(guī)模N、總迭代數(shù)T、個(gè)體隨機(jī)搜索數(shù)量Nl，淘汰幅度系數(shù)σ、跳躍閾值p；設(shè)定優(yōu)化變量邊界，下邊界上邊界在此區(qū)間初始化群體中所有個(gè)體的位置向量，個(gè)體位置向量Xi＝[KP1,i,KI1,i,C,KP2,i,KI2,i,KD2,i],i＝1,...,N，代表一組控制參數(shù)；令當(dāng)前迭代次數(shù)t＝0；(4.2)計(jì)算個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值i＝1,...,N；具體過程如下：從個(gè)體i位置向量Xi(t)解碼得到控制參數(shù)，其中KP1,KI1,C,KP2,KI2,KD2分別為位置向量中的第一至六號元素，將控制參數(shù)代入步驟(1)中水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型，仿真得到開機(jī)過程機(jī)組轉(zhuǎn)速n；按照步驟(3)中目標(biāo)函數(shù)得到個(gè)體i的目標(biāo)函數(shù)值并計(jì)算群體目標(biāo)函數(shù)最小值，具有最小目標(biāo)函數(shù)值的個(gè)體確定為當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體XB(t)；(4.3)對所有個(gè)體Xi,i＝1,...,N進(jìn)行個(gè)體隨機(jī)搜索，計(jì)算慣性向量(4.4)計(jì)算每個(gè)個(gè)體受當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體召喚向量i＝1，2，…，N：其中δi為中第i個(gè)個(gè)體與當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體的距離向量，隨機(jī)數(shù)c1＝2·rand，c2＝(2·rand-1)(1-t/T)，rand為(0，1)之間隨機(jī)數(shù)；由此可知c1為本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，其特征在于，包括下述步驟：(1)建立抽水蓄能機(jī)組的水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型；(2)在所述水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型中設(shè)置三個(gè)階段開機(jī)控制原則；(3)根據(jù)三個(gè)階段開機(jī)控制原則，并采用離散形式時(shí)間乘誤差絕對值積分指標(biāo)作為控制參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)來建立開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；(4)運(yùn)用啟發(fā)式優(yōu)化方法求解所述開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并獲得最優(yōu)控制參數(shù)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，其特征在于，包括下述步驟：(1)建立抽水蓄能機(jī)組的水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型；(2)在所述水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型中設(shè)置三個(gè)階段開機(jī)控制原則；(3)根據(jù)三個(gè)階段開機(jī)控制原則，并采用離散形式時(shí)間乘誤差絕對值積分指標(biāo)作為控制參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)來建立開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；(4)運(yùn)用啟發(fā)式優(yōu)化方法求解所述開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并獲得最優(yōu)控制參數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，其特征在于，所述水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型包括：發(fā)電機(jī)模型、有壓引水系統(tǒng)模型、水泵水輪機(jī)模型、伺服機(jī)構(gòu)非線性模型和PID控制器模型。3.如權(quán)利要求2所述的抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，其特征在于，所述發(fā)電機(jī)模型為：其中，J為機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量，n為機(jī)組轉(zhuǎn)速，Mt為發(fā)電機(jī)力矩；所述有壓引水系統(tǒng)模型為：其中，Ca＝gA/c為管道特性，A為管道橫截面積，c為水錘波速，Cf＝fΔt/2DA模阻系數(shù)，f為摩擦系數(shù)，Δt為采樣時(shí)間間隔，D為管道直徑。QP，QA，QB分別為P點(diǎn)、A點(diǎn)、B點(diǎn)的流量，HP，HA，HB分別為P點(diǎn)、A點(diǎn)、B點(diǎn)的水頭；Cp、Cn分別為特征線正、負(fù)傳遞系數(shù)；所述水泵水輪機(jī)模型為其中，h、a、q、m為機(jī)組相對水頭、轉(zhuǎn)速、流量、力矩，第一轉(zhuǎn)速系數(shù)k1，第二轉(zhuǎn)換系數(shù)k2＝0.5～1.2，導(dǎo)葉處理系數(shù)Cy＝0.1～0.3，水頭處理系數(shù)Ch＝0.4～0.6，WH為水頭變換后矩陣，WM為力矩變換后矩陣，x為轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)速，下標(biāo)n代表當(dāng)前時(shí)刻；所述PID控制器模型為的傳遞函數(shù)為：控制信號輸出為：u(s)＝GPID(s)·(nr(s)-n(s))；其中Kp，Ki和Kd是PID控制器的比例增益、微分增益和積分增益；u(s)，nr(s)和n(s)是控制信號u，額定轉(zhuǎn)速nr和機(jī)組轉(zhuǎn)速n的Laplace變換后參數(shù)。4.如權(quán)利要求1所述的抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，其特征在于，步驟(2)中，三個(gè)階段開機(jī)控制原則包括：第一階段：抽蓄機(jī)組接到開機(jī)指令至轉(zhuǎn)速達(dá)到30％前以最快速率開啟導(dǎo)葉，機(jī)組轉(zhuǎn)速快速上升；第二階段：機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到30％至轉(zhuǎn)速達(dá)到閾值nc前；調(diào)速器采用PI控制方法，且控制參數(shù)包括第一比例增益KP1和第一積分增益KI1；控制目標(biāo)為轉(zhuǎn)速的微分與轉(zhuǎn)速偏差的比值為常數(shù)C；第三階段：機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到閾值nc至機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速前，調(diào)速器采用PID控制方法，且控制參數(shù)包括第二比例增益KP2、第二積分增益KI2和微分增益KD2；其中，最快速率為導(dǎo)葉從關(guān)閉至滿開花費(fèi)最少時(shí)間下的速率；dΔn/dt為轉(zhuǎn)速的微分，第k時(shí)刻轉(zhuǎn)速微分為Δt為采樣時(shí)間間隔；Δn為轉(zhuǎn)速的偏差，第k時(shí)刻轉(zhuǎn)速偏差Δn(k)＝n(k)-n(k-1)，n(k)為k時(shí)刻機(jī)組轉(zhuǎn)速；5.如權(quán)利要求4所述的抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，其特征在于，所述最快速率為1/27。6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況智能開機(jī)方法，其特征在于，步驟(3)中，所述開機(jī)過程控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：其中，X＝[KP1,i,KI1,i,C,KP2,i,KI2,i,KD2,i]為控制參數(shù)，nr為額定轉(zhuǎn)速，Ns為...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李超順，汪贊斌，賴昕杰，張楠，鄒雯，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北;42