水轮发电机组调速器模糊控制研究.doc

1 引言
课题的提出
课题研究的背景及意义
水轮发电机组把水能转变为电能供生产、生活使用。用户在用电过程中除要求供电安全可靠外,对电网电能质量也有十分严格的要求。按我国电力部门规定,电网的额定频率为50HZ,。随着电力用户对电网质量要求的提高,水电站在向电网供电时必须保证电压和频率的稳定,于是水轮发电机组的调节问题受到人们极大的关注。水轮机调节系统中的主要设备是调速器,调速器调节规律的好坏直接影响到机组工作状态,也就影响到企业的经济效益。因此对水轮机调节规律的研究就显得尤为重要。
PID控制器具有计算简单、稳定性好和鲁棒性强等优点,目前投入运行的水轮机调速器主要还是采用PID调节规律或者是以PID调节为基础的调节规律。但是,由于水轮机的“水锤”效应,加上负载的非线性以及电力系统负荷的不断变化,导致了系统频率的波动,使得水轮发电机组具有非线性、时变等特性,常规PID控制难以取得理想的控制效果。因此寻求一种适应能力强,鲁棒性好的调速方法,是水轮发电机调速过程中急待解决的问题[1]。
课题的提出
水轮机调速系统是一个具有严重非线性特性、时变、存在水锤效应的非最小相位闭环系统,其动力学特性的内部不确定性和外部环境扰动的多变性等增加了控制的难度。水电机组启动频繁,各种参数和机组特性对机组开机过程影响很大。如果调节次数过多或者超调很大,机组转速上升过快,不仅机组承受冲击较大,且由于机组在接近额定转速时速度过快,势必造成同期并网困难。机组最优开启要求是:在机组允许的加速度并保证不过速的情况下,开机过程尽可能短。开机过程调速器工作于频率调节模式,此时PID参数整定更为复杂。
控制系统在实际应用之前必须进行调试以确定其控制的准确性。常规的PID控制必须在现场根据机组容量、突变负荷的容量、负荷性质等加以试验整定。水轮机调速系统因其在水电站中的重要作用而不能轻易做现场试验;如果用模型做试验,试验必然有较大的偏差,因为模型不能精确地反映被模拟对象的特性。一般的,通常利用计算机软件所提供的仿真工具对水轮机调节系统的控制规律进行仿真研究,来对控制系统做初步的检验。当仿真系统中控制稳定之后再做现场试验,这时控制系统不会有大的错误控制,也就不会对设备造成任何破坏。本文就是利用VB软件对所设计的控制系统进行仿真分析的。
分析水轮机调节系统的传统方法
小波动稳定性分析一般采用传递函数的数学模型,过水系统按弹性水机考虑,过水系统的数学模型的传递函数中含有双曲函数,为此特根据双曲函数性质将过水系统的传递函数近似表达为若干个一阶微分方程式,因而调速器、水轮发电机组等数学模型也用一阶微分方程式表达,则整个系统小波动的数学模型都采用一阶微分方程组的形式来表达。大波动过渡过程一般利用差分方程进行仿真,采用特征线解法原理,将水轮机的基本方程式、运动方程和连续方程转变为特征方程组,然后再求解[2] 。
控制策略
现代控制技术在水轮机调节系统应用广泛,这主要有PID控制,自适应控制,智能控制等。
PID控制
1922年美国洛尔斯基首先提出PID调速器。由于其结构简单、可靠易于操作和调节,至今仍是生产过程自动化中使用最多的一种调节器,也是目前水电机组调速器中使用最广泛、技术最成熟的一种。PID控制是按偏差的比例、积分和微分线性组合进行控制的方式,在工况确定的情况下适当选择PID控制参数,可以使水电机组得到较满意的动、静态性能。但是,即使对被控对象整定了一组满意的PID控制参数,一旦对象特性发生变化时,也难以保持良好的控制性能。当过程的随机、时滞、时变和非线性等特性比较明显时,采用常规PID调节器也很难收到良好的控制效果,甚至无法达到基本要求。
为了获得较理想的控制效果,国内外许多专家在经典PID控制策略基础上进行了大量广泛而深入的研究,出现了许多基于PID改进的控制策略。叶鲁卿等提出了水轮机变结构变参数调速控制思想;蒋传文等将混沌动力学引入到进化规划的变异算子中,提出了一种混沌变异进化规划方法,能有效实现PID参数最优整定,系统达到稳定、超调量小、响应快等特点。
自适应控制
自适应控制的实质是控制策略在控制过程中不断地辨识对象的变化情况,将系统现有的和期望的品质指标进行综合比较并同时作出相应的决策,对控制策略本身进行修改,以使系统趋于最优。因此,在水轮机调节系统中采用自适应控制方法很有效。我国的研究人员对自适应控制在水轮机调节系统中的应用进行了大量的研究。王伯林在水轮机调速器方面进行了模型参考自适应控制及转速自适应控制的研究;,提高了机组的动态响应特性;