CN111027177B - 一种抽水蓄能机组调频参数优化方法及调频方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抽水蓄能机组调频参数优化方法及调频方法，参数优化方法包括：构建待调频抽水蓄能机组的水机电精细化耦合模型，该模型包括非线性水泵水轮机、高阶同步发电机和并联分数阶PID调速器；对水机电精细化耦合模型施加预设频率扰动工况，采用菌群觅食趋化性引力搜索算法优化调速器的调频控制参数，使得水机电精细化耦合模型在一次调频工况下的动态性能满足目标函数。本发明建立抽水蓄能机组仿真模型，以更真实地反映实际抽水蓄能机组；对抽水蓄能机组遭受频率扰动工况下的分数阶PID控制器进行参数优化，得到抽水蓄能机组一次调频工况的最佳控制参数，使得抽水蓄能机组有良好的调频能力，可高效地提高电机运行稳定性。
Description
技术领域
本发明属于抽水蓄能机组调频领域，更具体地，涉及一种抽水蓄能机组调频参数优化方法及调频方法。
背景技术
随着中国电力负荷的迅速增长，对电网稳定性的要求迅速提高，调峰能力不足成为了制约电力系统发展的重要问题。抽水蓄能机组的调峰调频功能对维持电网频率的稳定至关重要，一次调频功能投入且一次调频控制参数的优化分析也越来越迫切。抽水蓄能电站水轮发电机组的控制优化问题是复杂的水-机-电耦合问题，机组调频受机械系统、电力系统、水力系统共同作用，且各系统之间动态特性相互影响。
当前，对抽水蓄能电站机组的调频性能研究主要仅考虑水力系统和机械系统，基本方法是建立水泵水轮机、引水系统、调速系统以及一阶同步发电机数学模型，研究水力与机械因素对调频性能的影响。但对抽水蓄能机组电力系统的结合较少，同时对水-机-电耦合问题对调频性能的影响尚处于研究初级阶段，现有研究采用一阶同步发电机模型而未考虑电气因素的影响，使得一次调频工况控制参数优化结果难以贴合工程实际。
发明内容
本发明提供一种抽水蓄能机组调频参数优化方法及调频方法，用以解决现有抽水蓄能机组调频方法中因仅考虑水、机两方面因素而存在调频效率不够高的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种抽水蓄能机组调频参数优化方法，包括：
构建待调频抽水蓄能机组的水机电精细化耦合模型，该模型包括非线性水泵水轮机、高阶同步发电机和并联分数阶PID调速器；
对所述水机电精细化耦合模型施加预设频率扰动工况，之后采用菌群觅食趋化性引力搜索算法，优化所述调速器的调频控制参数，使得所述水机电精细化耦合模型在一次调频工况下的动态性能满足目标函数，完成所述预设频率扰动工况下的调频参数优化。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种抽水蓄能机组基于水-机-电精细化耦合模型仿真的调频控制优化方法，首先建立抽水蓄能机组仿真模型，其中包含有非线性水泵水轮机、高阶同步发电机以及分数阶PID控制的调速系统，水-机-电精细化耦合模型充分反映了水泵水轮机、液压机构、以及同步发电机的非线性，以更真实地反映实际抽水蓄能机组；然后，引入菌群觅食趋化性-引力搜索算法对抽水蓄能机组遭受频率扰动工况下的分数阶 PID控制器进行参数优化，在此基础上得到抽水蓄能机组一次调频工况的最佳控制参数，使得抽水蓄能机组有良好的调频能力。因此，本方法有利于提升控制参数优化精度，以有效且高效地提高电机运行稳定性，具有较好的工程应用价值。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述非线性水泵水轮机为通过构建基于全特性曲线的水泵水轮机插值模型并对其进行对数曲线投影得到。
本发明的进一步有益效果是：以对数曲线投影法分别对以导叶开度为参变量的流量特性曲线和转矩特性曲线进行变换，解决转轮特性描述的导叶零开度、小开度和S特性区域的多值问题，便于求解，并得到较高的精度。
进一步，所述水机电精细化耦合模型中，励磁系统为ST1A型励磁系统，引水系统为近似弹性水击模型。
进一步，所述调频控制参数包括：比例系数Kp，积分系数Ki，微分系数Kd，积分算子系数λ，以及微分算子系数μ。
本发明的进一步有益效果是：针对抽水蓄能机组一次调频工况优化调节问题，本发明引入分数阶PID控制器，相较于传统的PID控制器，增加了积分算子系数和微分算子系数，可提高一次调频工况调控的灵活性和可调性。
进一步，所述目标函数为各动态性能的时域性能分析指标值之间的加权和。
进一步，所述时域性能分析指标为时间乘以绝对误差积分准则。
本发明的进一步有益效果是：本发明引入时间乘以绝对误差积分作为各动态性能时域性能分析指标值计算的准则，该准则可在通过量化系统响应速度的同时，反映各状态量的稳态误差，有助于改善一次调频工况的调节速率和调节深度。
进一步，所述高阶同步发电机为七阶同步发电机。
本发明的进一步有益效果是：引入七阶同步发电机，充分考虑了水机电联合过渡过程中的电磁暂态、电磁次暂态过程，更好的将电气系统考虑到调频性能研究中，提高电力系统稳定极限，极大改善电力系统的暂态(一次调频)稳定性。
进一步，所述动态性能包括：发电机频率、导叶开度、水泵水轮机转速。
本发明的进一步有益效果是：抽水蓄能机组一次调频工况优化是一类涉及水力波动、机械摆动、电气振荡的难题，为此，本发明目标函数由系统输出的水头、导叶开度、发电机频率三个状态量的性能指标的加权构成，在优化过程中综合考虑了水力、机械、电气状态量的稳定性因素，可进一步改善一次调频工况参数优化后的动态响应过程。
本发明还提供一种抽水蓄能机组调频方法，包括：
存储待调频抽水蓄能机组在各频率扰动工况下的采用如上所述的任一种抽水蓄能机组调频参数优化方法得到的调频控制参数；
调用当前频率扰动工况对应的调频控制参数，控制待调频抽水蓄能机组运行。
本发明的有益效果是：本发明是一种抽水蓄能电站基于水-机-电精细化耦合仿真的调频方法，在上述调频参数优化方法的基础上，调用不同频率扰动下的调频控制参数，调频精度、效率较高，有效缩短电机系统在受到频率扰动后恢复稳定的时间。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述如上所述的任一种抽水蓄能机组调频参数优化方法和/或如上所述的任一种抽水蓄能机组调频方法。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种抽水蓄能机组调频参数优化方法的流程框图；
图2为本发明实施例提供的水泵水轮机的流量特性曲线和转矩特性曲线；
图3为本发明实施例提供的并联分数阶PID调速器的模型示意图；
图4为本发明实施例提供的待调频抽水蓄能机组的水机电精细化耦合模型示意图；
图5为本发明实施例提供的BCGSA算法流程图；
图6为本发明实施例提供的输出量发电机频率f过渡过程曲线；
图7为图6对应的输出量水头h过渡过程曲线；
图8为图6对应的输出量功率pe过渡过程曲线；
图9为图6对应的输出量导叶开度y过渡过程曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种抽水蓄能机组调频参数优化方法100，如图1所示，包括：
步骤110、构建待调频抽水蓄能机组的水机电精细化耦合模型，该模型包括非线性水泵水轮机、高阶同步发电机和并联分数阶PID调速器；
步骤120、对水机电精细化耦合模型施加预设频率扰动工况，之后采用菌群觅食趋化性引力搜索算法，优化调速器的调频控制参数，使得水机电精细化耦合模型在一次调频工况下的动态性能满足目标函数，完成预设频率扰动工况下的调频参数优化。
需要说明的是，并联分数阶PID调速器包括分数阶PID控制器和电液随动装置。上述方法可通过软件MATLAB进行仿真计算。
本实施例的抽水蓄能机组基于水-机-电精细化耦合模型仿真的调频控制优化方法，首先建立抽水蓄能机组仿真模型，其中包含有非线性水泵水轮机、高阶同步发电机(大于三阶的同步发电机)以及并联分数阶PID调速器，水-机-电精细化耦合模型充分反映了水泵水轮机、液压机构、以及同步发电机的非线性，以更真实地反映实际抽水蓄能机组；然后，引入菌群觅食趋化性-引力搜索算法对抽水蓄能机组遭受频率扰动工况下的分数阶 PID控制器进行参数优化，在此基础上得到抽水蓄能机组一次调频工况的最佳控制参数，使得抽水蓄能机组有良好的调频能力。因此，本方法有利于提升控制参数优化精度，以有效且高效地提高电机运行稳定性，具有较好的工程应用价值。
需要说明的是，采用并联分数阶PID调速器模型，可引入微分、积分阶次，增大控制器参数的整定范围(由于控制参数种类增多等情况，会对应有更多的控制效果)，得到更好的控制结果。
另外，在采用菌群觅食趋化性引力搜索算法进行参数优化时，可按所需的动态性能设定好相应的目标函数(该目标函数能够使得机组运行频率平稳)，对频率扰动工况下的机组调速系统，采用菌群觅食趋化性引力搜索算法对调频控制参数进行优化，随着迭代优化，得到一组最佳的调速器控制参数。具体的根据目标函数值，来判断控制效果/机组的调频稳定性，进而基于该目标函数值，再一次调整上述调频控制参数，进行下一轮优化。
优选的，上述非线性水泵水轮机为通过构建基于全特性曲线的水泵水轮机插值模型并对其进行对数曲线投影得到。
建立基于全特性曲线的水泵水轮机插值模型，水泵水轮机全特性曲线是以导叶开度真实值a为参变量，建立图2水泵水轮机的流量特性曲线 Q11～N11和转矩特性曲线M11～N11，
式中，Q11、N11、M11分别为单位流量、单位转速和单位转矩。
由于水泵水轮机全特性曲线存在S特性区域，进行插值计算时存在“一输入多输出”的问题。在此选择对数曲线投影法，不仅解决了转轮特性描述的导叶零开度、小开度和S特性区域的多值问题，还便于求解，并有较高的精度。对数曲线投影法变换公式有：n1＝N11/N11r，v1＝Q11/Q11r， m1＝M11/M11r，
N11r为额定单位转速；Q11r为额定单位流量。具体而言，对数曲线投影变换是一种以x＝n1/ev1、x＝n1/em1为横坐标将水泵水轮机机组Q11～N11、M11～N11关系的全特性曲线变换为Q11～x、M11～x曲线。
以对数曲线投影法分别对以导叶开度为参变量的流量特性曲线和转矩特性曲线进行变换，解决转轮特性描述的导叶零开度、小开度和S特性区域的多值问题，便于求解，并得到较高的精度。
优选的，上述水机电精细化耦合模型中的励磁系统为ST1A型励磁系统；引水系统为近似弹性水击模型，以更加接近真实系统。
通常将引水系统等效简化为一段当量管处理，基于相关参数与水击理论，建立抽水蓄能机组引水系统模型。引水系统的等效简化模型为近似弹性水击模型，其传递函数为：
另外，励磁系统向发电机提供励磁功率，起着调节电压、保持发电机端电压或枢纽点电压恒定的作用，并可控制并列运行发电机的无功功率分配。它可以提高电力系统稳定极限，极大改善电力系统的暂态稳定性。同步发电机的励磁系统种类繁多，按照水电站的励磁方式可以选择不同的励磁模型。本方法采用国际标准的ST1A型励磁系统。
优选的，上述调频控制参数包括：比例系数Kp，积分系数Ki，微分系数Kd，积分算子系数λ，以及微分算子系数μ。
并联分数阶PID调速器包括分数阶PID控制器和电液随动装置。
分数阶PID控制器是古典整数阶控制器的一般化，引入了微分、积分阶次λ和μ，其传递函数为：
式中，s为拉普拉斯算子，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数，λ和μ分别为积分和微分算子的系数，其为任意实数，且λ，μ＞0，将分数阶PID应用到并联PID调速器模型，得到并联分数阶PID调速器模型，如图3所示，其中，Td为微分环节时间常数，nref为额定转速值，yref为导叶开度给定值，n为转速，y为导叶开度，bp为永态转差系数，uPID为控制器输出量。
另外，电液随动装置是调速器的执行机构，可采用辅助接力器型电液执行机构的传递函数为：
其中，k0为放大系数，Ty和TyB分别为主接力器和辅助接力器时间常数。
优选的，上述目标函数为各动态性能的时域性能分析指标值之间的加权和。
优选的，上述时域性能分析指标为时间乘以绝对误差积分准则。
优选的，上述高阶同步发电机为七阶同步发电机，以考虑水机电耦合过渡过程中的电磁暂态、次暂态过程。
考虑d轴定子绕组、q轴定子绕组、转子励磁绕组、d轴等效阻尼绕组和q轴等效阻尼绕组的电磁过渡过程以及转子机械过渡过程(功角、转速)，构建七阶同步发电机模型。同步电机各绕组的电压方程为：
其中，具有下标d、q的变量为相应三相变量的d、q轴分量，具有下标f、D、Q的变量为转子励磁绕组和d、q轴等效阻尼绕组D、Q的变量， v为电压，i为电流，ψ为磁链，ω为机组转速。
d轴、q轴磁链方程反映了定子绕组与转子绕组的磁耦合关系，表示为：
转子运动方程为：
其中，δ是功角，H是惯性常数，ω0是发电机额定转速，Tm是主动力矩。
发电机转子的二阶模型和同时考虑了发电机的转动惯量以及输出功率与功角的关系，并建立了发电机功角与转速的关系。转子的二阶模型与上述同步电机各绕组的电压方程一起构成了发电机的七阶模型。
引入七阶同步发电机，充分考虑了水机电联合过渡过程中的电磁暂态、电磁次暂态过程，更好的将电气系统考虑到调频性能研究中，提高电力系统稳定极限，极大改善电力系统的暂态(一次调频)稳定性。
优选的，上述动态性能包括：发电机频率、导叶开度、水泵水轮机转速。
例如，精确反应水力-机械-电气耦合因素的抽水蓄能机组非线性模型结构如图4所示，根据此模型仿真频率扰动工况。
首先，抽水蓄能机组在水轮机工况运行时，主要依靠校正调节装置的参数来改善调节系统的动态品质和稳定性。故考虑到使扰动引起的过渡过程上升时间快，调节时间短，采取的时域性能分析指标为时间乘以绝对误差积分准则(Integral of Time multipliedAbsolute Error(ITAE))。目标函数由系统输出的导叶开度、发电机频率、水头三个参数的性能指标的加权构成： J＝w1×ITAE_h+w2×ITAE_y+w3×ITAE_f；式中，ITAE_h，ITAE_y，ITAE_f 分别为水头、导叶开度、发电机频率三个参数的ITAE值，w1，w2，w3是控制目标函数的权重。
另外，采用菌群觅食趋化性引力搜索算法(BCGSA)，该算法引入了粒子群优化(PSO)算法的Pbest-Gbest导向粒子更新策略、自适应弹性球阈值 边界处理方法和菌群觅食算法(BFA)中的趋化操作。
BCGSA算法的计算流程可以归纳如图5所示，在更新粒子的速度和位置时，运用了粒子群优化(PSO)算法的Pbest-Gbest导向粒子更新策略，数学表达式为：
式中，r1，r2和r3是[0，1]之间的随机数；c1和c1是取值范围为[0，2]的学习因子；
是粒子i在第d维上的移动速度；
表示第i个粒子在第d维上的位置；Pibest(t)是第i个粒子当前代数的最优值；Gbest(t)为群体的全局最优值； Gworst(t)为群体的全局最优值；Xbest为当前代数全局最佳粒子；Xworst为当前代数全局最差粒子。
当每个粒子的速度与位置更新完毕后，对于越过阈值边界的粒子，采用自适应弹球方法进行处理，模拟弹性球的反弹特性，引入自适应弹性系数ζ，表示为：
式中，Ub(d)、分别为粒子在第d维度阈值的上下边界。对于仍聚集在边界的少数粒子，其将被依据式：如
或
则
进行位置的变换。
计算每个粒子的适应度函数值，根据公式x(i，j+1)＝x(i，j)+C(i)φ(j)；
对当前代数的全局最优粒子和全局最差粒子按照一定的趋化步数和移动步数进行趋化性局部搜索操作。式中，x(i，j)表示第i个粒子在第j次趋化时的位置，C(i)为随机方向翻转后的移动步长；φ(j)为翻转的随机方向，随机生成由[-1，1]之间的随机数元素组成的向量Δ(i)。当且仅当趋化步骤完成后新粒子比原始值优时，方可进行全局最优粒子和全局最差粒子的更新。
为了更好的说明本实施例方法效果，现进行频率扰动仿真实验，并根据上述目标函数采用BCGSA对抽水蓄能机组一次调频控制参数进行优化。
分别地，对PID和分数阶PID两种控制器进行优化对比，优化后的控制参数如表1所示，适应度函数的最优收敛值和各输出量发电机频率f、水头h、发电机输出功率pe、导叶开度y的ITAE值如表2所示。
表1 控制参数
表2 性能指标
表3 时间指标
抽水蓄能机组各输出量的调节时间ts和进入剧烈震荡的时刻tf的具体数值如表3所示，tf是输出量发生剧烈振荡时第一个波峰或者波谷所处时刻。图6为发电机频率的过渡过程曲线，可以看出，FOPID控制下发电机频率的调节时间更短，稳定性更好。图7为发电机输出功率的过渡过程曲线， FOPID控制下同步发电机输出功率更早的度过振荡区域，达到稳定状态。图8为水头的过渡过程曲线，可以看出PID控制下水头更晚开始振荡，而且振荡时间更长。图9为导叶开度的过渡过程曲线，同样的，FOPID控制下导叶开度更早进入振荡阶段，也更快度过振荡区域。对图6到图9结合可以看出，在5秒的时候发生频率扰动，扰动发生后，机组仍然会进入振荡区域，但分数阶PID优化控制下的机组振荡次数减少，而且同时各参数的tf值要远小于PID控制下的机组，使得机组处于振荡区域的时间更短。分数阶PID控制下频率的ts值远小于PID控制下的，频率更容易达到稳定状态，而且同时各参数的tf值要远小于PID控制下的机组，使得机组处于振荡区域的时间更短。
实施例二
一种抽水蓄能机组调频方法，包括：
存储待调频抽水蓄能机组在各频率扰动工况下的采用如上实施例一所述的任一种抽水蓄能机组调频参数优化方法得到的调频控制参数；
调用当前频率扰动工况对应的调频控制参数，控制待调频抽水蓄能机组运行。
本方法是一种抽水蓄能电站基于水-机-电精细化耦合仿真的调频控制优化方法，调频精度、效率较高，以缩短电机系统在受到频率扰动后恢复稳定的时间。
相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
实施例三
一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述如上实施例一所述的任一种抽水蓄能机组调频参数优化方法和/或如上实施例二所述的任一种抽水蓄能机组调频方法。
相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种抽水蓄能机组调频参数优化方法，其特征在于，包括：
构建待调频抽水蓄能机组的水机电精细化耦合模型，该模型包括非线性水泵水轮机、七阶同步发电机、并联分数阶PID调速器和ST1A型励磁系统；
对所述水机电精细化耦合模型施加预设频率扰动工况，之后采用菌群觅食趋化性引力搜索算法，优化所述调速器的调频控制参数，使得所述水机电精细化耦合模型在所述预设频率扰动工况下的动态性能满足目标函数，实现所述待调频抽水蓄能机组在一次调频工况下的调频参数优化；
所述目标函数为各动态性能的时域性能分析指标值之间的加权和；所述时域性能分析指标为时间乘以绝对误差积分准则；所述动态性能包括：水泵水轮机水头、导叶开度、发电机频率。
2.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组调频参数优化方法，其特征在于，所述非线性水泵水轮机为通过构建基于全特性曲线的水泵水轮机插值模型并对其进行对数曲线投影得到。
3.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组调频参数优化方法，其特征在于，所述水机电精细化耦合模型中，引水系统为近似弹性水击模型。
4.根据权利要求1所述的一种抽水蓄能机组调频参数优化方法，其特征在于，所述调频控制参数包括：比例系数Kp，积分系数Ki，微分系数Kd，积分算子系数λ，以及微分算子系数μ。
5.一种抽水蓄能机组调频方法，其特征在于，包括：
存储待调频抽水蓄能机组在各频率扰动工况下的采用权利要求1至4任一项所述的一种抽水蓄能机组调频参数优化方法得到的调频控制参数；
调用当前频率扰动工况对应的调频控制参数，控制待调频抽水蓄能机组运行。
6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述如权利要求1至4任一项所述的一种抽水蓄能机组调频参数优化方法和/或如权利要求5所述的一种抽水蓄能机组调频方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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