CN114970003B - 一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法、装置及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法。本发明涉及抽水蓄能和水力发电技术领域，本发明根据多目标遗传算法，对分段折线式导叶关闭规律进行优化以确定折点位置坐标，以及导叶关闭总时间T三个决策变量的最佳取值；确定在导叶关闭规律多目标优化的目标函数中的机组转速水头比项；通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制。本发明通过大批量增加样本点数量并采用正交多项式近似代理模型实现优化过程迭代方案的快速准确预测，可以提高导叶关闭规律优化工作的效率和自动化及智能化。
Description
技术领域
本发明涉及抽水蓄能和水力发电技术领域，是一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法、装置及可读存储介质。
背景技术
在国家致力于实现“碳达峰，碳中和”目标背景下，构建以新能源为主体的新型电力系统，大规模发展的间歇性不可调节新能源不断接入电网，对具有灵活调节潜力的抽水蓄能机组和水电机组过渡过程安全性和运行范围提出了越来越高的要求，抽水蓄能机组和水电机组在实际运行中面临着严重的过渡过程压力脉动和转轮水推力问题。
抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力影响因素众多，包括导叶关闭规律和机组转动惯量及过流部件的几何形状等，其中，导叶关闭规律的改变无需对设备进行加工改造，是最容易实现。所以，导叶关闭规律优化是控制抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的首选方式。
为构建以新能源为主体的新型电力系统，急需发展可靠储能技术来消纳吸收电网中富余新能源发电量。在众多能量存储技术中，抽水蓄能发电技术是目前唯一可在电网尺度大规模利用的储能发电技术。有些抽水蓄能机组每天经历的工况转换次数多达十几次，在这些工况转换过渡过程中常伴随着严重的水击、空化和压力脉动问题，瞬态压力作用于转轮可诱发转轮水推力剧烈波动，轻则可造成过流部件疲劳损坏，重则可引发机组转动部件抬机、扫膛和水力激振等运行事故。
在改善抽水蓄能机组过渡过程水击、空化和压力脉动问题的众多措施中，改变导叶关闭规律是最方便、最经济和最有效果的一种方式，所以导叶关闭规律的优化对发展抽水蓄能发电技术非常重要。在导叶关闭规律多目标优化过程中不可避免要对大批量样本点进行计算，采用非自动更新方式进行计算，会消耗大量计算时间，效率很低，无法通过大批量的样本点对导叶关闭规律优化过程中的迭代方案进行准确预测。
现有的导叶关闭规律优化方法都无法考虑抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的影响，并且无法通过计算方式验证导叶关闭规律优化对过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制效果。
发明内容
本发明为进行简单实用的杀菌效率预测，为动态杀菌过程进行模拟，本发明提供了一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法、装置及可读存储介质，本发明提供了以下技术方案：
一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据多目标遗传算法，对分段折线式导叶关闭规律进行优化以确定折点位置坐标，以及导叶关闭总时间T三个决策变量的最佳取值；
步骤2：确定在导叶关闭规律多目标优化的目标函数中的机组转速水头比项；
步骤3：通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制。
优选地，所述步骤1具体为：
进行约束，各瞬态参数满足满足式(4)～(7)各约束条件：
0＜y1＜1 (1)
0＜Tr1＜1 (2)
0＜T＜Tcr (3)
n≤ncr (4)
Hv≤Hvcr (5)
Hd≥Hdcr (6)
Zs-lcr＜Zs＜Zs-ucr (7)
其中，y1为导叶关闭规律折点位置导叶相对开度；Tr1为导叶关闭规律折点位置时间与导叶关闭总时间比值；T为导叶关闭过程总时间，单位为：s；n为机组转速，单位为：r/min；Hv为蜗壳进口水头，单位为：m；Hd为水尾水管进口水头，单位为：m；ncr为机组转速的临界值，单位为：r/min；Hvcr为蜗壳进口水头的许用临界值；Hdcr为水尾水管进口水头的许用临界值，单位为：m；Zs为调压室液位高度，单位为：m；Zs-ucr和Zs-lcr分别为调压室液位高度的上临界值和下临界值，单位为：m。
优选地，在导叶关闭规律多目标优化中，基于抽水蓄能机组和水电机组过渡过程中由机组内回流不良流动演化诱发的压力脉动和转轮水推力的影响；在导叶关闭规律多目标优化的目标函数(8)中包含了机组转速水头比项NDH：
其中：fobj为目标函数；Min为最小值；wn，whv，whd和wNDH分别为机组转速的权重，蜗壳进口水头的权重，尾水管进口水头的权重和转速水头比的权重系数，对于各个子目标的权系数需要根据各个子目标函数对于实际水轮机过渡过程瞬态特性的影响大小来确定；nmax和ncr分别为机组转速的最大值和临界值，单位为：r/min；Hvmax和Hvcr分别为蜗壳进口水头的最大值和许用临界值，单位为：m；Hdmin和Hdn分别为水尾水管进口水头的最小值和尾水隧洞出口水头，单位为：m；NDHnmax和NDHr分别为转速水头比在最高转速飞逸工况点和额定工况点的取值，单位为：r/m·min。
优选地，所述步骤3具体为：通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制，导叶总关闭时间减小，导叶关闭规律的两段折线斜率均增加。
优选地，上游管路和下游尾水管路输水系统瞬变流动采用一维特征线法求解，水泵水轮机采用三维有限体积法求解，在一三维计算网格虚拟交界处采用部分重叠网格布置方案，利用一维特征线法中瞬态流动参数的显式计算公式实现一三维耦合数据交互传递。
优选地，采用一三维耦合方法计算得到的导叶关闭规律优化，，机组转速上升值和转速曲线波动次数明显降低；蜗壳进口水头稍微有所升高，未超过许用临界值。
优选地，所述临界值Hvcr为746m。
优选地，优化后的转轮径向水推力脉动幅值降低25％。
一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化装置，所述装置包括：
决策模块，所述决策模块根据多目标遗传算法，对分段折线式导叶关闭规律进行优化以确定折点位置坐标，以及导叶关闭总时间T三个决策变量的最佳取值；
目标函数模块，所述目标函数模块确定在导叶关闭规律多目标优化的目标函数中的机组转速水头比项；
控制模块，所述控制模块通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制。
一种计算机可读存储介质，所述介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时上述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
本发明一种导叶关闭规律快速自动优化方法通过参数化程序设计实现所述导叶关闭规律优化过程大批量样本点自动快速计算，通过大批量增加样本点数量并采用正交多项式近似代理模型实现优化过程迭代方案的快速准确预测，可以提高导叶关闭规律优化工作的效率和自动化及智能化。
附图说明
图1是本发明使用正交多项式近似模型的瞬态参数计算误差随样本数量变化关系图；
图2是本发明管路系统瞬态流动一维特征线法计算原理示意图；
图3是本发明用于实现导叶关闭规律优化过程样本点自动更新的参数化设置图；
图4是本发明优化前后的导叶关闭规律对比图；
图5是本发明优化前后机组转速变化曲线图；
图6是本发明优化前后蜗壳进口水头变化曲线图；
图7是本发明优化前后水尾水管进口水头变化曲线图；
图8是本发明优化前后的水泵水轮机四象限全特性n11-Q11曲线图；
图9是本发明优化前后的水泵水轮机四象限全特性n11-M11曲线图；
图10是本发明优化前后作用在转轮上轴向水推力变化曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图9所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：
本发明通过优化超拉丁立方方法设计试验生成大批量样本点，为了选出合适的样本点数量，本发明分别采用不同样本数量对导叶关闭过程进行优化对比，比较结果如图1所示，当样本数量NS增加到100以上后，使用正交多项式近似模型的三种瞬态参数(转速最高值nmax，蜗壳进口水头最高值Hvmax，尾水管进口水头最低值Hdmin)优化计算误差E都不超过6％，这说明正交多项式近似模型对样本点数不敏感，为了同时节省计算时间和确保计算精度，应采用大于100的样本容量。
导叶关闭规律快速自动优化方法采用正交多项式近似代理模型进行优化过程迭代方案快速预测，正交多项式近似代理模型通过大批量增加样本点数量提高优化过程迭代方案预测的精度。优化前后导叶关闭规律如图4所示，和原始方案相比，优化方案的导叶总关闭时间减小，导叶关闭规律的两段折线斜率均增加。根据图5～7所示优化前后机组转速、蜗壳进口水头和水尾水管进口水头变化曲线可见，和原始方案相比，优化方案的机组最高转速nmax和蜗壳进口水头最大值Hvmax均降低，水尾水管进口水头最小值Hdmin增加，详细对比如表1所示，达到了优化的预期目标。此外，根据图8～9所示优化前后的水泵水轮机四象限全特性曲线图可见，和原始方案相比，优化方案的经历的工况转换次数也有所减少，详细对比如表2所示，工况转换次数减少对确保水泵水轮机使用寿命也是有利的。
表1优化方案和原始方案的极值参数计算结果比较
表2优化方案和原始方案机组经历的工况转换次数计算结果比较
表2中Nm，NT，NTB，NRP，Nq＝0，Nt＝0，Ntr分别表示水泵水轮机甩负荷过程中，经历运行模式种数，经历水轮机运行模式次数，经历水轮机制动运行模式次数，经历反水泵运行模式次数，穿越零流量工况点次数，穿越零力矩工况点次数，瞬态过程中转换运行模式次数。
具体的，本发明涉及一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，所述方法包括以下步骤：
一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据多目标遗传算法，对分段折线式导叶关闭规律进行优化以确定折点位置坐标，以及导叶关闭总时间T三个决策变量的最佳取值；
所述步骤1具体为：
进行约束，各瞬态参数满足满足式(4)～(7)各约束条件：
0＜y1＜1 (1)
0＜Tr1＜1 (2)
0＜T＜Tcr (3)
n≤ncr (4)
Hv≤Hvcr (5)
Hd≥Hdcr (6)
Zs-lcr＜Zs＜Zs-ucr (7)
其中，y1为导叶关闭规律折点位置导叶相对开度；Tr1为导叶关闭规律折点位置时间与导叶关闭总时间比值；T为导叶关闭过程总时间，单位为：s；n为机组转速，单位为：r/min；Hv为蜗壳进口水头，单位为：m；Hd为水尾水管进口水头，单位为：m；ncr为机组转速的临界值，单位为：r/min；Hvcr为蜗壳进口水头的许用临界值；Hdcr为水尾水管进口水头的许用临界值，单位为：m；Zs为调压室液位高度，单位为：m；Zs-ucr和Zs-lcr分别为调压室液位高度的上临界值和下临界值，单位为：m。
步骤2：确定在导叶关闭规律多目标优化的目标函数中的机组转速水头比项；
在导叶关闭规律多目标优化中，基于抽水蓄能机组和水电机组过渡过程中由机组内回流不良流动演化诱发的压力脉动和转轮水推力的影响；在导叶关闭规律多目标优化的目标函数(8)中包含了机组转速水头比项NDH：
其中：fobj为目标函数；Min为最小值；wn，whv，whd和wNDH分别为机组转速的权重，蜗壳进口水头的权重，尾水管进口水头的权重和转速水头比的权重系数，对于各个子目标的权系数需要根据各个子目标函数对于实际水轮机过渡过程瞬态特性的影响大小来确定；nmax和ncr分别为机组转速的最大值和临界值，单位为：r/min；Hvmax和Hvcr分别为蜗壳进口水头的最大值和许用临界值，单位为：m；Hdmin和Hdn分别为水尾水管进口水头的最小值和尾水隧洞出口水头，单位为：m；NDHnmax和NDHr分别为转速水头比在最高转速飞逸工况点和额定工况点的取值，单位为：r/m·min。
步骤3：通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制。
优选地，所述步骤3具体为：通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制，导叶总关闭时间减小，导叶关闭规律的两段折线斜率均增加。
上游管路和下游尾水管路输水系统瞬变流动采用一维特征线法求解，水泵水轮机采用三维有限体积法求解，在一三维计算网格虚拟交界处采用部分重叠网格布置方案，利用一维特征线法中瞬态流动参数的显式计算公式实现一三维耦合数据交互传递。
采用一三维耦合方法计算得到的导叶关闭规律优化，，机组转速上升值和转速曲线波动次数明显降低；蜗壳进口水头稍微有所升高，未超过许用临界值。
所述临界值Hvcr为746m。
优化后的转轮径向水推力脉动幅值降低25％。
一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化装置，所述装置包括：
决策模块，所述决策模块根据多目标遗传算法，对分段折线式导叶关闭规律进行优化以确定折点位置坐标，以及导叶关闭总时间T三个决策变量的最佳取值；
目标函数模块，所述目标函数模块确定在导叶关闭规律多目标优化的目标函数中的机组转速水头比项；
控制模块，所述控制模块通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制。
一种计算机可读存储介质，所述介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时上述方法的步骤。
以上所述仅是一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法、装置及可读存储介质的优选实施方式，一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法、装置及可读存储介质的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据多目标遗传算法，对分段折线式导叶关闭规律进行优化以确定折点位置坐标，以及导叶关闭总时间T三个决策变量的最佳取值；
步骤2：确定在导叶关闭规律多目标优化的目标函数中的机组转速水头比项；
在导叶关闭规律多目标优化中，基于抽水蓄能机组和水电机组过渡过程中由机组内回流不良流动演化诱发的压力脉动和转轮水推力的影响；在导叶关闭规律多目标优化的目标函数(8)中包含了机组转速水头比项NDH：
其中：fobj为目标函数；Min为最小值；wn，whv，whd和wNDH分别为机组转速的权重，蜗壳进口水头的权重，尾水管进口水头的权重和转速水头比的权重系数，对于各个子目标的权系数需要根据各个子目标函数对于实际水轮机过渡过程瞬态特性的影响大小来确定；nmax和ncr分别为机组转速的最大值和临界值，单位为：r/min；Hvmax和Hvcr分别为蜗壳进口水头的最大值和许用临界值，单位为：m；Hdmin和Hdn分别为水尾水管进口水头的最小值和尾水隧洞出口水头，单位为：m；NDHnmax和NDHr分别为转速水头比在最高转速飞逸工况点和额定工况点的取值，单位为：r/m·min；
步骤3：通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，其特征是：所述步骤1具体为：
进行约束，各瞬态参数满足满足式(4)～(7)各约束条件：
0＜y1＜1 (1)
0＜Tr1＜1 (2)
0＜T＜Tcr (3)
n≤ncr (4)
Hv≤Hvcr (5)
Hd≥Hdcr (6)
Zs-lcr＜Zs＜Zs-ucr (7)
其中，y1为导叶关闭规律折点位置导叶相对开度；Tr1为导叶关闭规律折点位置时间与导叶关闭总时间比值；T为导叶关闭过程总时间，单位为：s；n为机组转速，单位为：r/min；Hv为蜗壳进口水头，单位为：m；Hd为水尾水管进口水头，单位为：m；ncr为机组转速的临界值，单位为：r/min；Hvcr为蜗壳进口水头的许用临界值；Hdcr为水尾水管进口水头的许用临界值，单位为：m；Zs为调压室液位高度，单位为：m；Zs-ucr和Zs-lcr分别为调压室液位高度的上临界值和下临界值，单位为：m。
3.根据权利要求1所述的一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，其特征是：所述步骤3具体为：通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制，导叶总关闭时间减小，导叶关闭规律的两段折线斜率均增加。
4.根据权利要求3所述的一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，其特征是：上游管路和下游尾水管路输水系统瞬变流动采用一维特征线法求解，水泵水轮机采用三维有限体积法求解，在一三维计算网格虚拟交界处采用部分重叠网格布置方案，利用一维特征线法中瞬态流动参数的显式计算公式实现一三维耦合数据交互传递。
5.根据权利要求4所述的一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，其特征是：采用一三维耦合方法计算得到的导叶关闭规律优化，机组转速上升值和转速曲线波动次数明显降低；蜗壳进口水头稍微有所升高，未超过许用临界值。
6.根据权利要求5所述的一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，其特征是：所述临界值Hvcr为746m。
7.根据权利要求6所述的一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化方法，其特征是：优化后的转轮径向水推力脉动幅值降低25％。
8.一种基于转速水头比控制的导叶关闭规律优化装置，其特征是：所述装置包括：
决策模块，所述决策模块根据多目标遗传算法，对分段折线式导叶关闭规律进行优化以确定折点位置坐标，以及导叶关闭总时间T三个决策变量的最佳取值；
目标函数模块，所述目标函数模块确定在导叶关闭规律多目标优化的目标函数中的机组转速水头比项；
在导叶关闭规律多目标优化中，基于抽水蓄能机组和水电机组过渡过程中由机组内回流不良流动演化诱发的压力脉动和转轮水推力的影响；在导叶关闭规律多目标优化的目标函数(8)中包含了机组转速水头比项NDH：
其中：fobj为目标函数；Min为最小值；wn，whv，whd和wNDH分别为机组转速的权重，蜗壳进口水头的权重，尾水管进口水头的权重和转速水头比的权重系数，对于各个子目标的权系数需要根据各个子目标函数对于实际水轮机过渡过程瞬态特性的影响大小来确定；nmax和ncr分别为机组转速的最大值和临界值，单位为：r/min；Hvmax和Hvcr分别为蜗壳进口水头的最大值和许用临界值，单位为：m；Hdmin和Hdn分别为水尾水管进口水头的最小值和尾水隧洞出口水头，单位为：m；NDHnmax和NDHr分别为转速水头比在最高转速飞逸工况点和额定工况点的取值，单位为：r/m·min；
控制模块，所述控制模块通过降低所述机组转速水头比实现对抽水蓄能机组和水电机组过渡过程压力脉动和转轮水推力的控制。
9.一种计算机可读存储介质，所述介质上存储有计算机程序，其特征是：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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