CN117075645A - 一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，此优化方法立足现有的稳定可行的PID控制方法，在此基础上引入水头、流量、转速等变量为输入，构建新型状态反馈控制，形成新型的优化控制方法，并应用于水轮机调速器，以提升调速控制的响应速度及质量。

Description

一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法

技术领域

本发明涉及水轮调速技术领域，具体涉及一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法。

背景技术

风光等新能源发电正规模化替代传统火力发电。不同于传统同步机组，新能源机组惯量支撑能力弱，同时新能源资源波动性强，大规模新能源并网背景下电力系统频率问题越发严峻。水轮机调速具有调节容量大，响应灵活等优点，是抑制新能源波动、支撑电力系统调频的关键资源。

然而，为平抑新能源发电的快速波动，保证系统频率动态需求调频资源具有匹配的快速响应能力；相应地，并网准则对参与调频设备的响应速度及质量要求也越来越高。但水轮机调速技术工程应用近二十年来并无较大的发展，主要是基于输出误差的单反馈PID调节，该控制结构下依赖工程经验调参的调速响应性能越来越难以满足并网需求，亟需升级换代。

目前，学术界也提供了一些新型的水轮机调速控制方法，如引入人工智能算法优化PID控制器参数，或者依据自适应控制、滑膜控制等理论提出新的控制结构和参数设计方法。但由于水轮机调速系统及其运行工况的复杂性，上述先进控制方法在实际工程中的鲁棒性难以得到充分的验证，可靠性不如传统的PID控制，尚未有典型的工程应用。

相对于全盘应用新型理论或者方法的调速控制设计，在现有稳定可行的PID控制方法上进行修正改进更加具有工程实践意义。现有典型PID控制三大控制模式是基于频率、功率、开度等指令与反馈值之间误差的单通道反馈控制，然而实际运行中监测的水头高度、机组流量、转速及负荷变化等表征运行状态相关的信息尚未得到控制运用。

发明内容

基于此，本申请提出目的是提供一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，此优化方法立足现有的稳定可行的PID控制方法，在此基础上引入水头、流量、转速等变量为输入，构建新型状态反馈控制，形成新型的优化控制方法，并应用于水轮机调速器，以提升调速控制的响应速度及质量。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立水轮机调速系统模型，根据水轮机调速系统模型得到调速器、随动系统、水轮机及引水系统和发电机及负荷的传递函数分别为G_t，G_s，G_y和G_f；

步骤二，由调速器、随动系统、水轮机及引水系统和发电机及负荷组成的闭环系统的开环传递函数G₁，以输出量调速系统输出频率为反馈变量形成输出反馈，建立传统水轮机调速系统模型；

步骤三，选择水轮机调速系统实际运行中可测量的变量，将所选变量反馈输入至接力器指令值处，形成多变量反馈调速系统；

步骤四，基于水轮机多变量反馈调速系统建立多变量反馈状态空间方程，以所得系统状态矩阵为依据，通过对多变量反馈回路参数的设计，提高水轮机调速系统在满足电网一次调频需求时的响应速度并且在一定程度上降低系统响应过程中出现的功率反调，使多变量反馈水轮机调速系统获得更好的频率响应特性及更高的响应质量。

水轮机调速系统包含调速器、随动系统、水轮机及引水系统、发电机及负荷四大基本结构；

调速器部分采用水轮机组运行常用的微机调速器，输入为人为设定的频率指定值，发电机及负荷部分输出频率通过测频回路反馈至输入侧与给定频率作差得到调速系统的频率误差信号，误差信号幅值超过人工频率死区后调速系统将开始动作，误差信号经过PID调节器调节后输出接力器行程指令值；

随动系统部分为水轮机主要动作环节，此部分接收接力器行程指令值调整水轮机导叶开度，进而影响水头、流量和机械功率参数变化，由于辅助接力器的反应时间常数远小于主接力器的时间常数，因此为简化水轮机调速系统模型使用以主接力器反应时间常数主导的惯性环节代替随动系统。

水轮机及引水系统部分因导叶开度变化引起系统内流量以及水头参数的改变，进而影响水轮原动机输出力矩大小，此部分依据水轮机外特性公式(1-1)建立模型，由于其强非线性，因此基于其线性化模型研究；其中为简化分析，引水系统采用刚性水击模型，同时忽略转速变化对水轮机流量的影响，即e_qx＝0；

水轮机外特性公式：

式中：s为拉普拉斯算子；M_t为水轮原动机输出机械力矩；e_y为水轮机力矩对导叶开度传递系数；Y为水轮机导叶开度；e_x为力矩对转速传递系数；X为发电机输出转速；e_h为水轮机力矩对水头传递系数；H为水头；Q为流量；e_qy为水轮机流量对导叶开度传递系数；e_qx为水轮机流量对转速传递系数；e_qh为水轮机流量对水头传递系数；

水轮机通过输出机械力矩的变化改变与其相连接的发电机的转速，进而影响发电机输出功率以及输出频率；

发电机及负荷采用一阶发电机模型，并且将力矩对转速传递系数e_x与负载自调节系数e_g合并，合并后由调节系数e_n代替。

多变量反馈控制均采用状态反馈回路的设计思路，以比例环节为反馈回路主要形式，所选择的变量经比例环节反馈放大后，输入至接力器指令值处，与原水轮机调速系统PID调速器输出指令共同改变随动系统导叶开度，达到多变量控制系统输出频率及输出功率的效果，进而提高系统的响应速度。

多变量反馈控制方法具体过程为：

依据传统水轮机调速系统建立状态空间方程：

式中：t为时间；为状态变量对时间的导数；A为状态矩阵；x为状态变量；B为输入矩阵；u为输入变量；y为输出变量；C为输出矩阵；D为前馈矩阵；

其中，为提高调速系统响应速度及质量，针对调速系统所包含的多个变量引入比例反馈控制，建立含多变量反馈回路的调速系统状态空间方程；

引入多变量反馈控制后，输入信号与状态变量之间的关系如公式(1-3)所示：

u(t)＝r(t)-Kx(t),K∈R^1×n (1-3)

式中，K为多变量反馈回路比例系数所组成的系数矩阵；r为引入反馈控制后定义的系统新的输入变量；

将公式(1-3)代入公式(1-2)，可得引入状态反馈后的调速系统状态空间方程为：

依据公式(1-4)，获得引入状态反馈后的系统状态矩阵A-BK，通过对状态矩阵的分析可知，调速系统极点的实部和虚部均与K矩阵参数相关，即可以通过改变反馈回路比例系数的方式实现水轮机调速系统极点的配置；根据调速系统极点与系统响应特性的对应关系可知，调整主导振荡极点实部左移，可提升响应速度，并保证阻尼比在0.5～0.7之间，防止超调或振荡，因此通过K矩阵参数的调整可提升系统的响应特性。

实际运行中可测量的变量包括导叶开度、水头、流量、机械功率以及输出频率。

在水电机组调速器基础上加入水头、流量以及输出频率反馈控制回路，基于引入多变量反馈后的调速系统进行建模仿真的具体过程为：

水轮机调速系统模型中，K_p1、K_I1、K_D1分别为调速器的PID参数，T_d1为微分常数，b_p为永态转差系数，T_y为接力器反应时间常数，K_f1、K_f2、K_f3分别为水头反馈、流量反馈、输出频率反馈回路比例系数；引入多变量反馈控制后，系统频率偏差信号与导叶开度指令值之间的关系式如下：

式中：Δf为频率偏差信号；s为拉普拉斯算子；H为水头参数；Q为机组流量；f为发电机输出频率；y_PID为PID控制器输出开度指令值；

随动系统传递函数如下：

式中：G_s为随动系统传递函数；T_y为接力器动作时间常数；s为拉普拉斯算子；

考虑刚性水击模型，引水系统传递函数如下：

G_y＝-T_ws (1-7)

式中：G_y为引水系统传递函数；T_w为水锤效应时间常数；s为拉普拉斯算子；其中，e_y＝1，e_h＝1.5，e_qy＝1，e_qh＝0.5；

发电机及负荷的传递函数为：

式中：G_f为发电机及负荷传递函数；T_a为惯性时间常数；e_n为水轮发电机组综合自调节系数，e_n＝e_g-e_x，取值为0-2；e_g为发电机负载自调节系数；e_x为力矩对转速传递系数；

根据上述关系即可建立水轮机多变量反馈调速系统传递函数，并依据模型以及传递函数进行仿真。

引入多变量反馈的水轮机调速系统模拟过程为，以积分器输出为状态变量建立多变量反馈调速系统状态空间方程；其中，将PID调速器中微分环节等效为并联的比例环节与惯性环节，水轮机及引水系统部分为保留水头参数仅对刚性水击模型部分进行变换，在建立状态空间方程时利用状态变量x₂、x₃与水头的代数关系H＝f(x₂,x₃)取代水头参数；由于刚性水击模型传递函数影响，流量反馈回路等效为积分回路，与水头反馈回路并联运行，多变量反馈控制状态空间方程如下所示：

式中：F为输入量频率给定值，M_g0为负载功率扰动；

根据状态空间方程，获得多变量反馈水轮机调速系统状态矩阵，由公式sI-A可求解水轮机调速系统极点；得出，系统极点在S平面的位置与K_f1、K_f2、K_f3的取值相关，因此通过改变状态反馈回路参数即可改变调速系统特征根在S平面的位置，从而调整调速系统的响应性能；

在完成反馈回路参数调整后，根据频率响应曲线，即可得到水轮机调速系统引入多变量反馈后对响应特性的优化效果。

本发明有益效效果：

本发明所提出的多变量反馈水轮机调速系统控制方法，在传统水轮机调速器基础上引入多变量反馈，变量反馈回路使用比例环节控制。通过对多变量反馈回路参数的调整，实现系统极点配置，调整系统阻尼比，实现水轮机频率响应速度的提高，进而实现水轮机参与一次调频性能的优化，相比于目前依据自适应控制、滑膜控制等理论提出的新的控制结构和参数设计方法，本方法具有可靠性高、方便控制、易于实现的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明多变量反馈优化水轮机调速性能控制原理示意图。

图2为本发明所使用的多变量反馈控制方法原理图。

图3为本发明水轮机及其引水系统模拟框图。

图4为本发明调速器、随动系统、水轮机及引水系统、发电机及负荷模型以及水头、流量以及输出频率反馈回路组合而成的水轮机多变量反馈调速控制系统。

图5为本发明引入多变量反馈的水轮机调速系统模拟结构图。

图6为对比传统水轮机调速系统和引入水头、流量以及输出频率变量反馈调速系统的频率响应过程仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

本发明公开了一种基于多变量反馈控制的水轮机调速性能优化方法，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，所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，包括以下步骤：

步骤一，建立水轮机调速系统模型，根据水轮机调速系统模型得到调速器、随动系统、水轮机及引水系统和发电机及负荷的传递函数分别为G_t，G_s，G_y和G_f；

步骤二，由调速器、随动系统、水轮机及引水系统和发电机及负荷组成的闭环系统的开环传递函数G₁，以输出量调速系统输出频率为反馈变量形成输出反馈，建立传统水轮机调速系统模型；

步骤三，选择水轮机调速系统实际运行中可测量的变量，将所选变量反馈输入至接力器指令值处，形成多变量反馈调速系统；

步骤四，基于水轮机多变量反馈调速系统建立多变量反馈状态空间方程，以所得系统状态矩阵为依据，通过对多变量反馈回路参数的设计，提高水轮机调速系统在满足电网一次调频需求时的响应速度并且在一定程度上降低系统响应过程中出现的功率反调，使多变量反馈水轮机调速系统获得更好的频率响应特性及更高的响应质量。

通过采用上述的具体控制优化方法，本方法主要针对以风光为代表的新能源发电大力发展，给电力系统频率稳定带来了极大的挑战。作为电力系统的主力调频资源，抽水蓄能等也迎来了一波发展高峰。新能源发电出力波动快，为保证系统频率动态，电网要求并网调频资源的响应速度也随之提高，然而工业的基于PID控制的水轮机调速控制难以满足并网标准，亟需更新换代。另一方面，PID控制器由于控制规律简单、鲁棒性好等优点，在工业水轮机调节器应用上十分成熟；学术界提出的智能控制优化PID参数或者完全新的控制体系可靠性难以保证，工程应用较少。基于此现状，本发明立足现有可靠的PID控制基础之上，引入水轮机运行已有的监测变量，如水头、流量、转速及负荷大小等信息，添加新型状态反馈控制，并构建状态空间模型设计补偿控制参数，从而提升水轮机调速控制的响应速度，并减少功率超调。

实施例2：

参见图1为多变量反馈优化水轮机调速性能控制原理示意图。水轮机调速系统包含调速器、随动系统、水轮机及引水系统、发电机及负荷四大基本结构。

调速器部分采用水轮机组运行常用的微机调速器，输入为人为设定的频率指定值，发电机及负荷部分输出频率通过测频回路反馈至输入侧与给定频率作差得到调速系统的频率误差信号，误差信号幅值超过人工频率死区后调速系统将开始动作(水轮机调速系统运行在频率模式下，死区设置为零)，误差信号经过比例-积分-微分(PID)调节器调节后输出接力器行程指令值。

随动系统部分为水轮机主要动作环节，此部分接收接力器行程指令值调整水轮机导叶开度，进而影响水头、流量和机械功率参数变化，由于辅助接力器的反应时间常数远小于主接力器的时间常数，因此为简化水轮机调速系统模型使用以主接力器反应时间常数主导的惯性环节代替随动系统。

水轮机及引水系统部分因导叶开度变化引起系统内流量以及水头参数的改变，进而影响水轮原动机输出力矩大小，此部分依据水轮机外特性公式(1-1)建立模型，由于其强非线性，因此基于其线性化模型研究；其中为简化分析，引水系统采用刚性水击模型，同时忽略转速变化对水轮机流量的影响，即e_qx＝0；

其中，水轮机外特性公式：

式中：s为拉普拉斯算子；M_t为水轮原动机输出机械力矩；e_y为水轮机力矩对导叶开度传递系数；Y为水轮机导叶开度；e_x为力矩对转速传递系数；X为发电机输出转速；e_h为水轮机力矩对水头传递系数；H为水头；Q为流量；e_qy为水轮机流量对导叶开度传递系数；e_qx为水轮机流量对转速传递系数；e_qh为水轮机流量对水头传递系数；

水轮机通过输出机械力矩的变化改变与其相连接的发电机的转速，进而影响发电机输出功率以及输出频率。

发电机及负荷采用一阶发电机模型，并且将力矩对转速传递系数e_x与负载自调节系数e_g合并，合并后由调节系数e_n代替。

本发明所提出了多变量反馈控制均采用状态反馈回路的设计思路，以比例环节为反馈回路主要形式，所选择的变量经比例环节反馈放大后，输入至接力器指令值处，与原水轮机调速系统PID调速器输出指令共同改变随动系统导叶开度，达到多变量控制系统输出频率及输出功率的效果，进而提高系统的响应速度。

图2为本发明所使用的多变量反馈控制方法原理图。多变量反馈控制方法具体过程为：

依据传统水轮机调速系统建立状态空间方程：

式中：t为时间；为状态变量对时间的导数；A为状态矩阵；x为状态变量；B为输入矩阵；u为输入变量；y为输出变量；C为输出矩阵；D为前馈矩阵；

其中，为提高调速系统响应速度及质量，针对调速系统所包含的多个变量引入比例反馈控制，建立含多变量反馈回路的调速系统状态空间方程；

引入多变量反馈控制后，输入信号与状态变量之间的关系如公式(1-3)所示：

u(t)＝r(t)-Kx(t),K∈R^1×n (1-3)

式中，K为多变量反馈回路比例系数所组成的系数矩阵；r为引入反馈控制后定义的系统新的输入变量；

将公式(1-3)代入公式(1-2)，可得引入状态反馈后的调速系统状态空间方程为：

依据公式(1-4)，获得引入状态反馈后的系统状态矩阵A-BK，通过对状态矩阵的分析可知，调速系统极点的实部和虚部均与K矩阵参数相关，即可以通过改变反馈回路比例系数的方式实现水轮机调速系统极点的配置；根据调速系统极点与系统响应特性的对应关系可知，调整主导振荡极点实部左移，可提升响应速度，并保证阻尼比在0.5～0.7之间，防止超调或振荡，因此通过K矩阵参数的调整可提升系统的响应特性。

本发明所提出的多变量反馈水轮机调速系统控制方法，在传统水轮机调速器基础上引入多变量反馈，变量反馈回路使用比例环节控制。通过对多变量反馈回路参数的调整，实现系统极点配置，调整系统阻尼比，实现水轮机频率响应速度的提高，进而实现水轮机参与一次调频性能的优化，相比于目前依据自适应控制、滑膜控制等理论提出的新的控制结构和参数设计方法，本方法具有可靠性高、方便控制、易于实现的特点。

实施例3：

本发明公开了一种多变量反馈优化水轮机调速性能的控制方法，该方法由传统的水轮机调速系统及多变量反馈控制回路共同构成。其中多变量反馈控制回路基于比例环节进行设计。多变量反馈控制回路的引入可以在原系统调节基础上，优化系统的响应特性，在一定程度上提高水轮机调速系统在调速过程中的响应速度降低系统反调。

为更详细的说明本技术方案的实施效果，下面给出具体的工程实例进行说明。

实际运行中可测量的变量包括导叶开度、水头、流量、机械功率以及输出频率。

在某水电机组调速器基础上加入水头、流量以及输出频率反馈控制回路，基于引入多变量反馈后的调速系统进行建模仿真以验证本发明的有效性。

水轮机调速系统模型中，K_p1、K_I1、K_D1分别为调速器的PID参数，T_d1为微分常数，b_p为永态转差系数，T_y为接力器反应时间常数，K_f1、K_f2、K_f3分别为水头反馈、流量反馈、输出频率反馈回路比例系数；引入多变量反馈控制后，系统频率偏差信号与导叶开度指令值之间的关系式如下：

式中：Δf为频率偏差信号；s为拉普拉斯算子；H为水头参数；Q为机组流量；f为发电机输出频率；y_PID为PID控制器输出开度指令值；

随动系统传递函数如下：

式中：G_s为随动系统传递函数；T_y为接力器动作时间常数；s为拉普拉斯算子；

图3为水轮机及其引水系统模拟框图，考虑刚性水击模型，引水系统传递函数如下：

G_y＝-T_ws (1-7)

式中：G_y为引水系统传递函数；T_w为水锤效应时间常数；s为拉普拉斯算子；其中，e_y＝1，e_h＝1.5，e_qy＝1，e_qh＝0.5；

发电机及负荷的传递函数为：

式中：G_f为发电机及负荷传递函数；T_a为惯性时间常数；e_n为水轮发电机组综合自调节系数，e_n＝e_g-e_x，取值为0-2；e_g为发电机负载自调节系数；e_x为力矩对转速传递系数；

根据上述关系即可建立水轮机多变量反馈调速系统传递函数，并依据模型以及传递函数进行仿真。

图4为上述调速器、随动系统、水轮机及引水系统、发电机及负荷模型以及水头、流量以及输出频率反馈回路组合而成的水轮机多变量反馈调速控制系统。

图5所示为引入多变量反馈的水轮机调速系统模拟结构图。基于以上步骤，引入多变量反馈的水轮机调速系统模拟过程为，以积分器输出为状态变量建立多变量反馈调速系统状态空间方程；其中，将PID调速器中微分环节等效为并联的比例环节与惯性环节，水轮机及引水系统部分为保留水头参数仅对刚性水击模型部分进行变换，在建立状态空间方程时利用状态变量x₂、x₃与水头的代数关系H＝f(x₂,x₃)取代水头参数；由于刚性水击模型传递函数影响，流量反馈回路等效为积分回路，与水头反馈回路并联运行，多变量反馈控制状态空间方程如下所示：

式中：F为输入量频率给定值，M_g0为负载功率扰动；

根据状态空间方程，获得多变量反馈水轮机调速系统状态矩阵，由公式sI-A可求解水轮机调速系统极点；得出，系统极点在S平面的位置与K_f1、K_f2、K_f3的取值相关，因此通过改变状态反馈回路参数即可改变调速系统特征根在S平面的位置，从而调整调速系统的响应性能；

在完成反馈回路参数调整后，根据频率响应曲线，即可得到水轮机调速系统引入多变量反馈后对响应特性的优化效果。

图6为对比传统水轮机调速系统和引入水头、流量以及输出频率变量反馈调速系统的频率响应过程仿真曲线。输入频率设置为0.5pu，输出为调速系统频率响应。从图中可以看出，传统水轮机调速系统由于机械特性限制对频率的响应比较缓慢，无法满足大规模新能源并网下电网对水力发电提出的快速频率支撑需求。而引入多变量反馈控制后，水轮机调速系统对频率的响应速度有了明显的提高，动态性能更好，可以更快的实现频率动态响应，提高水力发电对电网频率支撑的需求，减小大规模新能源并网带来的频率波动影响。

Claims (8)

1.一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立水轮机调速系统模型，根据水轮机调速系统模型得到调速器、随动系统、水轮机及引水系统和发电机及负荷的传递函数分别为G_t，G_s，G_y和G_f；

步骤二，由调速器、随动系统、水轮机及引水系统和发电机及负荷组成的闭环系统的开环传递函数G₁，以输出量调速系统输出频率为反馈变量形成输出反馈，建立传统水轮机调速系统模型；

步骤三，选择水轮机调速系统实际运行中可测量的变量，将所选变量反馈输入至接力器指令值处，形成多变量反馈调速系统；

步骤四，基于水轮机多变量反馈调速系统建立多变量反馈状态空间方程，以所得系统状态矩阵为依据，通过对多变量反馈回路参数的设计，提高水轮机调速系统在满足电网一次调频需求时的响应速度并且在一定程度上降低系统响应过程中出现的功率反调，使多变量反馈水轮机调速系统获得更好的频率响应特性及更高的响应质量。

2.根据权利要求1所述一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，水轮机调速系统包含调速器、随动系统、水轮机及引水系统、发电机及负荷四大基本结构；

调速器部分采用水轮机组运行常用的微机调速器，输入为人为设定的频率指定值，发电机及负荷部分输出频率通过测频回路反馈至输入侧与给定频率作差得到调速系统的频率误差信号，误差信号幅值超过人工频率死区后调速系统将开始动作，误差信号经过PID调节器调节后输出接力器行程指令值；

随动系统部分为水轮机主要动作环节，此部分接收接力器行程指令值调整水轮机导叶开度，进而影响水头、流量和机械功率参数变化，由于辅助接力器的反应时间常数远小于主接力器的时间常数，因此为简化水轮机调速系统模型使用以主接力器反应时间常数主导的惯性环节代替随动系统。

3.根据权利要求2所述一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，水轮机及引水系统部分因导叶开度变化引起系统内流量以及水头参数的改变，进而影响水轮原动机输出力矩大小，此部分依据水轮机外特性公式(1-1)建立模型，由于其强非线性，因此基于其线性化模型研究；其中为简化分析，引水系统采用刚性水击模型，同时忽略转速变化对水轮机流量的影响，即e_qx＝0；

水轮机外特性公式：

式中：s为拉普拉斯算子；M_t为水轮原动机输出机械力矩；e_y为水轮机力矩对导叶开度传递系数；Y为水轮机导叶开度；e_x为力矩对转速传递系数；X为发电机输出转速；e_h为水轮机力矩对水头传递系数；H为水头；Q为流量；e_qy为水轮机流量对导叶开度传递系数；e_qx为水轮机流量对转速传递系数；e_qh为水轮机流量对水头传递系数；

水轮机通过输出机械力矩的变化改变与其相连接的发电机的转速，进而影响发电机输出功率以及输出频率；

发电机及负荷采用一阶发电机模型，并且将力矩对转速传递系数e_x与负载自调节系数e_g合并，合并后由调节系数e_n代替。

4.根据权利要求3所述一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，多变量反馈控制均采用状态反馈回路的设计思路，以比例环节为反馈回路主要形式，所选择的变量经比例环节反馈放大后，输入至接力器指令值处，与原水轮机调速系统PID调速器输出指令共同改变随动系统导叶开度，达到多变量控制系统输出频率及输出功率的效果，进而提高系统的响应速度。

5.根据权利要求4所述一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，多变量反馈控制方法具体过程为：

依据传统水轮机调速系统建立状态空间方程：

式中：t为时间；为状态变量对时间的导数；A为状态矩阵；x为状态变量；B为输入矩阵；u为输入变量；y为输出变量；C为输出矩阵；D为前馈矩阵；

其中，为提高调速系统响应速度及质量，针对调速系统所包含的多个变量引入比例反馈控制，建立含多变量反馈回路的调速系统状态空间方程；

引入多变量反馈控制后，输入信号与状态变量之间的关系如公式(1-3)所示：

u(t)＝r(t)-Kx(t),K∈R^1×n (1-3)

式中，K为多变量反馈回路比例系数所组成的系数矩阵；r为引入反馈控制后定义的系统新的输入变量；

将公式(1-3)代入公式(1-2)，可得引入状态反馈后的调速系统状态空间方程为：

依据公式(1-4)，获得引入状态反馈后的系统状态矩阵A-BK，通过对状态矩阵的分析可知，调速系统极点的实部和虚部均与K矩阵参数相关，即可以通过改变反馈回路比例系数的方式实现水轮机调速系统极点的配置；根据调速系统极点与系统响应特性的对应关系可知，调整主导振荡极点实部左移，可提升响应速度，并保证阻尼比在0.5～0.7之间，防止超调或振荡，因此通过K矩阵参数的调整可提升系统的响应特性。

6.根据权利要求5所述一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，实际运行中可测量的变量包括导叶开度、水头、流量、机械功率以及输出频率。

7.根据权利要求6所述一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，在水电机组调速器基础上加入水头、流量以及输出频率反馈控制回路，基于引入多变量反馈后的调速系统进行建模仿真的具体过程为：

水轮机调速系统模型中，K_p1、K_I1、K_D1分别为调速器的PID参数，T_d1为微分常数，b_p为永态转差系数，T_y为接力器反应时间常数，K_f1、K_f2、K_f3分别为水头反馈、流量反馈、输出频率反馈回路比例系数；引入多变量反馈控制后，系统频率偏差信号与导叶开度指令值之间的关系式如下：

式中：Δf为频率偏差信号；s为拉普拉斯算子；H为水头参数；Q为机组流量；f为发电机输出频率；y_PID为PID控制器输出开度指令值；

随动系统传递函数如下：

式中：G_s为随动系统传递函数；T_y为接力器动作时间常数；s为拉普拉斯算子；

考虑刚性水击模型，引水系统传递函数如下：

G_y＝-T_ws (1-7)

式中：G_y为引水系统传递函数；T_w为水锤效应时间常数；s为拉普拉斯算子；其中，e_y＝1，e_h＝1.5，e_qy＝1，e_qh＝0.5；

发电机及负荷的传递函数为：

式中：G_f为发电机及负荷传递函数；T_a为惯性时间常数；e_n为水轮发电机组综合自调节系数，e_n＝e_g-e_x，取值为0-2；e_g为发电机负载自调节系数；e_x为力矩对转速传递系数；

根据上述关系即可建立水轮机多变量反馈调速系统传递函数，并依据模型以及传递函数进行仿真。

8.根据权利要求7所述一种基于多变量反馈的水轮机调速控制优化方法，其特征在于，引入多变量反馈的水轮机调速系统模拟过程为，以积分器输出为状态变量建立多变量反馈调速系统状态空间方程；其中，将PID调速器中微分环节等效为并联的比例环节与惯性环节，水轮机及引水系统部分为保留水头参数仅对刚性水击模型部分进行变换，在建立状态空间方程时利用状态变量x₂、x₃与水头的代数关系H＝f(x₂,x₃)取代水头参数；由于刚性水击模型传递函数影响，流量反馈回路等效为积分回路，与水头反馈回路并联运行，多变量反馈控制状态空间方程如下所示：

式中：F为输入量频率给定值，M_g0为负载功率扰动；

根据状态空间方程，获得多变量反馈水轮机调速系统状态矩阵，由公式sI-A可求解水轮机调速系统极点；得出，系统极点在S平面的位置与K_f1、K_f2、K_f3的取值相关，因此通过改变状态反馈回路参数即可改变调速系统特征根在S平面的位置，从而调整调速系统的响应性能；

在完成反馈回路参数调整后，根据频率响应曲线，即可得到水轮机调速系统引入多变量反馈后对响应特性的优化效果。