【摘要】：隨著我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化向可持續(xù)發(fā)展方向不斷推進(jìn),水電能源作為成本低廉、環(huán)境友好的可再生清潔能源在我國能源發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要作用。水電機(jī)組作為將水能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備,具有運(yùn)行靈活、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等特點(diǎn),是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中不可或缺的調(diào)峰調(diào)頻裝備;其中,抽水蓄能機(jī)組作為可以雙向運(yùn)行的水電機(jī)組,不僅改善了電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu),而且提供了更為靈活的調(diào)節(jié)空間,進(jìn)一步提高了水電機(jī)組在電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)中的地位。近年來,隨著風(fēng)電、光伏等具有間歇性和波動性的電力能源入網(wǎng)規(guī)模的逐步提升,電網(wǎng)的電能質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。水電機(jī)組作為電網(wǎng)調(diào)節(jié)的主力對于緩解新能源并網(wǎng)所引發(fā)的功率平衡和頻率穩(wěn)定等問題具有重要作用,因此,電網(wǎng)波動的加劇對水電機(jī)組的調(diào)節(jié)性能提出了更高的需求。水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)是受水力、機(jī)械和電氣因素耦合作用的具有非最小相位特性的復(fù)雜非線性系統(tǒng),系統(tǒng)的運(yùn)行呈現(xiàn)高度復(fù)雜的特性,為了進(jìn)一步提高水電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力,保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,亟需開展水電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行控制優(yōu)化研究。水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)精細(xì)化建模是機(jī)組控制優(yōu)化研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模通常只考慮機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng),同時將發(fā)電機(jī)等效成具有一定轉(zhuǎn)動慣量的剛體,忽略了電氣因素對機(jī)組運(yùn)行動力過程的影響,無法精確描述機(jī)組運(yùn)行特性,對機(jī)組的精細(xì)化建模、參數(shù)辨識和控制優(yōu)化帶來了不利的影響。因此,本文以提高水電機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)節(jié)性能為目標(biāo),將系統(tǒng)辨識、智能優(yōu)化算法和控制理論等數(shù)學(xué)工具引入至水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模、仿真和控制優(yōu)化中,同時以水電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)為切入點(diǎn),針對具有水電機(jī)組的電力系統(tǒng)調(diào)頻性能優(yōu)化問題開展了深入的研究,取得了一定的成果,本文的主要研究成果和創(chuàng)新如下:(1)深入研究了水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),將系統(tǒng)分為原動機(jī)、過水系統(tǒng)、調(diào)速器、發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)六大模塊,分析了各模塊的運(yùn)行機(jī)理,歸納總結(jié)了各模塊的不同建模方法,討論了不同模型的適用情形,建立了包含調(diào)速和勵磁系統(tǒng)的水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型,為水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)辨識和并網(wǎng)運(yùn)行控制優(yōu)化提供了模型基礎(chǔ)。(2)為實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)辨識,在建立的水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上,使用灰狼群優(yōu)化算法將參數(shù)辨識問題轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yōu)問題,并通過引入混沌搜索策略,提高了算法的尋優(yōu)能力,形成了一種改進(jìn)灰狼群優(yōu)化算法,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模型參數(shù)的高精度辨識。(3)為提高水電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制性能,引入?yún)f(xié)同控制理論為水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)新型控制器;研究了協(xié)同控制理論的原理和控制器設(shè)計(jì)思路,基于建立的具有復(fù)雜引水系統(tǒng)的水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型,推求了協(xié)同調(diào)速控制規(guī)律;進(jìn)一步,在建立的抽水蓄能機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了調(diào)速勵磁協(xié)同控制器;在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中,通過不同狀態(tài)下的仿真運(yùn)行驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的協(xié)同調(diào)速控制器和調(diào)速勵磁協(xié)同控制器的有效性和優(yōu)越性。(4)針對風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模日益增長的現(xiàn)狀,深入研究了風(fēng)電機(jī)組的組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性,基于前述研究建立的水電機(jī)組模型,搭建了包含抽水蓄能機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組的微電網(wǎng)模型,為水電機(jī)組與風(fēng)電機(jī)組互聯(lián)運(yùn)行研究提供了模型基礎(chǔ);為提高抽水蓄能機(jī)組的調(diào)節(jié)性能、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化,基于模糊控制理論為抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制參數(shù)在線調(diào)整的自適應(yīng)模糊PID控制器,采用改進(jìn)灰狼群優(yōu)化算法對控制器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化整定,并通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的控制器的有效性。(5)針對電力系統(tǒng)中頻率的二次調(diào)節(jié),深入研究了電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制方式及其目標(biāo),建立了兩區(qū)域的水-火電互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制模型,引入?yún)f(xié)同控制理論分別為系統(tǒng)中水電和火電區(qū)域的負(fù)荷頻率控制設(shè)計(jì)了控制器,為了提高協(xié)同控制器的誤差消除能力,構(gòu)造了具有積分項(xiàng)的宏變量,并據(jù)此推求了協(xié)同控制律;通過系統(tǒng)負(fù)荷擾動下的仿真對比實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的協(xié)同控制器提高了系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
【圖文】：

圖 2-1 水泵水輪機(jī)全特性曲線“S”區(qū)域示意圖對數(shù)投影法通過定義全新的橫坐標(biāo)11/vx = αe，來重新刻畫水泵水輪機(jī)的特性曲線，原有的11 11Q x、11 11M x特性曲線經(jīng)公式（2-14）（-2-16）轉(zhuǎn)換后，，變換成11Q x、11M x曲線，如圖 2-2 所示。

圖 2-2 水泵水輪機(jī)全特性曲線 LCP 變換圖Suter 變換方法最初是用來處理水泵過渡過程中的泵特性計(jì)算精度的方法，而后被應(yīng)用到水泵水輪機(jī)的全特性曲線處理問題上，其數(shù)值變換公式如式（2-17）所示：1
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM312

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2626641