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抽水蓄能機組調節系統建模優化與評估 版權信息
- ISBN：9787030650030
- 條形碼：9787030650030 ; 978-7-03-065003-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
抽水蓄能機組調節系統建模優化與評估 本書特色
本書抽水蓄能機組非線性系統建模與辨識、自動控制、水電生產過程自動化等領域的科研、管理和教學人員閱讀，也可作為相關專業研究生和高校學生的專業讀物。
抽水蓄能機組調節系統建模優化與評估 內容簡介
徐艷和綠色能源快速發展以及能源結構深化改革背景下，我國抽水蓄能電站建設發展迅速，可逆式抽水蓄能機組研發、制造、應用和維護向高水頭、大容量、智能化方向發展。抽水蓄能機組可逆式的結構設計以及各工況之間的復雜切換方式，使得水泵水輪機流道內流態紊亂、水力瞬變規律呈現不確定性，機組壓力脈動和空化現象較常規水輪發電機組更為普遍。上述特點不僅對機組調節、電站穩定運行造成極大的困難，而且給機組的安全高效運行帶來一系列亟待解決的靠前學術前沿問題和工程技術難題。為此，針對抽水蓄能機組調節系統建模與控制優化及狀態評估涉及的關鍵科學問題，提出抽水蓄能機組調節系統全工況建模與模型參數辨識方法；引入非線性控制、分數階PID控制以及預測控制等控制理論，構建復雜工況激勵下調節系統控制優化策略與方法體系；建立甩負荷、水泵工況斷電工況的機組導葉關閉規律優化模型，探究特別工況對機組設備狀態的影響；在理論研究成果的基礎上，設計開發抽水蓄能機組調節系統控制優化與性能評估應用系統，實現機組調節系統在線監測系統與仿真試驗一體化裝置系統的集成與應用。
抽水蓄能機組調節系統建模優化與評估 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 抽水蓄能電站地位與建設現狀 1
1.2 抽水蓄能機組運行特點與挑戰性問題 4
1.3 抽水蓄能機組調節系統辨識與控制優化研究現狀 6
1.3.1 抽水蓄能機組調節系統辨識研究現狀 7
1.3.2 抽水蓄能機組調節系統控制優化研究現狀 10
1.4 抽水蓄能機組調節系統狀態評估研究現狀 13
1.4.1 故障診斷研究現狀 13
1.4.2 狀態趨勢預測研究現狀 15
1.4.3 狀態評估研究現狀 17
參考文獻 18
第2章 抽水蓄能機組調節系統全工況建模方法 24
2.1 抽水蓄能機組調節系統建模與數值仿真 25
2.1.1 可逆式水泵水輪機數學模型 25
2.1.2 過水系統數學模型 44
2.1.3 調速器數學模型 57
2.1.4 發電/電動機數學模型 59
2.1.5 調節系統特性分析與數值仿真 62
2.2 抽水蓄能機組調節系統模型參數辨識 85
2.2.1 基于粒子群算法的模型參數辨識 86
2.2.2 基于改進回溯搜索算法的模型參數辨識 94
2.2.3 基于改進萬有引力搜索算法的模型參數辨識 100
2.2.4 基于灰狼算法的模型參數辨識 105
2.2.5 稀疏-魯棒-*小二乘支持向量機模型參數辨識 115
參考文獻 135
第3章 抽水蓄能機組調節系統復雜工況控制優化 139
3.1 啟發式增益自適應PID控制 139
3.1.1 控制器原理 140
3.1.2 參數優化 143
3.1.3 實例研究 147
3.2 智能非線性PID控制 153
3.2.1 非線性PID控制 153
3.2.2 智能控制 157
3.2.3 實例研究 158
3.3 自適應快速預測-模糊PID控制 163
3.3.1 模糊PID控制 163
3.3.2 滾動預測機制 165
3.3.3 自適應快速模糊分數階PID控制 167
3.3.4 實例研究 168
3.4 多目標分數階PID控制 171
3.4.1 多目標優化問題定義 172
3.4.2 第三代多目標非支配排序遺傳算法 173
3.4.3 改進第三代多目標非支配排序遺傳算法 176
3.4.4 基于LCNSGA-Ⅲ的多目標分數階PID控制 184
3.5 自適應預測-模糊PID*優控制 193
3.5.1 抽水蓄能機組調節系統CARIMA模型 193
3.5.2 自適應預測-模糊PID控制器設計 198
3.5.3 自適應預測-模糊PID控制優化 201
3.5.4 實例研究 204
3.6 基于機理建模與數據驅動融合的廣義預測控制 211
3.6.1 抽水蓄能機組調節系統時間序列模型 211
3.6.2 抽水蓄能機組調節系統廣義預測控制 216
3.6.3 實例研究 226
3.7 基于T-S模糊模型辨識的廣義預測控制 233
3.7.1 廣義預測控制基本原理 233
3.7.2 T-S模糊模型辨識 233
3.7.3 實例研究 237
3.8 一次調頻工況穩定性分析及控制優化 250
3.8.1 控制參數敏感性分析 250
3.8.2 控制參數優化 251
參考文獻 253
第4章 抽水蓄能機組極端工況控制優化與設備影響評估 256
4.1 水泵斷電工況導葉關閉規律優化 256
4.1.1 多目標優化方法 257
4.1.2 模糊滿意度評價函數 259
4.1.3 實例研究 259
4.2 甩負荷工況導葉控制規律優化 262
4.2.1 多目標優化方法 263
4.2.2 模糊滿意度評價函數 263
4.2.3 實例研究 263
4.3 甩負荷工況導葉與球閥聯動關閉規律優化 266
4.3.1 甩負荷導葉一段直線關閉規律 267
4.3.2 甩負荷導葉與球閥聯動關閉規律優化 269
4.4 水泵斷電工況關鍵指標定量分析 272
4.4.1 關鍵指標分析流程 273
4.4.2 實測數據關鍵指標分析 274
4.4.3 多場景仿真數據指標分析 279
4.5 水泵斷電工況軸系結構強度計算與主軸運行軌跡分析 287
4.5.1 可逆式水泵水輪機三維建模 287
4.5.2 全流道流場仿真 299
4.5.3 軸系有限元強度分析 312
參考文獻 326
第5章 抽水蓄能機組調節系統控制優化與性能評估系統開發 328
5.1 系統邏輯架構 328
5.1.1 表示層 330
5.1.2 業務邏輯層 331
5.1.3 數據訪問層 331
5.2 系統功能模塊 331
5.2.1 實時數據展示 331
5.2.2 實時數據采集與存儲 332
5.2.3 暫態過程仿真 340
5.2.4 模型參數辨識 342
5.2.5 控制穩定性分析 343
5.2.6 控制優化 343
5.2.7 故障樹模型與故障診斷 345
5.2.8 專家系統故障診斷 350
5.2.9 狀態模糊層次綜合評估與狀態評估 352
5.2.10 狀態趨勢預測 357
5.2.11 報告管理 363
參考文獻 364
第6章 抽水蓄能機組調節系統在線監測與一體化裝置設計及研發 365
6.1 一體化裝置與計算機監控系統通信 365
6.2 一體化裝置與調節系統的通信協議 370
6.2.1 Modbus RTU協議 370
6.2.2 Modbus TCP協議 371
6.3 一體化裝置與調節系統的數據采集 374
6.4 一體化裝置硬件設計與實現 375
6.4.1 一體化裝置硬件設計 375
6.4.2 一體化裝置硬件實現 385
參考文獻 388
前言
第1章 緒論 1
1.1 抽水蓄能電站地位與建設現狀 1
1.2 抽水蓄能機組運行特點與挑戰性問題 4
1.3 抽水蓄能機組調節系統辨識與控制優化研究現狀 6
1.3.1 抽水蓄能機組調節系統辨識研究現狀 7
1.3.2 抽水蓄能機組調節系統控制優化研究現狀 10
1.4 抽水蓄能機組調節系統狀態評估研究現狀 13
1.4.1 故障診斷研究現狀 13
1.4.2 狀態趨勢預測研究現狀 15
1.4.3 狀態評估研究現狀 17
參考文獻 18
第2章 抽水蓄能機組調節系統全工況建模方法 24
2.1 抽水蓄能機組調節系統建模與數值仿真 25
2.1.1 可逆式水泵水輪機數學模型 25
2.1.2 過水系統數學模型 44
2.1.3 調速器數學模型 57
2.1.4 發電/電動機數學模型 59
2.1.5 調節系統特性分析與數值仿真 62
2.2 抽水蓄能機組調節系統模型參數辨識 85
2.2.1 基于粒子群算法的模型參數辨識 86
2.2.2 基于改進回溯搜索算法的模型參數辨識 94
2.2.3 基于改進萬有引力搜索算法的模型參數辨識 100
2.2.4 基于灰狼算法的模型參數辨識 105
2.2.5 稀疏-魯棒-*小二乘支持向量機模型參數辨識 115
參考文獻 135
第3章 抽水蓄能機組調節系統復雜工況控制優化 139
3.1 啟發式增益自適應PID控制 139
3.1.1 控制器原理 140
3.1.2 參數優化 143
3.1.3 實例研究 147
3.2 智能非線性PID控制 153
3.2.1 非線性PID控制 153
3.2.2 智能控制 157
3.2.3 實例研究 158
3.3 自適應快速預測-模糊PID控制 163
3.3.1 模糊PID控制 163
3.3.2 滾動預測機制 165
3.3.3 自適應快速模糊分數階PID控制 167
3.3.4 實例研究 168
3.4 多目標分數階PID控制 171
3.4.1 多目標優化問題定義 172
3.4.2 第三代多目標非支配排序遺傳算法 173
3.4.3 改進第三代多目標非支配排序遺傳算法 176
3.4.4 基于LCNSGA-Ⅲ的多目標分數階PID控制 184
3.5 自適應預測-模糊PID*優控制 193
3.5.1 抽水蓄能機組調節系統CARIMA模型 193
3.5.2 自適應預測-模糊PID控制器設計 198
3.5.3 自適應預測-模糊PID控制優化 201
3.5.4 實例研究 204
3.6 基于機理建模與數據驅動融合的廣義預測控制 211
3.6.1 抽水蓄能機組調節系統時間序列模型 211
3.6.2 抽水蓄能機組調節系統廣義預測控制 216
3.6.3 實例研究 226
3.7 基于T-S模糊模型辨識的廣義預測控制 233
3.7.1 廣義預測控制基本原理 233
3.7.2 T-S模糊模型辨識 233
3.7.3 實例研究 237
3.8 一次調頻工況穩定性分析及控制優化 250
3.8.1 控制參數敏感性分析 250
3.8.2 控制參數優化 251
參考文獻 253
第4章 抽水蓄能機組極端工況控制優化與設備影響評估 256
4.1 水泵斷電工況導葉關閉規律優化 256
4.1.1 多目標優化方法 257
4.1.2 模糊滿意度評價函數 259
4.1.3 實例研究 259
4.2 甩負荷工況導葉控制規律優化 262
4.2.1 多目標優化方法 263
4.2.2 模糊滿意度評價函數 263
4.2.3 實例研究 263
4.3 甩負荷工況導葉與球閥聯動關閉規律優化 266
4.3.1 甩負荷導葉一段直線關閉規律 267
4.3.2 甩負荷導葉與球閥聯動關閉規律優化 269
4.4 水泵斷電工況關鍵指標定量分析 272
4.4.1 關鍵指標分析流程 273
4.4.2 實測數據關鍵指標分析 274
4.4.3 多場景仿真數據指標分析 279
4.5 水泵斷電工況軸系結構強度計算與主軸運行軌跡分析 287
4.5.1 可逆式水泵水輪機三維建模 287
4.5.2 全流道流場仿真 299
4.5.3 軸系有限元強度分析 312
參考文獻 326
第5章 抽水蓄能機組調節系統控制優化與性能評估系統開發 328
5.1 系統邏輯架構 328
5.1.1 表示層 330
5.1.2 業務邏輯層 331
5.1.3 數據訪問層 331
5.2 系統功能模塊 331
5.2.1 實時數據展示 331
5.2.2 實時數據采集與存儲 332
5.2.3 暫態過程仿真 340
5.2.4 模型參數辨識 342
5.2.5 控制穩定性分析 343
5.2.6 控制優化 343
5.2.7 故障樹模型與故障診斷 345
5.2.8 專家系統故障診斷 350
5.2.9 狀態模糊層次綜合評估與狀態評估 352
5.2.10 狀態趨勢預測 357
5.2.11 報告管理 363
參考文獻 364
第6章 抽水蓄能機組調節系統在線監測與一體化裝置設計及研發 365
6.1 一體化裝置與計算機監控系統通信 365
6.2 一體化裝置與調節系統的通信協議 370
6.2.1 Modbus RTU協議 370
6.2.2 Modbus TCP協議 371
6.3 一體化裝置與調節系統的數據采集 374
6.4 一體化裝置硬件設計與實現 375
6.4.1 一體化裝置硬件設計 375
6.4.2 一體化裝置硬件實現 385
參考文獻 388
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抽水蓄能機組調節系統建模優化與評估 節選
第1章 緒 論 在綠色能源快速發展以及能源結構深化改革背景下，我國抽水蓄能電站建設發展迅速，可逆式抽水蓄能機組研發、制造、應用和維護向高水頭、大容量、智能化方向發展，抽水蓄能技術代表了世界先進水平。抽水蓄能電站以其調峰填谷的獨特運行特性，發揮著調節負荷、促進電力系統節能和維持電網安全穩定運行的功能，逐步成為我國電力系統不可或缺的調節手段。我國已建成的抽水蓄能電站單機容量大、布置復雜、引水道長，可逆式水泵水輪機的運行方式、固有的“S”特性區域和“駝峰”特性區域，使得抽水蓄能電站機組調節系統的控制呈現高度復雜特性。 進一步，抽水蓄能機組可逆式的結構設計以及各工況之間的復雜切換方式，使得可逆式水泵水輪機流道內流態紊亂、水力瞬變規律呈現不確定性，機組空載開機、工況切換過渡過程引發的壓力脈動和空化現象較常規水輪發電機組更為普遍；機組發生發電方向甩負荷與抽水方向水泵斷電工況等大波動激勵擾動時，由此引發的水力瞬變對機組軸系系統及其壓力管道系統的安全運行構成嚴重的威脅，不利于機組安全穩定運行。上述特點不僅對抽水蓄能機組調節、電站穩定運行造成極大的困難，而且給機組的安全高效運行帶來一系列亟待解決的國際學術前沿問題和工程技術難題。其中，控制優化和狀態評估理論與技術是機組調節系統可靠運行的關鍵，亟須研究發展與之相適應的理論、方法和工程應用系統。 為此，本書針對上述關鍵問題，研究抽水蓄能機組精細化建模與模型參數辨識方法，在此基礎上對抽水蓄能機組運行過程中的復雜工況控制問題展開深入研究，提出多種抽水蓄能機組調節系統先進控制策略，為我國投產或在建的抽水蓄能電站機組的控制提供理論依據與技術支持。特別地，針對機組極端運行工況，研究過渡過程對抽水蓄能機組調節系統設備設施的影響并提出相應的應對措施。此外，為了提高我國抽水蓄能機組調節系統設備設施在線監測與狀態評估能力，本書設計并開發了一套抽水蓄能機組調節系統在線監測與一體化裝置和控制優化與性能評估系統，實現了抽水蓄能機組調節系統過渡過程計算、嵌入式仿真與測試、控制優化、故障診斷與性能評估等功能，為抽水蓄能機組安全穩定運行提供了有力的技術支撐。 1.1 抽水蓄能電站地位與建設現狀 國家經濟社會的發展離不開電能，隨著電力行業的不斷發展以及國家提出清潔低碳、綠色發展的能源目標，水電、風電、太陽能發電等清潔可再生能源得到了快速的發展[1]。水電能源作為一種清潔可再生能源，在非化石能源中占有舉足輕重的地位。我國水資源蘊含量極為豐富，水電裝機規模居世界**，近年來水電裝機規模穩步增長，占全國裝機總量的20.9%。到2020年底，水電裝機容量將達到3.8億kW，風電總裝機容量為2.1億kW，太陽能總裝機容量突破1.1億kW[d1][XYH2][2]。然而，風力發電和太陽能發電具有隨機性、波動性和間歇性的特點，其大規模接入電網將對電網調峰和運行控制帶來巨大的挑戰，同時也給電網的安全穩定運行造成了嚴重的威脅。 近年來，隨著風光等清潔可再生能源占電力市場份額的不斷增長及電網安全穩定運行要求的不斷提高，加快建設抽水蓄能電站的必要性和重要性日益突出。目前，全球抽水蓄能電站總裝機容量約為1.4億kW，日本、美國和歐洲諸國的抽水蓄能電站裝機容量占全球的80%以上[3]。“十二五”期間，我國抽水蓄能電站規模穩步增長，裝機規模不斷躍升，新增抽水蓄能投產裝機容量612萬kW，年均增長率達6.4%。到2015年底，全國抽水蓄能總裝機容量達到2303萬kW，水電裝機占全國水電總裝機容量的7.2%，如表1-1所示。近幾年，陸續開工建設了黑龍江荒溝、河北豐寧、山東文登、安徽績溪、海南瓊中、廣東深圳等抽水蓄能電站，如表1-2所示。 表1-1 “十二五”抽水蓄能電站指標及完成情況表 隨著國家能源結構的轉型升級，要求抽水蓄能占比快速大幅提高，然而我國抽水蓄能電站裝機總容量仍然偏小，目前僅占全國電力總裝機的1.5%。因此，《水電發展“十三五”規劃》[4]強調，我國需加快抽水蓄能電站建設布局，以適應新能源大規模開發需要，保障電力系統安全運行，如表1-3所示。其中，東北電網、華東電網、華北電網、華中電網和西北電網重點開工抽水蓄能電站建設項目達到48項，總裝機容量為5875萬kW，如表1-4所示。截至2020年，我國抽水蓄能電站新增投產1697萬kW，集中于東北、華北、華東、華中和華南等經濟中心及新能源大規模發展和核電不斷增長區域，抽水蓄能電站總裝機容量將達到4000萬kW，2025年總裝機容量將突破9000萬kW。 表1-3 “十三五”抽水蓄能電站發展布局 1.2 抽水蓄能機組運行特點與挑戰性問題 抽水蓄能發電具有無污染、運行靈活、成本低廉、調節能力強等特點，是國家能源發展計劃中具有重要地位的可再生清潔能源。其中，抽水蓄能機組具有調峰填谷的運行特點以及啟停速度快、工況轉換靈活等特性，能夠快速響應電力系統調頻調相、削峰填谷、旋轉和事故備用的需求，有效地緩解間歇性能源出力波動給電力系統帶來的不利影響，增強電網對風電、光電的消納能力[5]。 抽水蓄能機組的運行方式在常規水電機組發電工況和發電調相工況的基礎上增加了抽水工況、抽水調相工況，以及發電、抽水、調相三種工況之間的轉換，如圖1-1所示，且一日之內開機、停機、工況切換頻繁，平均每小時工況切換次數可達0.25次[d3][XYH4]。 圖1-1 抽水蓄能機組復雜工況轉換示意圖 雖然抽水蓄能機組具有上述突出優點，但由于可逆式水泵水輪機全特性存在水輪機反“S”特性區域和水泵駝峰區域兩個運行不穩定的區域，如圖1-2所示，導致低水頭水輪機啟動并網困難、低水頭調相轉發電不穩定、機組空載振蕩、水泵啟動過程中的水壓振蕩以及調節系統機械部件疲勞磨損等問題突出[6]。 圖1-2 可逆式水泵水輪機不穩定運行區域示意圖 抽水蓄能機組調節系統是一個包含壓力過水系統、電液隨動系統、微機調速器、可逆式水泵水輪機、發電電動機等部件的復雜非線性閉環控制系統，作為抽水蓄能機組的核心控制系統，承擔著控制機組啟停與工況轉換、穩定機組頻率和調節機組功率的重任。因此，為解決上述挑戰性問題，亟待建立高精度的抽水蓄能機組調節系統模型，通過在線性能測試和仿真建模，開展抽水蓄能機組控制策略與狀態評估研究。雖然國內外學術與工程界在抽水蓄能機組調節系統辨識建模、控制策略及狀態評估等方面開展了一系列的研究和應用，但已有工作在系統性和深入程度方面，均不能滿足大裝機容量抽水蓄能電站對調節系統控制性能及其狀態評估的迫切需求，主要的不足有以下幾方面。 (1)抽水蓄能機組調節系統是一個復雜的時變、非線性系統，對其進行非線性特征參數辨識與高精度建模仿真有待進一步研究。 (2)抽水蓄能機組復雜變工況環境下的控制策略研究缺乏針對性和高效性。 (3)現有的調節系統故障診斷與狀態評估技術難以完全滿足抽水蓄能機組控制系統的實際工程應用要求。 (4)我國對于抽水蓄能機組調節系統在線監測技術的研究尚處于起步階段，抽水蓄能機組調節系統運行特性監測平臺工程學的研究難以滿足實際工程的需求。 為此，針對上述難點與關鍵科學問題，本書開展抽水蓄能機組調節系統的精細化建模，在此基礎上分析機組運行動態特性，提出控制參數優化整定、過渡過程控制優化以及調節系統狀態評估等方法，具有重要的理論與工程應用價值。 1.3 抽水蓄能機組調節系統辨識與控制優化研究現狀 抽水蓄能機組調節系統辨識研究的意義在于提供了一種獲取抽水蓄能機組調節系統精確模型描述的理論方法和技術手段。調節系統的非線性辨識分為參數辨識和模型辨識兩個研究方向，參數辨識通過使用機組的離線試驗數據或在線運行數據來輔助建模，在不影響機組正常運行的情況下，利用其測量信號數據，即可辨識獲得電液隨動機構時間常數、發電電動機機械慣性常數、綜合調節系數及過水系統水流慣性時間常數等具有實際物理意義的系統參數，為指導機組在復雜工況下的*優化運行奠定模型基礎。模型辨識則結合系統運行輸入-輸出數據和神經網絡等機器學習模型，借助這類模型強大的非線性擬合與表征能力來直接構造控制變量和系統輸出之間的隱含非線性映射關系，實現對可逆式水泵水輪機等環節運行過程非線性動態特性和復雜狀態變化規律的解析。此外，高精度的非線性調節系統辨識模型還有利于自適應控制、自校正控制、神經網絡控制、模型預測控制等先進控制理論的實施與應用。 在抽水蓄能機組調節系統控制領域，傳統比例-積分-微分(proportion integral differential[d5][XYH6]，PID)控制器因具有結構簡單可靠、控制參數易于調整、設計工況點控制效果良好等優勢，被我國抽水蓄能電站廣泛采用。但是，由于抽水蓄能機組調節系統不確定性及強非線性環節的存在，隨著運行工況偏移和現場環境的變化，傳統PID控制器往往難以在全工況獲得滿意的控制品質，機組低水頭運行時容易產生不穩定甚至振蕩發散的現象。因此，在參數辨識和模型辨識研究獲取調節系統精確結構參數和數學模型的基礎上，相關領域研究人員進一步研究調節系統控制參數優化整定方法，探索新型控制規律。
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