【摘要】：隨著我國能源結構優(yōu)化向可持續(xù)發(fā)展方向不斷推進,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。水電機組作為將水能轉化為電能的設備,具有運行靈活、調節(jié)能力強等特點,是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中不可或缺的調峰調頻裝備;其中,抽水蓄能機組作為可以雙向運行的水電機組,不僅改善了電網的能源結構,而且提供了更為靈活的調節(jié)空間,進一步提高了水電機組在電力系統(tǒng)調節(jié)中的地位。近年來,隨著風電、光伏等具有間歇性和波動性的電力能源入網規(guī)模的逐步提升,電網的電能質量和運行穩(wěn)定性受到了嚴重的挑戰(zhàn)。水電機組作為電網調節(jié)的主力對于緩解新能源并網所引發(fā)的功率平衡和頻率穩(wěn)定等問題具有重要作用,因此,電網波動的加劇對水電機組的調節(jié)性能提出了更高的需求。水電機組調節(jié)系統(tǒng)是受水力、機械和電氣因素耦合作用的具有非最小相位特性的復雜非線性系統(tǒng),系統(tǒng)的運行呈現(xiàn)高度復雜的特性,為了進一步提高水電機組的調節(jié)能力,保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,亟需開展水電機組的并網運行控制優(yōu)化研究。水電機組調節(jié)系統(tǒng)精細化建模是機組控制優(yōu)化研究的基礎。傳統(tǒng)的水電機組調節(jié)系統(tǒng)建模通常只考慮機組的調速系統(tǒng),同時將發(fā)電機等效成具有一定轉動慣量的剛體,忽略了電氣因素對機組運行動力過程的影響,無法精確描述機組運行特性,對機組的精細化建模、參數(shù)辨識和控制優(yōu)化帶來了不利的影響。因此,本文以提高水電機組在并網運行的調節(jié)性能為目標,將系統(tǒng)辨識、智能優(yōu)化算法和控制理論等數(shù)學工具引入至水電機組調節(jié)系統(tǒng)的建模、仿真和控制優(yōu)化中,同時以水電機組的調節(jié)系統(tǒng)為切入點,針對具有水電機組的電力系統(tǒng)調頻性能優(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)深入研究了水電機組調節(jié)系統(tǒng)的組成結構,將系統(tǒng)分為原動機、過水系統(tǒng)、調速器、發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)六大模塊,分析了各模塊的運行機理,歸納總結了各模塊的不同建模方法,討論了不同模型的適用情形,建立了包含調速和勵磁系統(tǒng)的水電機組調節(jié)系統(tǒng)模型,為水電機組調節(jié)系統(tǒng)參數(shù)辨識和并網運行控制優(yōu)化提供了模型基礎。(2)為實現(xiàn)水電機組調節(jié)系統(tǒng)并網運行狀態(tài)的參數(shù)辨識,在建立的水電機組調節(jié)系統(tǒng)模型基礎上,使用灰狼群優(yōu)化算法將參數(shù)辨識問題轉變?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,形成了一種改進灰狼群優(yōu)化算法,實現(xiàn)了系統(tǒng)模型參數(shù)的高精度辨識。(3)為提高水電機組調節(jié)系統(tǒng)的控制性能,引入?yún)f(xié)同控制理論為水電機組調速系統(tǒng)設計新型控制器;研究了協(xié)同控制理論的原理和控制器設計思路,基于建立的具有復雜引水系統(tǒng)的水電機組調速系統(tǒng)模型,推求了協(xié)同調速控制規(guī)律;進一步,在建立的抽水蓄能機組的調節(jié)系統(tǒng)模型的基礎上,設計了調速勵磁協(xié)同控制器;在單機無窮大系統(tǒng)中,通過不同狀態(tài)下的仿真運行驗證了設計的協(xié)同調速控制器和調速勵磁協(xié)同控制器的有效性和優(yōu)越性。(4)針對風電并網規(guī)模日益增長的現(xiàn)狀,深入研究了風電機組的組成結構和運行特性,基于前述研究建立的水電機組模型,搭建了包含抽水蓄能機組與風電機組的微電網模型,為水電機組與風電機組互聯(lián)運行研究提供了模型基礎;為提高抽水蓄能機組的調節(jié)性能、實現(xiàn)系統(tǒng)的運行優(yōu)化,基于模糊控制理論為抽水蓄能機組調速系統(tǒng)設計了控制參數(shù)在線調整的自適應模糊PID控制器,采用改進灰狼群優(yōu)化算法對控制器進行參數(shù)優(yōu)化整定,并通過仿真試驗驗證了設計的控制器的有效性。(5)針對電力系統(tǒng)中頻率的二次調節(jié),深入研究了電力系統(tǒng)的負荷頻率控制方式及其目標,建立了兩區(qū)域的水-火電互聯(lián)電力系統(tǒng)負荷頻率控制模型,引入?yún)f(xié)同控制理論分別為系統(tǒng)中水電和火電區(qū)域的負荷頻率控制設計了控制器,為了提高協(xié)同控制器的誤差消除能力,構造了具有積分項的宏變量,并據(jù)此推求了協(xié)同控制律;通過系統(tǒng)負荷擾動下的仿真對比實驗表明,設計的協(xié)同控制器提高了系統(tǒng)負荷頻率控制的調節(jié)品質。
【圖文】：

圖 2-1 水泵水輪機全特性曲線“S”區(qū)域示意圖對數(shù)投影法通過定義全新的橫坐標11/vx = αe，來重新刻畫水泵水輪機的特性曲線，原有的11 11Q x、11 11M x特性曲線經公式（2-14）（-2-16）轉換后，，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算精度的方法，而后被應用到水泵水輪機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
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM312

【參考文獻】

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本文編號：2626641