本發(fā)明屬于抽水蓄能機(jī)組控制，更具體地，涉及一種變水頭參數(shù)自適應(yīng)雙饋抽水蓄能機(jī)組及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于變速抽水蓄能機(jī)組的研究集中在系統(tǒng)建模和控制器改進(jìn)方面。與常規(guī)水電機(jī)組相比，小型抽水蓄能機(jī)組水庫(kù)容量小，調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性特性明顯?，F(xiàn)有技術(shù)中機(jī)組采用統(tǒng)一pi參數(shù)的控制方法在面臨不同水頭時(shí)控制效果不佳，引起較大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。而傳統(tǒng)研究?jī)H聚焦在抽蓄機(jī)組的系統(tǒng)建模、控制器改進(jìn)或算法的改進(jìn)方面，缺少考慮水頭變化的小型變速抽水蓄能機(jī)組控制策略的研究。

2、此外，根據(jù)現(xiàn)有抽水蓄能機(jī)組模型，當(dāng)抽蓄機(jī)組負(fù)載突增時(shí)，機(jī)組降低轉(zhuǎn)速補(bǔ)充功率輸出缺額，調(diào)速器受轉(zhuǎn)速控制指令觸發(fā)，增加導(dǎo)葉開(kāi)度，提高水流量以恢復(fù)轉(zhuǎn)速。但由于導(dǎo)葉機(jī)械裝置和水流均具有慣性，當(dāng)負(fù)載突變量較大時(shí)，轉(zhuǎn)速不易快速恢復(fù)至參考值，而持續(xù)存在的較大轉(zhuǎn)差會(huì)加重變流器的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，從而形成變頻失敗的風(fēng)險(xiǎn)隱患。同時(shí)，微型抽蓄因庫(kù)容較小而水頭波動(dòng)更為顯著，此種運(yùn)行工況特性進(jìn)一步加劇了上述運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，需要一種水頭自適應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化控制方法，以鞏固抽蓄控制策略在變水頭工況下對(duì)轉(zhuǎn)速的控制能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種變水頭參數(shù)自適應(yīng)雙饋抽水蓄能機(jī)組及其控制方法，實(shí)現(xiàn)水頭自適應(yīng)的pi參數(shù)優(yōu)化。

2、本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

3、本發(fā)明的第一方面提供了一種變水頭參數(shù)自適應(yīng)雙饋抽水蓄能機(jī)組控制方法，包括以下步驟：

4、建立雙饋抽水蓄能機(jī)組數(shù)學(xué)模型，其中所述數(shù)學(xué)模型包括雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和水泵水輪機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；

5、根據(jù)雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和水泵水輪機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建功率解耦的機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器控制策略；

6、通過(guò)對(duì)抽蓄控制環(huán)節(jié)pi參數(shù)進(jìn)行可行域分析和尋優(yōu)，構(gòu)建水頭自適應(yīng)控制策略，配合機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器控制策略實(shí)現(xiàn)變水頭工況下對(duì)雙饋抽水蓄能機(jī)組的控制。

7、優(yōu)選地，雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型包括電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和定子有功和無(wú)功模型，

8、建立雙饋抽水蓄能機(jī)組數(shù)學(xué)模型，包括：

9、電壓方程表示如下，

10、

11、式中：

12、usd、usq、urd、urq分別為定、轉(zhuǎn)子電壓d、q軸分量；

13、isd、isq、ird、irq分別為定、轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量；

14、rs、rr分別為電機(jī)定、轉(zhuǎn)子側(cè)繞組電阻；

15、d/dt為微分算子；

16、ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈d、q軸分量；

17、ωs、ωr分別為電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電角速度；

18、ωslip為電機(jī)定轉(zhuǎn)子電角速度差，ωslip＝ωs-ωr；

19、磁鏈方程表示如下，

20、

21、式中：

22、ls、lr、lm分別為定、轉(zhuǎn)子電感和互感；

23、電磁轉(zhuǎn)矩方程表示如下，

24、te＝nplm(isqird-isdirq)

25、式中：

26、te為電磁轉(zhuǎn)矩；

27、np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

28、定子有功和無(wú)功以如下公式表示，

29、

30、式中：

31、ps、qs分別為定子有功和無(wú)功功率。

32、優(yōu)選地，建立水泵水輪機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，包括：

33、水泵水輪機(jī)數(shù)學(xué)模型以如下公式表示，

34、

35、式中：

36、q為流量；

37、h為有效水頭；

38、g為導(dǎo)葉開(kāi)度；

39、h0為實(shí)際水頭；

40、ηt為水輪機(jī)效率；

41、tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)；

42、tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；

43、pm為機(jī)械功率；

44、根據(jù)水泵水輪機(jī)模型，以最大化水輪機(jī)效率為目標(biāo)，計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)最優(yōu)參考轉(zhuǎn)速，作為調(diào)速系統(tǒng)的輸入，最優(yōu)參考轉(zhuǎn)速以如下公式表示，

45、ωref＝e0+e1(pref-e2)+e3(h0-e4)

46、式中：

47、ωref為參考轉(zhuǎn)速；

48、pref為參考功率；

49、ei，i∈{0,1,…,4}為線性擬合系數(shù)；

50、根據(jù)調(diào)速器和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)，建立調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，以如下公式表示，

51、

52、式中：

53、δω為轉(zhuǎn)速偏差；

54、kp、ki為調(diào)速器的控制參數(shù)；

55、ka為接力器增益；

56、ta為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

57、優(yōu)選地，機(jī)側(cè)變流器采用基于定子電壓定向矢量控制，以如下公式表示，

58、

59、式中：

60、urd、urq分別為轉(zhuǎn)子電壓d、q軸分量；

61、rr為電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)繞組電阻；

62、ird、irq為轉(zhuǎn)子電流d、q軸軸分量；

63、ωs、ωr分別為電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電角速度；

64、ωslip為電機(jī)定轉(zhuǎn)子電角速度差；

65、ls、lr、lm分別為定、轉(zhuǎn)子電感和互感；

66、為漏磁系數(shù)；

67、un為電網(wǎng)電壓。

68、優(yōu)選地，網(wǎng)側(cè)變換器采用帶解耦和擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹绷鳝h(huán)節(jié)電壓、電流雙閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)以如下公式表示，

69、

70、式中：

71、vgdref、vgqref分別為變換器交流側(cè)d、q軸參考電壓；

72、igdref、igqref分別為d、q軸參考電流；

73、ugd是電網(wǎng)電壓的d軸分量；

74、igd、igq分別為輸入電流的d、q軸分量；

75、ω1表示同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與定子電壓矢量重合時(shí)的轉(zhuǎn)子的角速度；

76、lg為濾波電感；

77、kp、ki為調(diào)速器的控制參數(shù)；

78、電壓外環(huán)以如下公式表示，

79、

80、式中：

81、udc為直流母線電壓；

82、udcref為直流母線參考電壓。

83、優(yōu)選地，構(gòu)建水頭自適應(yīng)控制策略的步驟具體包括：

84、構(gòu)建雙饋式抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)模型，采用根軌跡法分析kp和ki控制參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性的影響，計(jì)算pi參數(shù)的可行域；

85、采用優(yōu)化算法在可行域范圍內(nèi)對(duì)pi參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)；

86、根據(jù)參數(shù)優(yōu)化模型求解結(jié)果，得到可行域范圍內(nèi)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制參數(shù)并輸入到調(diào)速器中進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，配合機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器功率解耦控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水頭自適應(yīng)的雙饋抽水蓄能機(jī)組控制。

87、優(yōu)選地，雙饋式抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)模型的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)以如下公式表示，

88、

89、式中：

90、kp、ki為調(diào)速器的控制參數(shù)；

91、j為雙饋式抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

92、b為雙饋感應(yīng)電機(jī)的摩擦系數(shù)；

93、ka為接力器增益；

94、tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)；

95、ta為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

96、優(yōu)選地，pi參數(shù)尋優(yōu)使用雙饋抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差的時(shí)間加權(quán)積分絕對(duì)誤差作為優(yōu)化算法的適應(yīng)度函數(shù)；

97、所述時(shí)間加權(quán)積分絕對(duì)誤差準(zhǔn)則以如下公式表示，

98、

99、式中：

100、t為時(shí)間；

101、ts為積分時(shí)間；

102、e(t)為誤差。

103、優(yōu)選地，引入罰函數(shù)控制參數(shù)尋優(yōu)過(guò)程中越限，參數(shù)優(yōu)化模型以如下公式表示，

104、

105、式中：

106、ωref為參考轉(zhuǎn)速；

107、ω為實(shí)際轉(zhuǎn)速；

108、δ為懲罰量。

109、本發(fā)明的第二方面提供了一種變水頭參數(shù)自適應(yīng)雙饋抽水蓄能機(jī)組，包括：

110、模型構(gòu)建模塊，用于建立雙饋抽水蓄能機(jī)組數(shù)學(xué)模型，其中所述數(shù)學(xué)模型包括雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和水泵水輪機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；

111、變流器控制模塊，用于根據(jù)雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型和水泵水輪機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建功率解耦的機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器控制策略；

112、pi參數(shù)優(yōu)化模塊，用于通過(guò)對(duì)抽蓄控制環(huán)節(jié)pi參數(shù)進(jìn)行可行域分析和尋優(yōu)，構(gòu)建水頭自適應(yīng)控制策略，配合機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器控制策略實(shí)現(xiàn)變水頭工況下對(duì)雙饋抽水蓄能機(jī)組的控制。

113、優(yōu)選地，機(jī)側(cè)變流器采用基于定子電壓定向矢量控制，網(wǎng)側(cè)變換器采用帶解耦和擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹绷鳝h(huán)節(jié)電壓、電流雙閉環(huán)控制。

114、優(yōu)選地，pi參數(shù)優(yōu)化模塊構(gòu)建水頭自適應(yīng)控制策略具體包括：

115、構(gòu)建雙饋式抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)模型，采用根軌跡法分析kp和ki控制參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)特性的影響，計(jì)算pi參數(shù)的可行域；

116、采用優(yōu)化算法在可行域范圍內(nèi)對(duì)pi參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)；

117、根據(jù)參數(shù)優(yōu)化模型求解結(jié)果，得到可行域范圍內(nèi)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制參數(shù)并輸入到調(diào)速器中進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，配合機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器功率解耦控制，實(shí)現(xiàn)水頭自適應(yīng)的雙饋抽水蓄能機(jī)組控制。

118、優(yōu)選地，pi參數(shù)優(yōu)化模塊構(gòu)建的雙饋式抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)模型以如下公式表示，

119、

120、式中：

121、kp、ki為調(diào)速器的控制參數(shù)；

122、j為雙饋式抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

123、b為雙饋感應(yīng)電機(jī)的摩擦系數(shù)；

124、ka為接力器增益；

125、tw為水流慣性時(shí)間常數(shù)；

126、ta為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。

127、優(yōu)選地，pi參數(shù)尋優(yōu)模塊適應(yīng)度函數(shù)為雙饋抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差的時(shí)間加權(quán)積分絕對(duì)誤差，pi參數(shù)尋優(yōu)模塊采用罰函數(shù)控制越限，參數(shù)優(yōu)化模型以如下公式表示，

128、

129、式中：

130、ωref為參考轉(zhuǎn)速；

131、ω為實(shí)際轉(zhuǎn)速；

132、δ為懲罰量。

133、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果至少包括：

134、(1)本發(fā)明彌補(bǔ)了水頭變化的小型變速抽水蓄能機(jī)組控制策略的空缺，實(shí)現(xiàn)了變水頭工況下機(jī)組的自適應(yīng)控制，且轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，控制效果更好；

135、(2)本發(fā)明能有效降低負(fù)載突變時(shí)變流器變頻失敗的風(fēng)險(xiǎn)；

136、(3)本發(fā)明采用自適應(yīng)pi參數(shù)優(yōu)化方法，在庫(kù)容較小水頭變幅大的情況下，使微型抽蓄機(jī)組轉(zhuǎn)速可以更快恢復(fù)至參考值。