水轮发电机组励磁与水门协调控制设计

水轮发电机组励磁与水门协调控制设计

刘炜1田娜2

1.甘肃电投河西水电开发有限责任公司甘肃张掖734000

2.河西学院甘肃张掖734000

摘要：针对水轮发电机组励磁与闸门的协调控制，采用目标全息反馈法进行了非线性控制设计。基于对水轮发电机组的控制要求，施工控制方程，非线性控制设计的本质，提出了协调控制方案的激励和非线性调速器水轮发电机、汽轮发电机保证电压调节特性和功率调节特性。最后，通过仿真验证了该方案的有效性。

关键词：水轮发电机；组励磁与水门控制；目标全息反馈；非线性控制方法；电压调节

1引言

水轮发电机组的运行影响着电网的安全、经济和质量，控制水轮发电机组安全运行的关键手段是控制，因此对水轮发电机组控制的研究就显得尤为重要。由于汽轮发电机组的控制系统是电气、液压机械的一个复杂的非线性系统，作为一个整体，和涡轮传递系数与水锤效应变化的时变特性的引水系统的条件下，非线性控制设计问题变得非常困难。

目前，水轮发电机组非线性控制进行了大量的研究工作已被引入到这一领域，各种控制方法，如PID控制、反馈控制、自适应控制、神经网络控制、H∞鲁棒控制，这些研究结果有助于认识水轮发电机控制的问题，但也是一个强大的推动水轮发电机控制理论研究及工程应用。

2水轮发电机组控制系统数学模型

2.1控制对象模型

水轮发电机单机和无穷大系统同时控制闸门和励磁，动态模型可表示如下

验证结果表明，当r＝ω0，r非负半正定矩阵的特征值时，具有耗散项的广义控制。此时，系统输出方程是

2.2.5与外界干扰的L2稳定性设计

根据定理3，对扰动哈密顿系统，设计了控制律（7），得到了系统L2的抗干扰控制。

3水轮发电机组控制设计存在的问题

正如导言所说，非线性设计通常选择控制目标作为重要物理量的组合。为了便于对问题的分析，讨论协调设计问题水轮发电机控制方法的非线性微分几何。用微分几何方法表明存在如下变换

公式（11）表明，在性能指标、约束变量只有Z1、Z2和Z5具有物理概念清晰，与其他物理量有原来的系统没有明确的物理意义。

因此，这种设计方法可以保证Z1、Z2和Z5（Y1，1Y2Y）的性能，和其他重要的物理量（如电压等）并没有在性能得到一个点球，很难有良好的动态和静态性能。造成这些问题的根本原因在于：上述非线性变换要求系统具有相同的维数输入和输出（控制目标），水轮发电机组的控制目标大于控制输入。

4水轮发电机组励磁与水门协调控制设计

4.1控制目标

为了清楚地了解水电机组的控制问题，有必要对水轮发电机组的控制任务进行分析。水轮发电机组有两个控制环节，即励磁控制和水门开闭控制。

（1）励磁控制。其主要任务是保证机组的电压调节特性，进而通过励磁调节来提高水轮发电机组的稳定性。

（2）闸门开度控制。通过控制闸门开度的控制信号，水轮发电机的有功功率输出控制和分配，保证有功功率开轨道的稳定性、改善系统。

4.2控制律的实现

由于引入了当前的id和IQ，控制律不包含系统网络参数，因此控制律对系统网络参数具有鲁棒性。为了测量当前的ID和IQ，可以使用本地可测量的量，所以提出的方案是分散的。

5仿真分析与讨论

5.1仿真研究

根据上述控制策略，在MATLAB/SIMULINK环境下建立系统仿真模型。根据H，得到最佳速度。通过矢量控制算法实现有功和无功功率解耦。

端电压相位波形变化的水头变化的头H，输入值分别为H1＝400m，H2=600m，H3＝800m、转轮直径D＝1.25m，并计算出最佳的速度根据最优速度模型（算法）。最佳转速阶跃±20%，记录速度，有功功率和无功功率曲线。

最优速度算法可以计算出实时最优转速、高精度；根据最优转速、最速稳定的速度控制回路；速度慢而稳定的响应，有效地克服了TIC单元。交流励磁与调速器协调控制，使转速跟踪过程中的最大效率不影响无功功率的输出。在调节有功波动率的过程中，无功波动、稳定和无功功率是相同的。

5.2理想工作状态下的三相短路故障

理想的操作条件下，三相短路故障发生在0.5s发电机变压器的高压侧，与故障线路拆除后0.65s，DGC端电压的稳态误差保持在为了维护权力角度不变。ccohf具有良好的动态和静态性能。

5.3变状态+三相短路故障

水轮机的传递系数是反映水轮机动态特性的重要参数，它随工作点的变化而变化。有时，系统运行于理想工作点的实际工作点，和三相短路故障发生在3S，且线路故障后持续0.15s删除。DGC的作用下，两端子电压和有功功率的稳态误差，原因是：（1）电压反馈的信息是不是在控制设计；（2）水栅透射系数不在闸门控制考虑。然而，对ccohf作用下，机组具有良好的动态和静态性能，且控制效果不会很大不同，由于操作条件的变化。

6结论

电压调节和功率调节是水电机组励磁与闸门协调控制设计中的重要问题，但目前还没有得到有效的解决。因此，本文将讨论这一问题，主要研究内容如下：（1）从微分变换的角度，分析了水轮机的微分几何控制设计问题，阐述了问题的本质原因。（2）用状态空间描述水轮机和引水系统的二阶模型，并进行了零动态稳定性分析。在此基础上，对水轮发电机组控制系统的模型简化进行了研究。（3）利用目标全息反馈法设计水轮发电机组励磁与闸门的协调控制。通过电压调节仿真、功率调节仿真和三相短路故障仿真验证了方案的有效性。

参考文献

[1]陈博世.电气传动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2005.

[2]廖永，杨舜昌.交流励磁发电机的励磁控制.中国电机工程学院学报，1998,18（2）：87–90.