适用于水电机组的改进滑模控制策略研究
发布时间：2021-11-25 19:22
近年来,随着风、光等可再生能源在能源供应中的比例日益增加,其间歇性和难以预测性使电网的稳定性面临更多挑战。水电机组是电网中具有重要调节作用的机组,其调速器广泛采用传统的比例-积分-微分（PID）控制。然而,PID控制对机组复杂工况的适应性较差,作为重要的鲁棒控制策略,滑模控制在实现水电机组优化运行方面具有巨大潜力。因此,为实现滑模控制在水电机组中的应用,本文将滑模控制引入水轮机调节系统,分析"假稳定"现象的原因并提出改进的滑模控制器。同时,基于自适应模糊粒子群算法（AFPSO）和时间乘误差绝对值积分（ITAE）指标,对改进滑模控制器的参数进行优化。通过仿真证明了所提出的滑模控制策略的有效性。
【文章来源】：水力发电学报. 2020,39(10)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
理想水轮机调节系统被控对象Fig.1Controlledobjectofidealhydro-turbineregulationsystem
目的是找出一组最佳参数，使得该时间段内的指标值最校常见的全局性能指标有ITAE、误差绝对值积分（IAE）、误差平方积分（ISE）和时间乘误差平方积分（ITSE）等。其中，ITAE是最常用全局性能指标，兼顾了对调节的快速性和平稳性的要求，计算方法如下式：0ITAEt(t)dte（52）考虑到优化算法参数对优化结果的影响，采用AFPSO算法优化控制器参数，以避免因参数选择对算法性能产生的不利影响[21]。基于目标函数和AFPSO算法，提出了针对滑模控制器参数优化的通用框架，如图2所示。图2水电机组滑模控制器的参数优化Fig.2Parameteroptimizationforslidingmodecontrollerofhydropowerunits对于水轮机调节系统，目标函数的输入包含机组转速或功率（视当前控制模式而定）、控制器输出和跟踪误差，输出为目标函数值。AFPSO算法根据目标函数值更新当前候选解，并将新解输入控制器计算系统的状态变量和跟踪误差，用于下一次迭代计算。重复上述过程，当满足停止条件后即可得到滑模控制器的最佳控制参数。4仿真和验证4.1水电机组滑模控制存在的问题以前面提及的理想水轮机调节系统为例（参数值为yT=0.2、wT=1.0、aT=8.0和ne=0.1），采用AFPSO算法对滑模控制器的参数进行寻优，以常用的ITAE指标作为目标函数，得到转速跟踪两种不同扰动信号条件下的最优控制参数分别为：①对于阶跃给定信号，c=50，k=0.01，=93.89；②对于正弦给定信号，c=20，k=0.06，=53.33。不同给定信号下得到的目标函数变化曲线和转速响应曲线如图3和图4所示。从转速响应曲线可以看出，在滑模控制作用下机组转速能?
88水力发电学报相位特性有关，另一方面也与滑模控制本身的特性有关。在滑模面函数的设计中，仅考虑转速跟踪误差及其一阶导数，使得控制器按照既定控制律向着误差减小的方向对转速给定进行跟踪，而忽略了系统其他状态变量的稳定性。（a）目标函数变化（b）转速响应图3目标函数变化曲线和系统对转速正弦给定信号的响应曲线Fig.3Timevariationsintheobjectivefunctionandresponseofthesystemtoasinusoidaldisturbanceofgivenspeedsignal（a）目标函数变化（b）转速响应图4目标函数变化曲线和系统对转速阶跃给定信号的响应曲线Fig.4Timevariationsintheobjectivefunctionandresponseofthesystemtoastepdisturbanceofgivenspeedsignal（a）转速响应（b）控制响应图5延长至40s后系统对转速正弦给定信号的转速响应和控制响应Fig.5Speedandcontrolresponsesofthesystemtoasinusoidaldisturbanceofgivenspeedsignalafterextendingto40s
【参考文献】：
期刊论文
[1]水电机组调速器提高一次调频响应合格率方法[J]. 张培,邓盛名. 水电能源科学. 2019(12)
[2]水轮机调速系统的H∞双回路鲁棒控制策略[J]. 孔繁镍,吴杰康. 电网技术. 2011(08)
[3]水轮机微机调速器控制策略分析与研究[J]. 陆桂明,孙美凤,沈祖诒. 中国农村水利水电. 2010(07)
[4]滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J]. 刘金琨,孙富春. 控制理论与应用. 2007(03)
[5]模糊整定PID控制在水电机组中应用研究[J]. 陈炜,王淑青. 计算机与现代化. 2006(09)
[6]基于神经网络的水轮机调节系统自抗扰控制[J]. 王涛,杨晓萍,余向阳,南海鹏,周艳. 水力发电学报. 2006(03)
[7]水轮机调速系统的非线性自适应控制[J]. 桂小阳,梅生伟,刘锋,卢强. 中国电机工程学报. 2006(08)
[8]基于模糊的自校正PID控制在水电机组上的应用[J]. 廖忠,林志贵,沈祖诒. 动力工程. 2004(02)
[9]参数自适应模糊PID控制器及其在水电机组调速器中的应用[J]. 梁宏柱,叶鲁卿,孟安波. 水电自动化与大坝监测. 2003(06)
本文编号：3518638
【文章来源】：水力发电学报. 2020,39(10)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
理想水轮机调节系统被控对象Fig.1Controlledobjectofidealhydro-turbineregulationsystem
目的是找出一组最佳参数，使得该时间段内的指标值最校常见的全局性能指标有ITAE、误差绝对值积分（IAE）、误差平方积分（ISE）和时间乘误差平方积分（ITSE）等。其中，ITAE是最常用全局性能指标，兼顾了对调节的快速性和平稳性的要求，计算方法如下式：0ITAEt(t)dte（52）考虑到优化算法参数对优化结果的影响，采用AFPSO算法优化控制器参数，以避免因参数选择对算法性能产生的不利影响[21]。基于目标函数和AFPSO算法，提出了针对滑模控制器参数优化的通用框架，如图2所示。图2水电机组滑模控制器的参数优化Fig.2Parameteroptimizationforslidingmodecontrollerofhydropowerunits对于水轮机调节系统，目标函数的输入包含机组转速或功率（视当前控制模式而定）、控制器输出和跟踪误差，输出为目标函数值。AFPSO算法根据目标函数值更新当前候选解，并将新解输入控制器计算系统的状态变量和跟踪误差，用于下一次迭代计算。重复上述过程，当满足停止条件后即可得到滑模控制器的最佳控制参数。4仿真和验证4.1水电机组滑模控制存在的问题以前面提及的理想水轮机调节系统为例（参数值为yT=0.2、wT=1.0、aT=8.0和ne=0.1），采用AFPSO算法对滑模控制器的参数进行寻优，以常用的ITAE指标作为目标函数，得到转速跟踪两种不同扰动信号条件下的最优控制参数分别为：①对于阶跃给定信号，c=50，k=0.01，=93.89；②对于正弦给定信号，c=20，k=0.06，=53.33。不同给定信号下得到的目标函数变化曲线和转速响应曲线如图3和图4所示。从转速响应曲线可以看出，在滑模控制作用下机组转速能?
88水力发电学报相位特性有关，另一方面也与滑模控制本身的特性有关。在滑模面函数的设计中，仅考虑转速跟踪误差及其一阶导数，使得控制器按照既定控制律向着误差减小的方向对转速给定进行跟踪，而忽略了系统其他状态变量的稳定性。（a）目标函数变化（b）转速响应图3目标函数变化曲线和系统对转速正弦给定信号的响应曲线Fig.3Timevariationsintheobjectivefunctionandresponseofthesystemtoasinusoidaldisturbanceofgivenspeedsignal（a）目标函数变化（b）转速响应图4目标函数变化曲线和系统对转速阶跃给定信号的响应曲线Fig.4Timevariationsintheobjectivefunctionandresponseofthesystemtoastepdisturbanceofgivenspeedsignal（a）转速响应（b）控制响应图5延长至40s后系统对转速正弦给定信号的转速响应和控制响应Fig.5Speedandcontrolresponsesofthesystemtoasinusoidaldisturbanceofgivenspeedsignalafterextendingto40s
【参考文献】：
期刊论文
[1]水电机组调速器提高一次调频响应合格率方法[J]. 张培,邓盛名. 水电能源科学. 2019(12)
[2]水轮机调速系统的H∞双回路鲁棒控制策略[J]. 孔繁镍,吴杰康. 电网技术. 2011(08)
[3]水轮机微机调速器控制策略分析与研究[J]. 陆桂明,孙美凤,沈祖诒. 中国农村水利水电. 2010(07)
[4]滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J]. 刘金琨,孙富春. 控制理论与应用. 2007(03)
[5]模糊整定PID控制在水电机组中应用研究[J]. 陈炜,王淑青. 计算机与现代化. 2006(09)
[6]基于神经网络的水轮机调节系统自抗扰控制[J]. 王涛,杨晓萍,余向阳,南海鹏,周艳. 水力发电学报. 2006(03)
[7]水轮机调速系统的非线性自适应控制[J]. 桂小阳,梅生伟,刘锋,卢强. 中国电机工程学报. 2006(08)
[8]基于模糊的自校正PID控制在水电机组上的应用[J]. 廖忠,林志贵,沈祖诒. 动力工程. 2004(02)
[9]参数自适应模糊PID控制器及其在水电机组调速器中的应用[J]. 梁宏柱,叶鲁卿,孟安波. 水电自动化与大坝监测. 2003(06)
本文编号：3518638
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