基于遺傳算法的雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的性能控制研究

魏長寶，田進(jìn)華

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基于遺傳算法的雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的性能控制研究

魏長寶，田進(jìn)華

（黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，河南駐馬店463000）

潮汐發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，因此具有較為廣闊的發(fā)展前景，為了有效地控制雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的性能，保證潮汐發(fā)電站的穩(wěn)定運(yùn)行，深入地研究了遺傳算法在其中的應(yīng)用。首先，分析了雙向潮汐水輪發(fā)電機(jī)組的工作原理；其次，進(jìn)行了模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；然后，設(shè)計(jì)了用于模糊PID控制器參數(shù)優(yōu)化的遺傳算法流程；最后，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明該方法能夠獲得較好的控制效果。

潮汐發(fā)電；水輪機(jī)組；遺傳算法；控制

0 前言

地球表面海洋面積占71%的比例，蘊(yùn)藏著較大的能量，其中潮汐發(fā)電是最有發(fā)展前景的發(fā)電方式。潮汐能屬于清潔可再生能源，具有較大的開發(fā)前景，同時(shí)儲量也比較大，因此，可以作為能源的補(bǔ)充。潮汐發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，節(jié)約傳統(tǒng)能源、保護(hù)環(huán)境、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)等。

潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的性能與內(nèi)部流體的流動狀態(tài)以及水輪機(jī)組自身的動力特性密切相關(guān)，在漲潮和落潮的影響下，潮汐發(fā)電水輪機(jī)組應(yīng)該經(jīng)歷正向和反向的發(fā)電、吸水和放水，有雙向的開機(jī)和停機(jī)，甩負(fù)荷以及負(fù)荷調(diào)節(jié)等運(yùn)行模型，在工作過程中，潮汐水輪發(fā)電機(jī)必須經(jīng)歷非常頻繁的工況轉(zhuǎn)換，因此，內(nèi)部介質(zhì)的流動規(guī)律非常復(fù)雜，動力特性也非常復(fù)雜。因此，應(yīng)該對雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)，保證潮汐發(fā)電的正常運(yùn)行[1]。

雙向潮汐水輪發(fā)電機(jī)組的控制屬于一個(gè)復(fù)雜過程，涉及了機(jī)、電和水三個(gè)方面，利用傳統(tǒng)的PID控制算法存在控制精度低的缺陷。PID控制已經(jīng)得到了普遍的認(rèn)可，該控制方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，可靠性高和可行性強(qiáng)等。但是PID控制算法調(diào)參比較困難，這也是導(dǎo)致控制精度低的主要原因，因此，可以將模糊理論和PID控制技術(shù)融合起來形成模糊PID控制器，從而能夠提高雙向潮汐水輪發(fā)電機(jī)組的工作穩(wěn)定性，進(jìn)而能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)PID控制器的缺陷，為了提高模糊PID控制器的控制效果，可以選擇一種行之有效的算法對其進(jìn)行控制[2]。遺傳算法屬于一種仿生算法，模擬生物的進(jìn)化過程，其理論依據(jù)就是“優(yōu)勝劣汰”，具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，能夠通過并行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，能夠獲得全局收斂、可以采用編碼的方式操作等。

1 雙向潮汐水輪發(fā)電機(jī)組的工作原理

潮汐電站采取了單庫雙向的開發(fā)方式，水輪發(fā)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)正向和反向的發(fā)電過程，正向發(fā)電是指水流通過水庫流至海洋進(jìn)行發(fā)電；反向發(fā)電是指海洋流動到水庫的過程中進(jìn)行發(fā)電。雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組受到漲朝和落朝的影響，水流動的雙向流動使水輪發(fā)電機(jī)組有許多工況，并且工況轉(zhuǎn)換比較頻繁。潮汐電站的整個(gè)調(diào)度期間，包括多種動態(tài)因素，例如，正向和反向發(fā)電、正向和反向抽水、漲潮和落潮等，潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的工作次序?yàn)椋赫虬l(fā)電-正向放水-水輪機(jī)組關(guān)閉-反向發(fā)電-反向放水-水輪機(jī)組關(guān)閉，并且按照這個(gè)順序循環(huán)進(jìn)行[3]。

全貫流式水輪機(jī)組是潮汐發(fā)電站的主要組成部分。發(fā)電機(jī)放置在水輪機(jī)的流道外，水輪機(jī)通道以直線的的方式布置，水流可以看成軸向流動，導(dǎo)葉前中心軸的直徑較小，軸面水流的流速分布較為均勻，產(chǎn)生的摩擦損失和二次流損失較少。全貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的效率適中，主要受到尾水支架的影響。全貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的過水能力較高。該類型的水輪發(fā)電機(jī)組具有如下的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較緊湊，轉(zhuǎn)動慣量較大，能夠確保水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪的輪緣位置空間較的大，有利于放置發(fā)電機(jī)。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)控制環(huán)上安裝了重錘，可以根據(jù)正常狀態(tài)和事故情況下夠可以順利關(guān)閉導(dǎo)葉確定重錘的質(zhì)量，通過接力器的油壓使導(dǎo)葉開啟。由于全貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的外緣重量比較大，轉(zhuǎn)動慣量也比較大，因此發(fā)電機(jī)組的工作穩(wěn)定性比較好。為了能夠提高雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的工作效率，將模糊PID控制器應(yīng)用于其控制之中。

2 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模糊PID控制系統(tǒng)包括兩個(gè)重要組成部分，分別為PID控制器和模糊控制器，模糊控制器是模糊PID控制器的核心。隨著模糊控制器維數(shù)的增加，模糊PID控制器的控制精度越高，取得的控制效果越好，但是，維數(shù)過多，模糊控制規(guī)則的復(fù)雜程度也隨之增加，從而使模糊PID控制的實(shí)現(xiàn)難度加大。

圖1 雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的PID控制系統(tǒng)示意圖

模糊子集論域分別為：

表1 模糊控制規(guī)則

表2 模糊控制規(guī)則

表3 模糊控制規(guī)則

為了能夠提高雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的控制精度，將引入遺傳算法。

3 遺傳算法的基本流程

為了能夠提高遺傳算法的有效性，將具有自適應(yīng)性的混沌理論融合到其中，能夠優(yōu)化算法，遺傳算法的基本流程如下所示[5]：

（2）利用輪盤賭的方式確定三個(gè)種群的欲處理的個(gè)體；

（5）確定不同輔助種群的最佳個(gè)體，利用輔助種群的最佳個(gè)體替換主種群的最劣個(gè)體；

（6）如果迭代次數(shù)沒有達(dá)到設(shè)置的迭代次數(shù)，執(zhí)行步驟（2），反之，算法結(jié)束，將最終的主種群最優(yōu)解輸出。

4 控制仿真分析

以某雙向潮汐發(fā)電水輪發(fā)電機(jī)組為研究對象，利用基于遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制系統(tǒng)對其進(jìn)行控制仿真研究。雙向發(fā)電水輪發(fā)電機(jī)組的基本參數(shù)設(shè)置如下：轉(zhuǎn)輪的直徑為2.5m，水輪機(jī)組的功率為550kW，水頭范圍為0.9~5.0m，正向的設(shè)計(jì)水頭為2.5m，反向的設(shè)計(jì)水頭為3.0m，水輪機(jī)組的正向設(shè)計(jì)流量為28m3/s，反向設(shè)計(jì)流量為23m3/s。

遺傳算法的參數(shù)設(shè)置如下：種群規(guī)模取為50，最大迭代次數(shù)為120。分別利用模糊PID控制器和基于遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制器對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組控制仿真曲線

從圖2可以看出，利用基于遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制器相對模糊PID控制器可以獲得更好的控制效率，控制過程中的超調(diào)量較小，控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較少，從而能夠提高雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)械的工作穩(wěn)定性，提高水輪機(jī)組的正反向工作效率。利用兩種控制器獲得的控制效果見表4。

表4 不同控制器的控制效果對比

從表4可以看出，利用基于遺傳算法的模糊PID控制器可以提高雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的正向和反向發(fā)電效率，從而能夠極大地提高潮汐能的有效利用率。

5 結(jié)論

雙向潮汐發(fā)電是能源利用的重要方式，提高雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的發(fā)電效率，降低雙向潮汐發(fā)電站的運(yùn)營能夠提高其經(jīng)濟(jì)效益，具有非常重要的意義。對雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組進(jìn)行性能控制是保證潮汐發(fā)電站穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。將遺傳算法應(yīng)用于模糊PID控制器參數(shù)優(yōu)化之中，有效地提高了水輪機(jī)組控制的穩(wěn)定性，經(jīng)過仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了該控制系統(tǒng)能夠提高雙向潮汐發(fā)電水輪機(jī)組的動態(tài)特性。

[1] 汪旎, 劉輝, 陳武暉. 水輪發(fā)電機(jī)組勵磁與水門協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(7): 262-268.

[2] 顧艷, 鄒德虎. 基于Terminal滑?？刂频乃啺l(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)[J]. 電源技術(shù), 2013, 37(10): 1840-1842.

[3] 鄭少明, 王鵬, 梅生偉. 大型水輪發(fā)電機(jī)組水門開度控制零動態(tài)設(shè)計(jì)方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2008, 32(22): 21-25.

[4] 龍軍, 秦雅. 基于模糊理論和遺傳算法的梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度[J]．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 201l, 36(2): 314-319.

[5] 王曉偉, 劉林, 周謐. 蟻群遺傳算法在一維下料問題中的應(yīng)用[J]．微型機(jī)與應(yīng)用, 2012, 31(6): 66-71.

[6] 李超順, 周建中, 雷慧, 等. 基于Hartley變換的水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)辨識[J]．大電機(jī)技術(shù), 2009(3)：57-61．

Study on Performance Control of Bidirectional Tidal Hydroelectric Generating Units Based on Genetic Algorithm

WEI Changbao, TIAN jinhua

(Information Engineering College of Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

Tidal power has some advantages, therefore it has a wide developing view, in order to control bidirectional tidal hydroelectric generating units, and ensure stable operation of tidal generator, and the application of genetic algorithm is applied in it is studied in depth. Firstly, the working theory of bidirectional tidal generating units is studied. Secondly, the fuzzy PID controlling system is designed. Then the procedure of genetic algorithm for optimizing the parameters of fuzzy PID controller is designed. Finally, the simulation is carried out, and results show that this method can obtain better controlling effect.

tidal power; hydroelectric generating units; genetic algorithm; control

TK730.4+1

A

1000-3983(2013)06-0077-04

2014-01-20

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（122102210510）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14B520036）

魏長寶（1972-），男，漢族，河南人，碩士，副教授，主要研究：數(shù)據(jù)應(yīng)用與信息處理技術(shù)等。

審稿人：樸秀日