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    兼顧功角穩(wěn)定的水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)模糊滑模控制器的設(shè)計

    2022-10-27 09:42:42孔繁鎳藍天順駱銘夏家輝陸文玲
    中國農(nóng)村水利水電 2022年10期
    關(guān)鍵詞:功角水輪機滑模

    孔繁鎳,藍天順,駱銘,夏家輝,陸文玲

    (1.廣西大學電氣工程學院,廣西南寧 530004;2.南寧職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院,廣西南寧 530008)

    0 引言

    水輪發(fā)電機組能快速起動及并網(wǎng),具有良好的調(diào)節(jié)性能,擔任著電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻等任務(wù),對于維護系統(tǒng)穩(wěn)定和提高電能質(zhì)量起著非常重要的作用。同時,水電機組又會給電力系統(tǒng)帶來低頻振蕩或超低頻振蕩的風險,威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運行[1,2]。為了確保水電機組運行的可靠性,使水資源得到充分的利用,需要對水電機組的控制策略進行深入的研究。

    近年來,我國多座大型水電站建成并投產(chǎn),水電站作為電力系統(tǒng)的能源供給側(cè),其單機容量的增大對電網(wǎng)動態(tài)特性的影響日益突出[3,4]。同時,水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度也在不斷提升,這將使水力系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)之間的相互影響越來越明顯。此外,由于大型水電站往往離負荷中心較遠,互聯(lián)電網(wǎng)之間的聯(lián)系程度相對較弱,使系統(tǒng)不得不面臨一些重大運行問題,其中功角穩(wěn)定問題尤為突出[5]。通過附加控制裝置,如PSS,可以有效提供系統(tǒng)必要的阻尼[6,7]。但這類裝置在整定時通常忽略了有功功率輸入端水力系統(tǒng)的阻尼系數(shù)對其穩(wěn)定性的影響[8],不良的有功調(diào)節(jié)也會給PSS的整定帶來困難。因此,研究建立適當?shù)乃姍C組調(diào)節(jié)器控制規(guī)則,有助于縮短系統(tǒng)受擾后有功波動的動態(tài)過程時間,保證系統(tǒng)振蕩的快速平息及水電機組的穩(wěn)定運行。因此,從調(diào)速器控制律的角度出發(fā),研究水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)對系統(tǒng)阻尼性能改善的問題是有意義的。

    目前,因結(jié)構(gòu)簡單且易于工程實踐,水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)廣泛采用PID 控制[9]。但PID 控制器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)都較為固定,對復雜非線性系統(tǒng)的跟蹤能力較差。水電機組具有強非線性,傳統(tǒng)PID 對機組參數(shù)攝動和外部擾動的魯棒性較差,難以很好地滿足不同工況下的控制需求。為了提升PID 控制器的魯棒性,有學者將PID控制器與智能算法相結(jié)合[10-12],以確定最優(yōu)的控制器參數(shù)。也有學者將先進控制理論引入水電機組調(diào)速器的設(shè)計中,研究適用于水電機組復雜動態(tài)過程的控制策略,如自適應(yīng)控制[13],模糊控制[14],預(yù)測控制[15],級聯(lián)控制[16]。但上述方法大多僅考慮單一運行點,難以保證系統(tǒng)在不同工況下的魯棒性[17]。

    滑??刂谱鳛橹匾聂敯艨刂撇呗?,其在水電機組優(yōu)化運行中的運用逐漸得到了廣泛的關(guān)注[17-19]?;?刂剖且环N變結(jié)構(gòu)控制,其對參數(shù)變化及擾動不靈敏[20],在電力系統(tǒng)中得到了較多的應(yīng)用。但傳統(tǒng)滑??刂剖褂貌贿B續(xù)的符號函數(shù),易產(chǎn)生抖振問題,且收斂速度較慢,限制了其在水電機組控制中的應(yīng)用。為解決抖振問題,有學者使用飽和函數(shù)替代符號函數(shù)[21],或與模糊系統(tǒng)結(jié)合[22-24],都取得了良好的抖振抑制效果。但上述方法大多采用理想水輪機等簡化模型,且僅關(guān)注系統(tǒng)的頻率響應(yīng),忽視了系統(tǒng)波動過程中的功角穩(wěn)定問題。針對收斂速度較慢的問題,鮮有文獻對水電機組滑??刂频内吔蛇M行專門的探究。在其他領(lǐng)域的研究中,文獻[25,26]提出了基于指數(shù)項選擇的趨近律方案,但這類方法增益值一經(jīng)給定,即為固定值,趨近速率的調(diào)節(jié)范圍有限。

    因此,為進一步挖掘水電機組調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)潛力,本文通過將發(fā)電機功角及端電壓引入滑模面的設(shè)計,定義了新的滑模函數(shù),以提高調(diào)速器輸出的阻尼性能。其次,基于水電機組不同工況下的振蕩特性,提出了一種以機械功率為參考指標的改進趨近律,以提高趨近律的收斂速度,提升控制器的動態(tài)品質(zhì)。最后,不同負荷工況下的仿真結(jié)果表明,所設(shè)計的控制器比PID 控制器、常規(guī)模糊滑??刂破骶哂懈斓氖諗克俣群透玫恼袷幰种菩Ч?。

    1 水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型

    水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)由液壓伺服機構(gòu)、壓力引水管道、水輪機、發(fā)電機和控制器組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    圖1 水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of the Francis hydro-turbine regulating system

    1.1 水輪機與液壓伺服系統(tǒng)數(shù)學模型

    在水輪機工況變化緩慢的情況下,可近似用穩(wěn)態(tài)特性來描繪動態(tài)特性,故水輪機在某一穩(wěn)態(tài)工況下可用如圖2 所示的線性化的水輪機內(nèi)特性模型表示[28]:

    圖2 線性化水輪機內(nèi)特性模型Fig.2 Linearized internal characteristic model of hydraulic turbine

    式中:Δmt為水輪機力矩變化量;Δq為水輪機流量變化量;Δh為水輪機水頭變化量;Δω為水輪機轉(zhuǎn)速變化量;Δy為水輪機導葉開度變化量;ey為水輪機力矩對導葉開度傳遞系數(shù);ex為水輪機力矩對轉(zhuǎn)速傳遞系數(shù);eh為水輪機力矩對水頭傳遞系數(shù);eqy為水輪機流量對導葉開度傳遞系數(shù);eqx為水輪機流量對轉(zhuǎn)速傳遞系數(shù);eqh為水輪機流量對水頭傳遞系數(shù)。

    根據(jù)流體動力學,壓力管道的管壁和水體均具有彈性,當管道較長時,通常使用彈性水擊傳遞函數(shù)[4]:

    式中:Tw為水流慣性時間常數(shù);Tr為水擊相長。

    忽略調(diào)速器執(zhí)行機構(gòu)的飽和與死區(qū)等非線性環(huán)節(jié),液壓伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為:

    式中:Ty為伺服時間常數(shù);Δu為控制器的輸出。

    聯(lián)立式(1)~(3),并結(jié)合現(xiàn)代控制理論相關(guān)內(nèi)容,可以建立水力系統(tǒng)的狀態(tài)方程:

    式中:x1,x2和x3為中間變量,用于表征水輪機、壓力引水管和伺服機構(gòu)三者之間的聯(lián)系。

    1.2 發(fā)電機數(shù)學模型

    根據(jù)單機無窮大系統(tǒng)Phillips-Heffron 線性化模型,可得到發(fā)電機系統(tǒng)狀態(tài)方程[29]:

    其中,在同步轉(zhuǎn)速條件下,有Δmt≈ΔPm。此外,ΔPe和ΔVt可進一步表示為

    式中:Δδ為發(fā)電機功角增量;Δω為發(fā)電機角速度增量;為發(fā)電機交軸暫態(tài)電動勢增量;為勵磁系統(tǒng)的輸出電壓增量;ΔPm為發(fā)電機輸入的機械功率增量;ΔPe為發(fā)電機輸出的電磁功率增量;ΔVt為發(fā)電機機端電壓增量;ω0為系統(tǒng)的基準角頻率;M為發(fā)電機慣性時間常數(shù);D為發(fā)電機阻尼系數(shù);KA為勵磁系統(tǒng)的增益;TA為勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù);為勵磁繞組自身時間常數(shù)。K1~K6的具體表達式參見文獻[29]。值得注意的是,除了K3外,K1、K2、K4~K6均會隨著運行點的改變而改變。

    1.3 水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合模型

    聯(lián)立方程(4)~(7),整理可得到水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型:

    狀態(tài)矩陣A中的各項系數(shù)如下:

    根據(jù)狀態(tài)方程,可求解出系統(tǒng)的特征根,其中的共軛復根即為系統(tǒng)振蕩模式的特征根,即:

    根據(jù)系統(tǒng)特征值,還可求出對應(yīng)的振蕩頻率和阻尼比:

    2 兼顧功角穩(wěn)定的水電機組模糊滑模控制策略

    對于水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng),其主要控制任務(wù)是強制發(fā)電機轉(zhuǎn)速增量Δω跟蹤轉(zhuǎn)速偏差的理想值Δωd。此外,在本設(shè)計中,還將兼顧系統(tǒng)的功角穩(wěn)定,提升發(fā)電機功角輸出在突發(fā)干擾下的穩(wěn)定性,改善水電機組功角振蕩行為。

    滑??刂破鞯幕瑒幽B(tài)可以按需設(shè)計,且與系統(tǒng)的參數(shù)變化和外部干擾無關(guān)[19],可保證系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性,因此處于滑動模態(tài)下的系統(tǒng)具有較好的魯棒性。本節(jié)將對水電機組設(shè)計滑??刂破?。為使控制器有效且正確,需對滑模面和趨近律進行針對性設(shè)計。

    2.1 滑模面的設(shè)計

    取轉(zhuǎn)速偏差Δω為反饋量,令系統(tǒng)的跟蹤誤差為:

    在以往的電力系統(tǒng)滑??刂破髟O(shè)計中,為降低計算的復雜性,滑模面通常采用跟蹤誤差函數(shù)設(shè)計[19]:

    式中:c為常數(shù)且c>0。同時,常用的趨近律形式為:

    式中:ε為常數(shù),且ε>0,其大小表征了系統(tǒng)運動點向滑模面趨近的速度,ε越大,趨近速度越快,反之亦然;sgn(s)為符號函數(shù),其定義為:s>0,sgn(s)=1;s<0,sgn(s)=-1;s=0,sgn(s)=0。

    由式(14)可知,常規(guī)滑模面的設(shè)計僅以轉(zhuǎn)速為反饋量,控制器所獲得的系統(tǒng)動態(tài)信息較少,導致控制器的調(diào)節(jié)速度和阻尼性能無法得到很好的兼顧。同時,水力因素與電氣因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響并不是相互獨立的,有功的調(diào)節(jié)也會使無功發(fā)生改變。因此,為研究具有多變量耦合效應(yīng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略,考慮將Δδ及引入滑模面的設(shè)計。但在電力系統(tǒng)的實際情況中,難以直接獲取??紤]控制器的實際工程應(yīng)用的意義,在此使用Δδ及ΔVt進行設(shè)計。此時定義新的滑模面函數(shù)為:

    式中:b、d為比例系數(shù)。對式(16)兩邊同時對時間求導,得:

    式中:ueq等效控制律,用于將已到達滑模面的系統(tǒng)運行點維持在滑模面上;usw為切換控制率,用于將系統(tǒng)運行點引導至所設(shè)計的滑模面。二者的表達式如下:

    2.2 模糊控制律的設(shè)計

    在本節(jié),提出使用模糊系統(tǒng)替代符號函數(shù)。上述分析曾指出,ε的取值會影響趨近律收斂速度,若ε取值較小,則收斂速度較慢;若ε取值較大,則易因控制器輸出在正、負之間不停的切換而造成抖振問題。為了消除符號函數(shù)sgn(s)因不連續(xù)等因素而造成的抖振問題,有學者提出了使用飽和函數(shù)sat(s)替代符號函數(shù)[21],飽和函數(shù)sat(s)雖能避免抖振問題的出現(xiàn),但是卻會增加控制器的穩(wěn)態(tài)誤差,喪失一定的控制精度[27]。由于模糊系統(tǒng)具有較強的逼近能力,使用模糊系統(tǒng)替代符號函數(shù)sgn(s),能夠在保證跟蹤精度的前提下有效的消除控制器的抖振問題。

    選取s和為模糊系統(tǒng)的輸入,定義模糊輸出為Fs。將輸入及輸出信號均劃分為5 個模糊子集,其具體關(guān)系如圖3 所示。圖3 中各符號分別為負大(NB)、負中(NM)、零(ZO)、正中(PM)、正大(PB)。其對應(yīng)的模糊規(guī)則如表1 所示,具體規(guī)則形式如下:

    表1 模糊邏輯規(guī)則表Tab.1 Fuzzy rule base

    圖3 模糊輸入及輸出隸屬函數(shù)曲線Fig.3 The fuzzy membership functions of input and output variables

    Rij:若s是Ai且是Bj,則Fs是Cij,i,j=1,2,…,5。其中Ai、Bj和Cij分別為模糊輸入、輸出信號與對應(yīng)的隸屬值。

    模糊輸出Fs會隨著輸入的變化而自動調(diào)整,利用Fs替代符號函數(shù)sgn(s),則能夠有效的保證系統(tǒng)的跟蹤精度,降低抖振現(xiàn)象產(chǎn)生的概率。此時,結(jié)合模糊系統(tǒng)的模糊滑??刂破鞯目刂坡蔀椋?/p>

    值得一提的是,若令ueq中的系數(shù)b、d為零,則可得到常規(guī)模糊滑模控制器的控制律。

    2.3 基于指數(shù)規(guī)律調(diào)整的趨近律設(shè)計

    進一步觀察模糊控制器,可以看到其輸入及輸出隸屬函數(shù)被人為的劃分為多個子集。在子集較少的情況下,會不可避免的造成部分信息的丟失,使控制器的靈活度相對較弱;過多的子集又會降低控制器的響應(yīng)速度,影響控制器的跟蹤性能。

    同時,考慮到水輪機在不同工況下的動態(tài)特性差異較大,而目前常用的趨近律在確定增益下即為固定值,無法滿足不同工況下的控制需求;此外,特征值分析表明系統(tǒng)存在非最小相位特性,為了使系統(tǒng)能較快的通過延遲環(huán)節(jié),趨近速度有待提高?;谏鲜龇治?,本文提出以機械功率為參考指標,設(shè)計新的基于指數(shù)規(guī)律調(diào)整的趨近律形式如下:

    式中:μ>0,σ>0,0<α<1,P為水輪機輸出機械功率。

    在新的趨近律中,φ(P,s)由Sigmoid 函數(shù)和指數(shù)函數(shù)兩部分組成。Sigmoid 函數(shù)的作用是在控制過程中對趨近速率進行調(diào)整,α為速率變化點,當|s|>α時,Sigmoid 函數(shù)的分母將隨|s|的增大呈指數(shù)速率減小,則φ(P,s)將增大,意味著趨近速度加快;當|s|<α時,Sigmoid 函數(shù)的分母將隨|s|的減小呈指數(shù)速率增大,則φ(P,s)將減小,意味著當系統(tǒng)運動點越來越接近滑模面時,趨近速率應(yīng)減小,以抑制抖振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

    指數(shù)函數(shù)的作用是根據(jù)水輪機的輸出功率調(diào)整控制器趨近速率的上界。當水輪機處于輕載工況時,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較弱,故趨近速率的增益不宜過大;當水輪機處于額定工況時,系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較高,故可以適當?shù)奶岣咴鲆嫔辖纭?/p>

    2.4 水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制律

    綜合式(24)~(26),可得到兼顧功角穩(wěn)定的改進模糊滑??刂破鞯谋磉_式為:

    式中:unFSMCR即為本文所提出的改進模糊滑模控制律。

    推論:對于水力發(fā)電系統(tǒng)(8),若系統(tǒng)所受的干擾有界,則其在控制輸出(27)的作用下滿足Lyapunov穩(wěn)定性。

    江卸(“卸”,《全宋詩》作“銜”)洞庭急,君山屹半川。別知江有國,大率水多仙。環(huán)繞八百里,洪蒙千萬年。晚春桃正碧,南客曉浮船。(卷八桃花門)

    證明:定義Lyapunov函數(shù)為V=s2/2,則:

    因φ(P,s)ε>0,故恒成立。根據(jù)Lyapunov 穩(wěn)定性判據(jù),s在有限時間內(nèi)漸進收斂,即當t→∞時,s→0,收斂速度由ε決定。此時,系統(tǒng)外部的跟蹤行為由以下方程式控制:

    此時Δω收斂于Δωd,證明了在適當?shù)膮?shù)選擇下,所設(shè)計的控制器可以控制系統(tǒng)在有界干擾下運行于期望的運行點。

    3 仿真與驗證

    3.1 特征值分析

    在額定水頭下,令額定負荷時P=1 p.u.(標幺值),水輪機傳遞系數(shù)及發(fā)電機系數(shù)在不同負荷下的取值如表2所示。系統(tǒng)其他參數(shù)取值為:Tw=1.26,Tr=1,KA=50,ω0=314.159 3 rad/s,TA=0.05 s,=5.004 s,M=7 s,D=0.5,K3=2.487 4。通過計算可得到不同工況下系統(tǒng)的振蕩特性如表3 所示。同時,給出不同工況下系統(tǒng)零極點分布圖如圖4 所示。由表3 可知,在各個工況下,λ1,2對應(yīng)的主導變量為Δδ、Δω。同時,如圖4所示,λ1,2的運動趨勢為向左半平面移動,故系統(tǒng)受擾后經(jīng)過衰減振蕩過程仍終將會趨于穩(wěn)定。但λ1,2離虛軸很近,其仍會對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成較大的威脅;λ3,4對應(yīng)的主導變量為x1、x2、x3,即λ3,4主要受水力參數(shù)變化的影響,且其運動趨勢為向右半平面移動。在30%額定負荷下,因λ3,4離虛軸較近,故在受到擾動后其可能會越來越向虛軸靠近甚至運動到右半平面,使系統(tǒng)失穩(wěn);λ5,6的主導變量為,因其離虛軸較遠,故其是穩(wěn)定的。值得注意的是,在不同工況下,系統(tǒng)均存在位于右半平面的零點,這會造成系統(tǒng)輸出響應(yīng)的相位延遲,使控制器的設(shè)計變得復雜。

    圖4 不同負荷工況下系統(tǒng)零極點分布圖Fig.4 Zero-pole distributive charts of the system under different load conditions

    表2 額定水頭下不同負荷工況的系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 System parameters under different load conditions

    表3 不同負荷工況下系統(tǒng)特征值分布Tab.3 Distribution of system eigenvalues under different load conditions

    由上述分析可知,在考慮傳遞系數(shù)隨工況變化的因素后,水力參數(shù)主導的特征根有明顯的變化,其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響不容忽視。當水輪機處于輕載工況時,λ3,4有向右半平面躍遷的風險,此時控制器輸出信號不宜有較大的波動,故趨近速率的增益不宜過大。當水輪機負載較重時,λ3,4的穩(wěn)定裕度相對較大,故可以適當提升趨近速率增益。明確了不同工況下水力系統(tǒng)的穩(wěn)定特性,可為水電機組調(diào)速器的設(shè)計提供有利的指導。

    3.2 參數(shù)尋優(yōu)

    本節(jié)將通過仿真實驗驗證兼顧功角穩(wěn)定的改進模糊滑??刂破鳎╪FSMCR)在不同工況下的控制性能,并與常規(guī)PID、常規(guī)模糊滑??刂破鳎‵SMC)的效果進行對比。PID 控制律表達式為:

    式中:Kp、Ki、Kd分別為比例增益、積分增益、微分增益。

    考慮水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)在各工況下均具有良好的調(diào)節(jié)能力,在工況2 下對各控制器各關(guān)鍵參數(shù)進行整定。為了使控制器的控制效果盡可能達到最優(yōu),應(yīng)設(shè)置合適的目標函數(shù),其主要目標是減少穩(wěn)態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時間,并降低系統(tǒng)發(fā)生抖振的可能性。ITAE準則能夠兼顧調(diào)節(jié)的快速性與穩(wěn)定性,是常用的優(yōu)化指標之一,其表達式如下:

    采用粒子群算法(PSO)優(yōu)化控制器的控制參數(shù),此時基于nFSMCR控制器的水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

    圖5 兼顧功角穩(wěn)定的改進模糊滑??刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure diagram of nFSMCR controller for hydro-turbine regulating system

    圖6 目標函數(shù)變化曲線Fig.6 The convergence process of different regulator

    3.3 控制器效果對比

    在工況2下,系統(tǒng)功率受到mg0=0.1 p.u.的階躍擾動時,不同控制器作用下系統(tǒng)的功角和頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。

    從圖7 可以看出,與PID 控制器和FSMC 控制器相比,nFSMCR 控制器不僅能保證較快的穩(wěn)定時間,且功角超調(diào)量最小。

    圖7 工況2下不同控制器的控制性能對比Fig.7 Comparison of the control performance of different controllers under working condition 2

    再分別驗證各控制器在工況1、工況3 和工況4 下控制性能,其中經(jīng)PSO 算法優(yōu)化后的PID 參數(shù)分別為:Kp=5.33,Ki=0.1,Kd=1.97;Kp=20,Ki=1.22,Kd=0.63;Kp=32.85,Ki=3.58,Kd=1.19。FSMC和nFSMCR控制器參數(shù)設(shè)置保持不變。外部擾動均為mg0=0.1 p.u.的階躍擾動,各工況下系統(tǒng)功角響應(yīng)曲線與頻率響應(yīng)曲線分別如圖8~10所示。

    從圖8 可以看出,PID 控制器的穩(wěn)定時間最短,但功角超調(diào)量最大。FSMC、nFSMCR 控制器的控制效果相近,其中nFSMCR 控制器的功角超調(diào)量最小,但穩(wěn)定時間較長,即nFSMCR 控制器在30%額定負荷條件下調(diào)節(jié)的快速性略有欠缺。由圖9 可知,nFSMCR 控制器比PID 控制器和FSMC 控制器擁有更好的振蕩抑制效果;如圖10 所示,nFSMCR 具有最短的穩(wěn)定時間(2.39 s),并且能夠以較少的波動穩(wěn)定系統(tǒng)的功角和頻率,表明在工況4下,使用nFSMCR 控制器的水電機組擁有具有更好的動態(tài)響應(yīng)。

    圖8 工況1下不同控制器的控制性能對比Fig.8 Comparison of the control performance of different controllers under working condition 1

    圖9 工況3下不同控制器的控制性能對比Fig.9 Comparison of the control performance of different controllers under working condition 3

    圖10 工況4下不同控制器的控制性能對比Fig.10 Comparison of the control performance of different controllers under working condition 4

    同時,綜合對比各控制器不同負荷工況下的控制性能,可以看到雖然在30%額定負荷下nFSMCR 控制器的穩(wěn)定時間最長,但其保證了系統(tǒng)功角不會出現(xiàn)過大的超調(diào);在70%及90%額定負荷下,nFSMCR 控制器在轉(zhuǎn)速及功角振蕩抑制方面都體現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。

    基于上述仿真實驗及分析討論,可以總結(jié)出nFSMCR 控制器相比常規(guī)PID 和常規(guī)模糊滑??刂破魉哂械膬?yōu)勢:當系統(tǒng)負荷工況改變時,即使不對控制參數(shù)進行調(diào)整,控制器也能保證良好的控制效果,具有較強的魯棒性。

    4 結(jié)論

    本文根據(jù)水力系統(tǒng)與發(fā)電機間的耦合關(guān)系,建立了水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型,并討論了不同工況下系統(tǒng)的阻尼特性。為了提高系統(tǒng)功角輸出的穩(wěn)定性,設(shè)計了一種兼顧功角穩(wěn)定的模糊滑??刂品椒?。通過理論分析和仿真實驗,得到以下結(jié)論。

    (1)從調(diào)速器控制律的角度出發(fā),通過將Δδ及ΔVt引入滑模面的設(shè)計,可以增加調(diào)速器抑制系統(tǒng)功角超調(diào)的能力,并有效改善了水電機組功角振蕩行為,保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。

    (2)在新的趨近律下,當負荷改變而導致系統(tǒng)參數(shù)改變時,即使不對控制參數(shù)進行調(diào)整,所提出的控制律仍具有良好的控制效果,體現(xiàn)出了較強的魯棒性。

    與以往的工作相比,本文考慮了不同負荷下水力系統(tǒng)阻尼特性對水電機組穩(wěn)定運行的影響,提出的控制策略為水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供了一種新的控制設(shè)計思路。然而,應(yīng)該注意的是,本文所設(shè)計的控制方法是基于高度線性化模型得出的,僅適用于小擾動穩(wěn)定分析。同時,本文尚未考慮水電機組參數(shù)的不確定性和系統(tǒng)的時滯特性。這將是未來研究的重點。

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