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考虑源网协调的单元机组非线性自适应反演控制研究

席嫣娜  
【摘要】:在国民经济高速增长的推动下,我国电力行业发展迅猛,但随之也产生了一些新的挑战和机遇。在电源侧,随着大容量火电单元机组的迅猛发展以及各种新兴清洁能源的大规模接入,作为我国电网骨干的大容量火电单元机组,在平衡电能供需矛盾、保障电网稳定运行等方面面临着更大的调节压力;在电网侧,随着大型互联电网的持续建设,系统结构和运行环境的日趋复杂也使得电力系统的稳定性问题愈发突出。同时,鉴于电源侧和电网侧自身规模的不断发展和系统运行状态的日益复杂,在考虑源网协调的基础上进行单元机组综合控制策略的研究,确保稳定、安全、可控的电能供给,对于电力系统的安全稳定具有重大意义。为此,本文在深入研究电能生产各个环节的基础上,提出了几种新的控制系统设计方案,以改善电力系统的稳定性能和控制品质。本文的工作内容和取得的研究成果主要体现在以下几个方面:(1)分别从电网侧和电源侧概述了相关控制系统的发展历程和研究现状,并从源网协调的角度,讨论了目前在电力系统稳定性研究和单元机组协调控制研究中,因未完整考虑锅炉、汽轮机和发电机三者动态特性而可能存在的问题,进一步说明了考虑源网协调在现阶段单元机组综合控制中的意义。(2)为提高多机系统的励磁控制品质,同时克服由于工况变化、测量误差及外界扰动等因素引起的模型不确定参数对控制系统性能的影响,文中提出了一种非线性自适应反演励磁控制系统。从增强系统鲁棒性的角度出发,为避免系统未建模动态对控制器性能的影响,文中采用了同时考虑发电机高阶双轴模型和典型励磁机动态特性的电力系统高阶模型,并分析了模型参数的不确定性对系统稳定运行的影响。在多机系统自适应反演励磁控制器设计的同时,结合李雅普诺夫稳定性方法,通过设计模型不确定参数的自适应更新律,实现了系统参数的实时在线动态估计。多机系统仿真结果表明,所设计的励磁控制系统具备良好的抗干扰能力和较强的鲁棒性,可有效改善系统稳定性能。(3)为进一步改善多机电力系统的稳定性能,保证发电机组的电能质量,针对同时考虑发电机和汽轮机-调速器动态特性的多机电力系统模型,计及多个系统模型参数的不确定性,提出了一种励磁与汽门开度的非线性协调控制策略。首先采用自适应反演法设计了励磁控制器和汽门开度控制器,之后在不同的系统运行状态下,设计了两种控制器间的协调策略。与此同时,通过设计模型不确定参数的自适应律,解决了系统参数变化对控制器性能的影响。最后,多机系统仿真结果表明,所提出的非线性自适应反演协调控制方案有效改善了多机系统的稳定性能和控制品质,而且具有良好的抗干扰性和鲁棒性。(4)为改善单元机组在大范围变负荷过程中的动态性能,克服机组自身的强非线性和不确定性对控制器品质的影响,设计了锅炉-汽轮机单元的鲁棒自适应反演协调控制系统。首先,针对同时考虑参数不确定性和外界干扰的锅炉-汽轮机单元非线性模型,通过模型预处理将其分解为两个子系统。然后,利用鲁棒自适反演法分别设计了主蒸汽阀门控制器和燃料控制器。为避免系统不确定参数可能出现的参数漂移问题,通过引入充分光滑投影算子设计了参数自适应律,并在控制律中设置阻尼项以精确补偿外界干扰对系统的影响。为便于工程实现,总结了该协调控制系统的实现步骤和机组的实际控制输入律。仿真结果表明,所设计的协调控制系统有效改善了机组在大范围变负荷过程中的动态性能,且具有良好的负荷指令跟踪性能、抗干扰能力和鲁棒性。(5)针对完整描述锅炉、汽轮机和发电机三者动态特性的单元机组非线性整体模型,计及系统参数的不确定性和各种外界干扰因素,基于鲁棒自适应反演法和协调无源性理论,提出了一种单元机组的非线性综合控制策略。首先,将单元机组的高阶整体模型分解为三个低阶子系统,然后分别设计了主蒸汽阀门开度控制器、励磁控制器和燃料控制器。为有效提升励磁电压水平,充分发挥发电机的无功储备能力,借助无功电流补偿以高压侧电压为目标优化了励磁控制效果。此外,为克服实际系统存在的各种不确定性因素,通过在控制律中引入鲁棒项以抑制各种外界扰动对控制器性能的影响,并借助充分光滑投影算子构造了参数自适应律以提升控制系统对模型变化的鲁棒性。为便于该综合控制策略的实际应用,提高系统调节品质,还总结了控制系统的参数设定规律。仿真结果表明,所设计的综合控制系统在优化单元机组有功响应的同时,也有效改善了系统的无功响应特性,且具有良好的抗干扰性和鲁棒性。


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