摘要：抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)是電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的核心控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，加強(qiáng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化研究十分重要。該文概述了抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的具體組成結(jié)構(gòu)，著重從PID控制、智能控制和其他先進(jìn)控制方法這3個(gè)方面對(duì)抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化進(jìn)行了分析，并從控制策略優(yōu)化、模型精細(xì)化和智能算法參數(shù)整定這3個(gè)方面指出了未來抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站 調(diào)節(jié)系統(tǒng) 優(yōu)化 PID控制 智能控制

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷持續(xù)增長，電力系統(tǒng)峰谷差逐步加大，特別是為適應(yīng)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源快速發(fā)展以及核電安全穩(wěn)定運(yùn)行需要，保障電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，合理配套和加快抽水蓄能電站建設(shè)十分必要。特別是在我國提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)背景下，加快發(fā)展抽水蓄能電站，提升電力系統(tǒng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的已成為迫切的現(xiàn)實(shí)要求。但目前我國在運(yùn)抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模為31.79GW，占電源總裝機(jī)比重僅為1.4%，無法滿足新能源快速需求。近日國家能源局綜合司印發(fā)關(guān)于征求對(duì)《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》(征求意見稿)的函，提出到2035年我國抽水蓄能裝機(jī)規(guī)模將增加到3億kW。按照“規(guī)劃”提出的目標(biāo)，意味著未來15年我國抽水蓄能裝機(jī)將有近10倍的增長空間。可以說，抽蓄電站正迎來大開發(fā)、大建設(shè)的黃金時(shí)期。

　　抽蓄電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為電站自動(dòng)發(fā)電控制的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和核心控制系統(tǒng)，承擔(dān)著控制機(jī)組開停機(jī)、工況轉(zhuǎn)換、緊急停機(jī)、一次調(diào)頻和機(jī)組功率調(diào)節(jié)的重任，其重要性不言而喻。而抽水蓄能電站機(jī)組具有水輪機(jī)和水泵雙向運(yùn)行的特點(diǎn)，且其工況頻繁轉(zhuǎn)換、水力特性十分復(fù)雜，使得其調(diào)節(jié)系統(tǒng)為一個(gè)具有非最小相位的、水、機(jī)、電耦合的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，這也使得抽蓄電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化十分困難。隨著抽蓄電站規(guī)未來進(jìn)一步模化開發(fā)建設(shè)，其所在電網(wǎng)中的比例不斷增加，機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行勢(shì)必影響到整個(gè)電網(wǎng)。因此，加強(qiáng)抽蓄電站機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化整定方法研究、探索新型控制規(guī)律，對(duì)于提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、改善抽水蓄能機(jī)組控制品質(zhì)和保障電站穩(wěn)定高效運(yùn)行意義重大。

　　2 抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)由被控對(duì)象和調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩大部分組成。被控對(duì)象包括水泵水輪機(jī)、有壓引水系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)速器主要包括調(diào)節(jié)器和電液隨動(dòng)系統(tǒng)。具體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　抽水蓄能機(jī)組微機(jī)調(diào)節(jié)器通常采用并聯(lián)PID控制模式，與常規(guī)水電站水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)器在功能和結(jié)構(gòu)上基本類似，同樣具有開度調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、開停機(jī)等功能。電液隨動(dòng)系統(tǒng)是抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器的具體物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該系統(tǒng)可將微機(jī)調(diào)節(jié)器的電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓位置信號(hào)，并將該信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)調(diào)速器接力器產(chǎn)生位移，從而實(shí)現(xiàn)水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)控制。電液隨動(dòng)系統(tǒng)主要包括主接力器和主配壓閥等設(shè)備。

　　3 抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化研究

　　我國抽水蓄能電站建設(shè)與運(yùn)行時(shí)間較短，因此在抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化研究與應(yīng)用方面也起步較晚。但近些年，隨著抽蓄電站的不斷開發(fā)、建設(shè)和投運(yùn)，越來越多的專家和學(xué)者開始關(guān)注到抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制優(yōu)化問題，在理論和應(yīng)用方面展開了大量的研究和探索，并取得了一些有益成果，該文將從PID控制、智能控制和其他先進(jìn)控制方法這3個(gè)方面進(jìn)行討論和分析。

　　3.1 PID控制

　　PID控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)中最為經(jīng)典的控制方法，也是最為成熟的控制策略，在工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。同樣，傳統(tǒng) PID 的控制規(guī)律因其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等特點(diǎn)早期被廣泛應(yīng)用于我國常規(guī)水電站和抽水蓄能電站。然而PID控制因在非線性領(lǐng)域和環(huán)境自適應(yīng)方面存在明顯不足，使得機(jī)組的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力完全取決于PID控制器參數(shù)的優(yōu)化整定結(jié)果，而抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)卻是一個(gè)強(qiáng)非線性的復(fù)雜控制系統(tǒng)，加之抽水蓄能機(jī)組作為電網(wǎng)中調(diào)頻調(diào)峰的主要機(jī)型，其運(yùn)行工況較常規(guī)機(jī)組更多，且工況轉(zhuǎn)換更為頻繁，使得機(jī)組工況發(fā)生頻繁切換時(shí)控制品質(zhì)劣化，出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，部分專家學(xué)者針對(duì)常規(guī) PID 控制在抽水蓄能機(jī)組應(yīng)用中存在的這些不足，提出了一些改進(jìn)型的PID控制方法并將其部分應(yīng)用到實(shí)際的抽蓄機(jī)組中，取得了一定的效果。

　　近年來，分?jǐn)?shù)階微積分理論在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn)。作為分?jǐn)?shù)階微積分理論應(yīng)用的重要成果分?jǐn)?shù)階PID控制器也憑借其突出的靈活性、適應(yīng)性和良好的整體控制性能被逐步引入到水電控制領(lǐng)域。單華等人[1]針對(duì)抽水蓄能電站的區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)分?jǐn)?shù)階PID控制器，提出了基于Outsaloup算法的分?jǐn)?shù)階PID控制策略，并通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了該控制策略在非線性控制系統(tǒng)中具有良好的控制效果和較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性。有相關(guān)學(xué)者也對(duì)分?jǐn)?shù)階PID控制策略在抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并通過構(gòu)建精細(xì)化數(shù)學(xué)模型，采用一定的目標(biāo)函數(shù)，驗(yàn)證了相應(yīng)控制策略在實(shí)際應(yīng)用中的良好性能[2-3]。在 PID 與其他先進(jìn)理論與方法相結(jié)合方面，趙志高等人[4]針對(duì)現(xiàn)有PID控制在不同水頭空載工況下表現(xiàn)出的適應(yīng)性較差及現(xiàn)有用于控制參數(shù)優(yōu)化的抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型不夠精細(xì)的問題，提出了一種基于非線性抽水蓄能機(jī)組精細(xì)化模型的增益自適應(yīng)PID控制策略，建立了基于特征線法和改進(jìn)Suter變換的抽水蓄能調(diào)節(jié)系統(tǒng)精細(xì)化模型，通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了該控制策略在抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的有效性。還有一些相關(guān)學(xué)者將模糊控制與PID控制相結(jié)合形成新的控制方式，并應(yīng)用于抽蓄機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)，獲得良好的控制效果[5-6]。

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