[发明专利]一种一管多机水电机组协同控制器设计方法

说明书

本发明涉及一种一管多机水电机组协同控制器设计方法，属于水轮机及水力机组稳定性分析和控制技术领域。首先在一管多机水电机组调节系统的微分方程基础上，选择转子转速、导叶开度和机械功率这三个状态变量的线性组合构建了宏变量，然后定义了宏变量收敛的动态过程来保证系统能在协同控制的作用下收敛到控制流形上，配合一管多机水电机组调节系统微分方程，确定了一管多机水电机组协同控制器的控制规律，设计了一管多机水电机组协同控制器；并在负载扰动工况和三相短路工况下进行试验分析，所提出的一管多机水电机组协同控制器设计方法有效解决了共用管道内的水力耦合，改善了水轮发电机组暂态响应特性，有利于一管多机系统的稳定控制。

技术领域

本发明涉及一种一管多机水电机组协同控制器设计方法，属于水轮机及水力机组稳定性分析和控制技术领域。

背景技术

在引水式水电站中，通过共用压力钢管将水输送至电站厂房前端，然后通过岔管分别连接到每一台水轮发电机组，这样的系统通常称之为一管多机系统。在该系统中，任何岔管末端的流量变化都会导致公用压力管道中的水力扰动，从而导致系统中其他水电机组的扰动，即水力耦合效应。水力耦合会对一管多机系统内各机组的动态性能造成干扰，进而对水电机组和水电站的安全稳定运行造成影响。

随着控制理论的不断发展，各种先进的控制策略和方法也被应用到水电机组调节系统中。从运用最为广泛的传统PI，PID控制器，非线性算法改进后的PID控制器，到基于控制理论的非线性模糊广义预测控制器，考虑参数摄动的鲁棒控制器，基于模糊滑模控制器的网络频率控制系统，非线性H∞控制律，非线性解耦控制策略等理论研究对水电机组调节系统的发展起着积极的推动作用。这些控制策略广泛的运用在单机单管的水电机组调节系统中，能有效地调节系统的动态品质，对消除一管多机系统的水力耦合也有一定作用，但对同一单元的其他机组依然有很大影响。

近年来，一些学者将协同控制理论引入到电力系统中。与其它现代控制方法相比，基于协同控制理论设计的控制器，其结构和控制规律求解过程更为简单，得到的控制规律能使闭环系统降阶。此外，协同控制利用系统自身的非线性，能较好地调节电力系统的动态品质，有效的抑制震荡，且具有较好的鲁棒性。为有效的解决一管多机系统内的水力耦合，提高一管多机系统的动态调节品质，将协同控制理论引入到一管多机水电机组调节系统中，设计了一种非线性控制器。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种一管多机水电机组协同控制器设计方法。本方法为解决一管多机系统中的水力耦合效应，提高水电机组的动态性能，并且提供一种便捷的计算方法和手段。本发明通过以下技术方案实现。

一种一管多机水电机组协同控制器设计方法，以一管多机水电机组调节系统为基础，选择转子转速、导叶开度和机械功率这三个状态变量的线性组合为宏变量，定义了宏变量收敛的动态过程来保证系统能在协同控制的作用下收敛到控制流形上，配合一管多机水电机组调节系统微分方程，确定了一管多机水电机组协同控制器的控制规律，设计了一管多机水电机组协同控制器，有效解决了共用管道内的水力耦合，改善了水轮发电机组暂态响应特性，具体包含以下步骤：

步骤一：定义控制系统的流形

协同控制的实质是设计一个由系统状态变量组成的流形ψ(x，t)＝0，并利用所引入流形和系统的状态方程的综合来求解系统的控制规律。协同控制器的设计过程主要分为两步：一是定义系统流形；二是求解控制规律u(t)。协同控制器的设计流程如图1所示：

一管多机水电机组调节系统的流形是由系统的状态变量决定的，刚性水击下一管多机水电机组调节系统的状态方程如下：

其中：