抽水蓄能电站机组调节系统控制优化研究与应用

摘要：抽水蓄能电站机组调节系统是电站自动化系统中的核心控制系统，对机组和电力系统的稳定、安全运行起着至关重要的作用，加强调节系统控制优化研究十分重要。该文概述了抽蓄机组调节系统的具体组成结构，着重从PID控制、智能控制和其他先进控制方法这3个方面对抽蓄机组调节系统控制优化进行了分析，并从控制策略优化、模型精细化和智能算法参数整定这3个方面指出了未来抽蓄机组调节系统控制优化的发展方向。

关键词：抽水蓄能电站  调节系统  优化  PID控制  智能控制

中图分类号：TV743文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）05（b）-0000-00

作者简介：翟进男（1993—），男，本科，助理工程师，主要从事电站机电设备安装及机组运维工作。

随着经济社会的快速发展，电力负荷持续增长，电力系统峰谷差逐步加大，特别是为适应风电、光伏发电等新能源快速发展以及核电安全稳定运行需要，保障电力系统安全可靠运行，合理配套和加快抽水蓄能电站建设十分必要。特别是在我国提出“碳达峰、碳中和”目标背景下，加快发展抽水蓄能电站，提升电力系统灵活性、经济性和安全性，构建以新能源为主体的新型电力系统的已成为迫切的现实要求。但目前我国在运抽水蓄能电站装机规模为31.79GW，占电源总装机比重仅为1.4%，无法满足新能源快速需求。近日国家能源局综合司印发关于征求对《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》（征求意见稿）的函，提出到2035年我国抽水蓄能装机规模将增加到3亿kW。按照“规划”提出的目标，意味着未来15年我国抽水蓄能装机将有近10倍的增长空间。可以说，抽蓄电站正迎来大开发、大建设的黄金时期。

抽蓄电站机组调节系统作为电站自动发电控制的终端执行机构和核心控制系统，承担着控制机组开停机、工况转换、紧急停机、一次调频和机组功率调节的重任，其重要性不言而喻。而抽水蓄能电站机组具有水轮机和水泵双向运行的特点，且其工况频繁转换、水力特性十分复杂，使得其调节系统为一个具有非最小相位的、水、机、电耦合的、非线性的复杂系统，这也使得抽蓄电站机组调节系统的优化十分困难。随着抽蓄电站规未来进一步模化开发建设，其所在电网中的比例不断增加，机组的安全稳定运行势必影响到整个电网。因此，加强抽蓄电站机组调节系统控制参数优化整定方法研究、探索新型控制规律，对于提高调节系统动态响应性能、改善抽水蓄能机组控制品质和保障电站稳定高效运行意义重大。

2 抽蓄机组调节系统结构组成

抽水蓄能机组调节系统由被控对象和调节系统两大部分组成。被控对象包括水泵水轮机、有压引水系统和发电机/电动机系统。调节系统调速器主要包括调节器和电液随动系统。具体组成结构如图1所示。

抽水蓄能机组微机调节器通常采用并联PID控制模式，与常规水电站水轮发电机组调节器在功能和结构上基本类似，同样具有开度调节、频率调节、开停机等功能。电液随动系统是抽水蓄能机组调速器的具体物理执行机构，该系统可将微机调节器的电气信号转换为液压位置信号，并将该信号进行放大以驱动调速器接力器产生位移，从而实现水泵水轮机导叶开度的调节控制。电液随动系统主要包括主接力器和主配压阀等设备。

3 抽蓄机组调节系统控制优化研究

我国抽水蓄能电站建设与运行时间较短，因此在抽蓄机组调节系统控制优化研究与应用方面也起步较晚。但近些年，随着抽蓄电站的不断开发、建设和投运，越来越多的专家和學者开始关注到抽蓄机组调节系统控制优化问题，在理论和应用方面展开了大量的研究和探索，并取得了一些有益成果，该文将从PID控制、智能控制和其他先进控制方法这3个方面进行讨论和分析。

3.1 PID控制

PID控制是自动控制系统中最为经典的控制方法，也是最为成熟的控制策略，在工业控制各个领域中有着广泛的应用。同样，传统 PID 的控制规律因其结构简单、操作方便等特点早期被广泛应用于我国常规水电站和抽水蓄能电站。然而PID控制因在非线性领域和环境自适应方面存在明显不足，使得机组的动态调节能力完全取决于PID控制器参数的优化整定结果，而抽蓄机组调节系统却是一个强非线性的复杂控制系统，加之抽水蓄能机组作为电网中调频调峰的主要机型，其运行工况较常规机组更多，且工况转换更为频繁，使得机组工况发生频繁切换时控制品质劣化，出现机组运行不稳定现象。因此，部分专家学者针对常规 PID 控制在抽水蓄能机组应用中存在的这些不足，提出了一些改进型的PID控制方法并将其部分应用到实际的抽蓄机组中，取得了一定的效果。

近年来，分数阶微积分理论在控制领域中的应用逐渐成为研究热点。作为分数阶微积分理论应用的重要成果分数阶PID控制器也凭借其突出的灵活性、适应性和良好的整体控制性能被逐步引入到水电控制领域。单华等人针对抽水蓄能电站的区域电网负荷频率控制进行了研究，设计了一个分数阶PID控制器，提出了基于Outsaloup算法的分数阶PID控制策略，并通过仿真计算验证了该控制策略在非线性控制系统中具有良好的控制效果和较强的鲁棒稳定性。有相关学者也对分数阶PID控制策略在抽水蓄能机组调节系统的应用进行了研究，并通过构建精细化数学模型，采用一定的目标函数，验证了相应控制策略在实际应用中的良好性能。在 PID 与其他先进理论与方法相结合方面，赵志高等人针对现有PID控制在不同水头空载工况下表现出的适应性较差及现有用于控制参数优化的抽蓄机组调节系统模型不够精细的问题，提出了一种基于非线性抽水蓄能机组精细化模型的增益自适应PID控制策略，建立了基于特征线法和改进Suter变换的抽水蓄能调节系统精细化模型，通过仿真计算验证了该控制策略在抽蓄机组调节系统中的有效性。还有一些相关学者将模糊控制与PID控制相结合形成新的控制方式，并应用于抽蓄机组调节系统，获得良好的控制效果。

3.2 智能控制

智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策的控制方式，是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。智能控制研究对象的主要特点是具有不确定性的数学模型、高度的非线性和复杂的任务要求。智能控制的特点决定了其在抽水蓄能电站机组调节系统的应用具有良好的适用性。因此，越来越多的专家学者将专家系统、模糊控制和神经网络等智能控制方法引入到抽水蓄能电站机组调节系统中。

蒲桂林针对抽水蓄能电站机组工况复杂且频繁切换运行特点，而传统 PID 控制难以满足稳定运行的要求，基于电容场强作用原理和专家控制经验设计出非线性控制调节函数，提出了一种智能非线性 PID 控制器，并在控制参数整定上引入了极差实验，仿真结果验证了所提控制器能够有效改善机组调节系统的调节性能、提高系统的鲁棒性。胡肇伟将模糊控制和模型预测控制引入抽蓄机组调节系统中，设计了一种具有自适应机制的抽蓄机组非线性预测控制器，通过实测数据开展了调节系统的参数辨识实验，并以实际抽蓄电站机组为对象进行仿真实验，实验分析和对比结果证明了该控制策略的有效性和优越性。李博洋将模糊控制和神经网络相结合应用于抽水蓄能电站机组调节系统中，优化了单一模糊控制下的模糊规则权数，提高了调节系统的学习能力与预测能力。同时以国内实际抽蓄机组为例，将所提算法以Simulink可识别的特征函数形式嵌入所建立的基于弹性水击模型下的混流式蓄能机组仿真模型中，以验证该控制策略。通过仿真分析与对比，说明了基于模糊控制和神经网络相结合的控制策略具有较好的控制效果。

3.3 其它先进控制方法

除了PID控制和智能控制，近些年，预测控制和滑膜控制等先进控制方法被逐步应用到抽水蓄能电站机组调节系统中来。刘开培等人将模型预测控制引入到双馈式变速抽水蓄能电厂的功率控制中，分别研究了多个工况下模型预测控制的控制效果及延时对控制效果的影响。通过与传统控制方法进行仿真计算对比，结果表明在系统发生大扰动及平抑风电功率波动时，模型预测控制能够使得系统具有更好的控制性能，同时表现更强的鲁棒性，模型预测控制的引入为改善双馈式变速抽水蓄能电厂的功率控制性能提供了一条有效路径。常鹏飞等人基于矢量控制思想， 将模型预测控制方法应用于可变速抽水蓄能机组， 设计了一种适用于可变速抽水蓄能机组调节系统的模型预测控制器， 并提出了一种节省在线计算时间的矢量选择方法， 通过仿真验证了该模型预测控制在该系统中的有效性和优越性。洪铮针对现有控制器响应速度不足的情况，基于反演控制提出了一种反演滑模控制器，在保障滑膜控制器原有强鲁棒性的特点基础上，进一步提高控制器响应速度。并将所设计的滑模控制器与原常规控制器进行对比，仿真计算结果验证了反演滑模控制器的应用使得系统在响应速度、误差收敛性、抗干扰性和鲁棒性等方面均具有明显的提高和改善。

4 结论

抽水蓄能机组调节系统是一个涉及水、机、电的具有多变量、强非线性的复杂控制系统，其对于保障电网和机组高效、安全、稳定运行十分关键。未来，还需要对抽水蓄能机组调速系统理论和工程应用所面临的科学问题进一步深入研究。该研究认为可以从以下几个方面着手。

（1）将更多更先进的控制方法引入到抽蓄机组调节系统中，同时结合不同控制方法的特点，取长补短，形式复合控制策略将是未来的重要发展方向。

（2）调节系统建模与仿真是进行抽水蓄能机组调节系统优化的前提，因此，未来还需在机组调节系统精细化建模方面进一步加强研究，特别是加快解决水泵水轮机全特性有效表征这一难题。

（3）调节系统控制参数优化整定直接影响到系统控制优化性能，将更多更优的先进智能算法引入到调节系统控制参数优化整定中十分必要。

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