抽水蓄能机组调节系统建模优化与评估

第1章 绪 论 　　在绿色能源快速发展以及能源结构深化改革背景下，我国抽水蓄能电站建设发展迅速，可逆式抽水蓄能机组研发、制造、应用和维护向高水头、大容量、智能化方向发展，抽水蓄能技术代表了世界先进水平。抽水蓄能电站以其调峰填谷的独特运行特性，发挥着调节负荷、促进电力系统节能和维持电网安全稳定运行的功能，逐步成为我国电力系统不可或缺的调节手段。我国已建成的抽水蓄能电站单机容量大、布置复杂、引水道长，可逆式水泵水轮机的运行方式、固有的“S”特性区域和“驼峰”特性区域，使得抽水蓄能电站机组调节系统的控制呈现高度复杂特性。 　　进一步，抽水蓄能机组可逆式的结构设计以及各工况之间的复杂切换方式，使得可逆式水泵水轮机流道内流态紊乱、水力瞬变规律呈现不确定性，机组空载开机、工况切换过渡过程引发的压力脉动和空化现象较常规水轮发电机组更为普遍；机组发生发电方向甩负荷与抽水方向水泵断电工况等大波动激励扰动时，由此引发的水力瞬变对机组轴系系统及其压力管道系统的安全运行构成严重的威胁，不利于机组安全稳定运行。上述特点不仅对抽水蓄能机组调节、电站稳定运行造成极大的困难，而且给机组的安全高效运行带来一系列亟待解决的国际学术前沿问题和工程技术难题。其中，控制优化和状态评估理论与技术是机组调节系统可靠运行的关键，亟须研究发展与之相适应的理论、方法和工程应用系统。 　　为此，本书针对上述关键问题，研究抽水蓄能机组精细化建模与模型参数辨识方法，在此基础上对抽水蓄能机组运行过程中的复杂工况控制问题展开深入研究，提出多种抽水蓄能机组调节系统先进控制策略，为我国投产或在建的抽水蓄能电站机组的控制提供理论依据与技术支持。特别地，针对机组极端运行工况，研究过渡过程对抽水蓄能机组调节系统设备设施的影响并提出相应的应对措施。此外，为了提高我国抽水蓄能机组调节系统设备设施在线监测与状态评估能力，本书设计并开发了一套抽水蓄能机组调节系统在线监测与一体化装置和控制优化与性能评估系统，实现了抽水蓄能机组调节系统过渡过程计算、嵌入式仿真与测试、控制优化、故障诊断与性能评估等功能，为抽水蓄能机组安全稳定运行提供了有力的技术支撑。 　　1.1 抽水蓄能电站地位与建设现状 　　国家经济社会的发展离不开电能，随着电力行业的不断发展以及国家提出清洁低碳、绿色发展的能源目标，水电、风电、太阳能发电等清洁可再生能源得到了快速的发展[1]。水电能源作为一种清洁可再生能源，在非化石能源中占有举足轻重的地位。我国水资源蕴含量极为丰富，水电装机规模居世界**，近年来水电装机规模稳步增长，占全国装机总量的20.9%。到2020年底，水电装机容量将达到3.8亿kW，风电总装机容量为2.1亿kW，太阳能总装机容量突破1.1亿kW[d1][XYH2][2]。然而，风力发电和太阳能发电具有随机性、波动性和间歇性的特点，其大规模接入电网将对电网调峰和运行控制带来巨大的挑战，同时也给电网的安全稳定运行造成了严重的威胁。 　　近年来，随着风光等清洁可再生能源占电力市场份额的不断增长及电网安全稳定运行要求的不断提高，加快建设抽水蓄能电站的必要性和重要性日益突出。目前，全球抽水蓄能电站总装机容量约为1.4亿kW，日本、美国和欧洲诸国的抽水蓄能电站装机容量占全球的80%以上[3]。“十二五”期间，我国抽水蓄能电站规模稳步增长，装机规模不断跃升，新增抽水蓄能投产装机容量612万kW，年均增长率达6.4%。到2015年底，全国抽水蓄能总装机容量达到2303万kW，水电装机占全国水电总装机容量的7.2%，如表1-1所示。近几年，陆续开工建设了黑龙江荒沟、河北丰宁、山东文登、安徽绩溪、海南琼中、广东深圳等抽水蓄能电站，如表1-2所示。 　　表1-1 “十二五”抽水蓄能电站指标及完成情况表 　　随着国家能源结构的转型升级，要求抽水蓄能占比快速大幅提高，然而我国抽水蓄能电站装机总容量仍然偏小，目前仅占全国电力总装机的1.5%。因此，《水电发展“十三五”规划》[4]强调，我国需加快抽水蓄能电站建设布局，以适应新能源大规模开发需要，保障电力系统安全运行，如表1-3所示。其中，东北电网、华东电网、华北电网、华中电网和西北电网重点开工抽水蓄能电站建设项目达到48项，总装机容量为5875万kW，如表1-4所示。截至2020年，我国抽水蓄能电站新增投产1697万kW，集中于东北、华北、华东、华中和华南等经济中心及新能源大规模发展和核电不断增长区域，抽水蓄能电站总装机容量将达到4000万kW，2025年总装机容量将突破9000万kW。 　　表1-3 “十三五”抽水蓄能电站发展布局 　　1.2 抽水蓄能机组运行特点与挑战性问题 　　抽水蓄能发电具有无污染、运行灵活、成本低廉、调节能力强等特点，是国家能源发展计划中具有重要地位的可再生清洁能源。其中，抽水蓄能机组具有调峰填谷的运行特点以及启停速度快、工况转换灵活等特性，能够快速响应电力系统调频调相、削峰填谷、旋转和事故备用的需求，有效地缓解间歇性能源出力波动给电力系统带来的不利影响，增强电网对风电、光电的消纳能力[5]。 　　抽水蓄能机组的运行方式在常规水电机组发电工况和发电调相工况的基础上增加了抽水工况、抽水调相工况，以及发电、抽水、调相三种工况之间的转换，如图1-1所示，且一日之内开机、停机、工况切换频繁，平均每小时工况切换次数可达0.25次[d3][XYH4]。 　　图1-1 抽水蓄能机组复杂工况转换示意图 　　虽然抽水蓄能机组具有上述突出优点，但由于可逆式水泵水轮机全特性存在水轮机反“S”特性区域和水泵驼峰区域两个运行不稳定的区域，如图1-2所示，导致低水头水轮机启动并网困难、低水头调相转发电不稳定、机组空载振荡、水泵启动过程中的水压振荡以及调节系统机械部件疲劳磨损等问题突出[6]。 　　图1-2 可逆式水泵水轮机不稳定运行区域示意图 　　抽水蓄能机组调节系统是一个包含压力过水系统、电液随动系统、微机调速器、可逆式水泵水轮机、发电电动机等部件的复杂非线性闭环控制系统，作为抽水蓄能机组的核心控制系统，承担着控制机组启停与工况转换、稳定机组频率和调节机组功率的重任。因此，为解决上述挑战性问题，亟待建立高精度的抽水蓄能机组调节系统模型，通过在线性能测试和仿真建模，开展抽水蓄能机组控制策略与状态评估研究。虽然国内外学术与工程界在抽水蓄能机组调节系统辨识建模、控制策略及状态评估等方面开展了一系列的研究和应用，但已有工作在系统性和深入程度方面，均不能满足大装机容量抽水蓄能电站对调节系统控制性能及其状态评估的迫切需求，主要的不足有以下几方面。 　　(1)抽水蓄能机组调节系统是一个复杂的时变、非线性系统，对其进行非线性特征参数辨识与高精度建模仿真有待进一步研究。 　　(2)抽水蓄能机组复杂变工况环境下的控制策略研究缺乏针对性和高效性。 　　(3)现有的调节系统故障诊断与状态评估技术难以完全满足抽水蓄能机组控制系统的实际工程应用要求。 　　(4)我国对于抽水蓄能机组调节系统在线监测技术的研究尚处于起步阶段，抽水蓄能机组调节系统运行特性监测平台工程学的研究难以满足实际工程的需求。 　　为此，针对上述难点与关键科学问题，本书开展抽水蓄能机组调节系统的精细化建模，在此基础上分析机组运行动态特性，提出控制参数优化整定、过渡过程控制优化以及调节系统状态评估等方法，具有重要的理论与工程应用价值。 　　1.3 抽水蓄能机组调节系统辨识与控制优化研究现状 　　抽水蓄能机组调节系统辨识研究的意义在于提供了一种获取抽水蓄能机组调节系统精确模型描述的理论方法和技术手段。调节系统的非线性辨识分为参数辨识和模型辨识两个研究方向，参数辨识通过使用机组的离线试验数据或在线运行数据来辅助建模，在不影响机组正常运行的情况下，利用其测量信号数据，即可辨识获得电液随动机构时间常数、发电电动机机械惯性常数、综合调节系数及过水系统水流惯性时间常数等具有实际物理意义的系统参数，为指导机组在复杂工况下的*优化运行奠定模型基础。模型辨识则结合系统运行输入-输出数据和神经网络等机器学习模型，借助这类模型强大的非线性拟合与表征能力来直接构造控制变量和系统输出之间的隐含非线性映射关系，实现对可逆式水泵水轮机等环节运行过程非线性动态特性和复杂状态变化规律的解析。此外，高精度的非线性调节系统辨识模型还有利于自适应控制、自校正控制、神经网络控制、模型预测控制等先进控制理论的实施与应用。 　　在抽水蓄能机组调节系统控制领域，传统比例-积分-微分(proportion integral differential[d5][XYH6]，PID)控制器因具有结构简单可靠、控制参数易于调整、设计工况点控制效果良好等优势，被我国抽水蓄能电站广泛采用。但是，由于抽水蓄能机组调节系统不确定性及强非线性环节的存在，随着运行工况偏移和现场环境的变化，传统PID控制器往往难以在全工况获得满意的控制品质，机组低水头运行时容易产生不稳定甚至振荡发散的现象。因此，在参数辨识和模型辨识研究获取调节系统精确结构参数和数学模型的基础上，相关领域研究人员进一步研究调节系统控制参数优化整定方法，探索新型控制规律。