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一个精确的水轮机调速系统(HTRS)模型是分析水轮机组趋向于大型化、复杂化发展的基础,对电力系统稳定性控制与研究有着重要意义。随着水电站的单机容量不断增大,水流惯性巨大,调速系统与水轮发电机之间的电磁耦合联系密切,这些特征对电力系统的安全稳定运行带来严峻的考验,对水轮机调速系统的控制提出了新的要求和挑战。本文在传统水轮机建模分析基础上,分别搭建了更为精确的、适应性更高的水轮机调速系统的线性模型和非线性模型,并对水轮机控制器参数进行辨识,进行控制规律设计,在传统PID控制基础上提出了新的控制策略。主要研究成果如下:(1)对HTRS进行线性化和非线性对化比分析,搭建了能够反映水轮机调速系统、水轮发电机系统、励磁系统以及输出电压在动态运行中及故障瞬态下各项参数变化工况的非线性HTRS模型,以及在此基础上进行简化分析的水轮机线性模型,进一步提高了模型的精确性。非线性模型着重对水轮发电机部分建模分析,同时考虑了动态负荷变化、瞬时故障及自动重合闸等电力系统工况,弥补了传统的水轮机模型过于简化,不能进行动态实况仿真的缺陷。(2)通过深入分析HTRS的非线性动力学特征,考虑水轮机在面对负荷波动时HTRS对水轮机转速、转矩、输出电压电流波形等的控制情况,提出一种基于嵌套神经网果蝇混合算法(BP-FOA)的分数阶PID(FOPID)控制策略。分数阶PID(FOPID)控制器是用分数阶微积分方法对传统PID控制器的推广,其可调参数的增多为实现控制目标提供了更大的灵活性;由于与传统的PID调节规则相比具有较大的差异,因此合适的优化算法对于FOPID控制器的参数调整至关重要,本文证明了BP-FOA算法控制的FOPID控制器应用于HTRS中在调速性和鲁棒性上的提升。(3)利用基于BP-FOA算法在传统水轮机调节系统上进行FOPID控制器双目标控制设计,选择FOPID控制器控制参数被制定为双目标优化问题,其中目标函数由平方误差(ISE)的积分和时间乘积平方误差(ITSE)的积分组成。通过实例对比目前主流单目标控制策略,证明了双目标设计的有效性,验证了双目标FOPID控制器相比经典PID控制器的优越性。