【摘 要】
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水电站是由引水系统、水轮机、调速系统、发电机以及连接电网组成的一个具有高度水电耦合特性以及强非线性的系统。水力发电机组（Hydro Turbine Generator Set,HTGS）有着启动快速、调节性能优越特点,因此普遍承担着电网调频以及调峰等重要任务。为了同时满足水力、电力性能指标要求,使水轮发电机组调节系统获得更好的调节品质,本文首先建立了能够反映水力以及电力参数动态过程的非线性水轮发电
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水电站是由引水系统、水轮机、调速系统、发电机以及连接电网组成的一个具有高度水电耦合特性以及强非线性的系统。水力发电机组（Hydro Turbine Generator Set,HTGS）有着启动快速、调节性能优越特点,因此普遍承担着电网调频以及调峰等重要任务。为了同时满足水力、电力性能指标要求,使水轮发电机组调节系统获得更好的调节品质,本文首先建立了能够反映水力以及电力参数动态过程的非线性水轮发电机组数学模型,再提出利用多目标反馈非线性控制（nonlinear control design method with multi-objective feedbacks,NCMOF）方法对水轮机的调速系统以及励磁系统进行综合非线性控制策略的设计。本文在建立起非线性水轮发电机组数学模型的基础上,先是进行混流式水轮发电机组控制策略的改进设计。首先,根据水力子系统实际水工结构,建立含调压室水力动态行为及励磁调节特性的混流式水轮发电机组综合非线性模型。接着利用多目标反馈非线性控制设计方法,选取实际水电机组运行所关注的水力及电力动态参数,构建Brunovsky标准型矩阵。然后,根据线性最优理论,在线性空间进行控制规律的设计。最后通过非线性变换,导出原系统的综合非线性控制规律。基于MATLAB/Simulink仿真结果表明,本文设计的控制规律具有良好的水力及电气性能指标跟踪能力,在保证了电气动静态性能指标安全性的同时,能够大幅度减少水击压力对水工结构所造成的冲击,提高了水力发电系统运行安全性。针对轴流转桨式水轮发电机组（Kaplan turbine generator set,KTGS）在瞬态过程中偏离协联曲线运行而导致调节性能不理想的问题,本文首先建立了具有双输入调速器以及发电机励磁综合控制的轴流转桨水轮发电机组非线性模型。根据导叶与桨叶处于协联运行情况时,才能使轴流转桨式水轮机处于最佳运行状况的特点,本文提出利用多目标反馈非线性控制设计方法中目标函数的约束作用代替导叶和桨叶之间协联关系,进行导叶、桨叶调速器和发电机励磁的三变量综合非线性控制规律的设计。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,本文所设计的三变量综合非线性控制策略具有良好的水力及电气性能指标跟踪能力;不仅保证了水轮机的输出效率,而且在动态调节过程中能够有效协调导叶和桨叶之间的动作,使得系统在各种扰动下均拥有优越的动态调节性能。
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