水力机组主动控制策略研究

Refer to the idea of the active control, the research is carried out from structure framework of the hydro turbine generating sets (HTGS), structure analysis and control design. First, the integrated single machine operation simulation system is built, and is used to research the structure characteristics and dominant factors of sub systems in the HTGS. The integrated single machine framework model of the HTGS is constructed, then it be evolved into the more than simple single machine model and local multi-machine structure framework of hydropower station. So the boundary of system structure is established. Second, with the integrated model of the HTGS as the core, the analysis method of matrix eigenvalue in linear system is employed to research system oscillation mode, parameter sensitivity, and their change along with the operation condition. At same time, the model is transformed into the generalized Hamiltonian form, using structure coupling analysis theory of the generalized Hamiltonian system to research evolution and action mechanism of the structure matrix and damping matrix in system output space and the effect of structural parameters on the system output, and establish the analysis and calculation theory of system structure parameters effect on the dynamic output. On the basis of structure analysis results, modifying structure features by means of the structure matrix and damping matrix, design control law to equalize this structure change in transient by using the structure modification design theory of the generalized Hamiltonian, and then the active control of the THGS is realized. Using evaluation theory of the active control analysis relative issues of the HTGS active control, establish theory and method of analysis and calculation. Finally, part of the real machine test will be carried out, to analyze and test proposed theory.

依据主动控制的思想，从水力机组结构框架、结构分析和控制设计三方面展开研究。首先构建完整单机运行模拟系统，研究机组各子系统的结构特征和主导因素。建立水力机组完整单机结构模型，演化得到简单单机、水电站局部多机结构框架，确立系统结构边界。其次，以水力机组完整单机系统为核心，采用线性系统的矩阵特征根分析法研究系统振荡模式和参数敏感性及其随工况的变化；将系统转化为广义哈密顿形式，采用哈密顿系统结构耦合分析理论，研究结构矩阵和阻尼矩阵在系统输出空间的演化作用机理以及结构参数对系统输出的影响机理，建立系统结构参数对系统动态输出影响的分析计算理论。依据结构分析成果，通过结构和阻尼矩阵来修改系统结构特性，采用哈密顿结构修正理论设计控制来等效在暂态过程中结构的变化，实现水力机组的主动控制。应用主动控制评价理论分析机组主动控制的相关问题，建立相应的分析计算理论和方法。开展部份真机试验研究，分析和检验理论。

本项目以水力机组运行控制的动力学机理研究为基础，开展机组的主动控制理论研究。主要研究内容包括：合理提取机组运行控制中的系统结构特征，建立机组模型结构框架；研究模型结构特性和参数变化与系统主要输出参数之间的耦合关联机制及其主导因素；以广义哈密顿结构修正控制设计理论为主要手段，研究水力机组主动控制实现的相关问题。.围绕研究内容展开项目研究，取得的主要成果如下：. （1）在水力机组运行控制中的模型结构特征研究中，发现问题并开展了针对性的研究，例如：一管多机水力耦合的解耦、带隧洞调压井的水力系统多机微分方程建模问题；导水力系统压力波动特性以及调速侧的水压相位补偿控制问题；暂态过程中水轮机内部能量变化细分特性问题；机组轴系振动特征参数计算提取、轴系振动与机组控制调节的关联分析问题等。. （2）在水力机组模型结构特性和参数变化与系统主要输出参数之间的耦合关联机制研究方面，一是以水力机组广义哈密顿模型为对象，采用数值计算方法计算哈密顿系统结构元素对输出动态影响；二是从广义哈密顿基本模型出发，采用附加结构分解理论研究结构矩阵元素对输出动态的影响，尝试建立系统结构元素敏感度的直接计算方法和理论。. （3）基于哈密顿理论的水力机组主动控制实现中的理论和方法研究方面，发现哈密顿结构修正控制设计方法的局限性，提出以哈密顿结构修改方法揭示的控制律局部结构特征，反演回到微分方程框架下重构控制设计的新方法。利用该方法发现了一些新的具有较强动力学特征的控制设计方法，例如：发电机直接阻尼注入方法等。 . （4）在试验和仿真研究方面，由于真机试验开展仍然存在不少困难，主要是建立单机和多机运行模拟软件平台开展仿真研究为主。对试验研究中的部分问题开展了研究，例如超声波测流精度控制，水轮机功率的间接测量等。. 通过本项目研究，揭示水力机组运行控制的动力学特性特征，丰富和发展了水力机组运行控制理论。