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1、太原科技大学 硕士学位论文 H迭代学习控制算法研究及其在水轮机调速系统中的应用 姓名：马花停 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：于少娟 20100701 I 中中 文文 摘摘 要要 随着电力系统规模的不断扩大，电力系统稳定问题就变得越来越突出。水轮机调速 系统是水轮机的核心部分，而水轮机组又是电力系统中提供电能的关键设备，那么，水 轮机调速系统的控制品质的优劣直接影响着电力系统的电能质量。 目前， 对调速系统的 控制基本采用常规的PID控制，此控制策略具有结构简单 等优势，但是其参数不能实现在线自整定，因此，对于不同工况点的运行无法较好的控 制。本文采用基于H迭代学习控制
2、器，即运用H理论与迭代学习控制算法相结合来设 计的控制器。旨在提高和改善水轮发电机调速控制的鲁棒性及调节特性。 本文首先介绍了课题的背景及意义，水轮机调速系统的发展历史、研究现状及发展 历程。接下来对水轮机调速系统进行了建模。然后详细阐述了迭代学习控制、H控制 相关理论，并分析各自特点、优劣及近年来的发展及应用。 本文核心部分是将H理论与迭代学习控制算法的优势相结合而设计的控制器，并 首次将这种控制器应用到水轮机调速系统中， 运用AMESim和Matlab对该控制器进行联 合仿真。仿真结果表明，水轮发电机调速系统采用这种控制器与单纯采用迭代学习控制 器和常规PID控制器相比，动态品质得到了提高
3、，具有良好的鲁棒性，而且能抑制因大 干扰引起的超调。具有一定的实用价值及非常广阔的应用前景。 最后总结本文，指出不足之处及有待进一步开展的工作。 关键词关键词：电力系统稳定；水轮发电机调速系统；迭代学习控制；H理论 III ABSTRACT Along with the expansion of electrical system scale, the stable problem of electricity becomes more and more rasping. The speed adjustment system of turbine is the core part of a
4、turbine system, while the turbine system is crucial device to provide energy in the electrical system. In this case, the control quality merits of the speed adjustment system of turbine will influence the quality of energy in the electrical system. At this time, the control of speed basically adopts
5、 normal PID control, and though this control strategy has better advantages of structural simplicity, but the parameter does not have the function of self-revision. Thus, this strategy cannot control the running of different operating points. In this article, we design iteration control algorithm by
6、 adopting H Iterative learning control, in order to improve the robustness and regulatory of speed control of turbine generator. Firstly, this article introduces the initiation of this research topic and its significance, the history of speed adjustment of turbine、existent research and its developme
7、nt. After that, the article set up the model of speed adjustment system of turbine. Then, it Iterative learning control、related theories of H control, and analyses their own characteristics respectively 、 merits and the its development and application in these years. The core part of this article wi
8、ll combine H control and Iterative learning control, apply a kind of Iterative learning control algorithm based on H for the first time. It simulates such algorithm by adopting AMESim and Simulink, and combines the simple model of speed adjustment system of turbine. The simulating results shows that
9、, comparing to Iterative learning control and normal PID controller, the dynamic quality of speed adjustment of turbine has been greatly improved, and this controller has much better robustness, and it can inhibit the overshoot because of some serious interference. It has practical value and widely-
10、used future. Finally, it concludes the whole article, and points out the inadequate and the task to complete. IV KEY WORDS：Stability of power system; Governor system of hydro-turbine; Iterative learning control; Htheory 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或
11、撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 作者签名： 马花停 日期：2010 年 6 月 11 日 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印件与电子 版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠 送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学 位论文在解密后遵守此规定） 。 作者签名： 马花停 日期：2010 年 6 月 11
12、 日 导师签名： 于少娟 日期：2010 年 6 月 11 日 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。我国水能资源十分丰富， 全国蕴藏量为6.8亿千瓦。水力发电技术成熟又不污染环境，已成为我国电力工业发展 的重要途径。随着电力系统的发展及单机容量的迅速增加，使得电力系统的安全稳定运 行面临严峻的挑战。 水轮发电机组是水电站将水能转化为电能的设备。为此，要研究与开发优良性能的 水轮发电机组， 就必须根据电力系统负荷及水能条件的变化来不断调节水轮发电机的有 功功率输出，以维持发电机组转速（即电能的频率）在规定的范围内。对水轮发
13、电机组 的速度调节已成为水电站自动控制的重要研究课题。 1.2 水轮发电机组调节系统的组成及其特点水轮发电机组调节系统的组成及其特点 水轮机调节系统是一个集水力、机械、电气为一体的复杂的控制系统，是一个典型 的时变、非最小相位、参数随工况点变化而变化的非线性系统。 水轮调节系统是一个自动调节系统，除了具有一般控制系统的特性外，还有自己独 特的特点。 特点：水轮机是将水能转化为电能的电气设备，然而水能有其自身的变化规律，受 自然条件的影响很大；调节系统为一个非最小相位系统，调节过程中就必然会出现反调 现象即为水击与导水机构的调节作用相反，必然影响调节系统的稳定，使得调节系统的 动态品质恶化；调节
14、系统的导水机构难随负荷的变化而变化，具有一定延时，会产生过 调现象，不易稳定；随着电力系统的扩展与自动化程度的提高，就要水轮机调速器有较 多的控制和自动操作功能。 总而言之，水轮发电机组调速系统相对不易稳定，而且结构较为复杂，调速器就当 之无愧为水电站中一个非常重要的综合自动机构。 就要求调速器有很强的鲁棒性具有比 较强的调节控制功能。 1.3 水轮发电机组调速器发展历程水轮发电机组调速器发展历程 水轮机调速器在水电站的应用有很长的历史。调速器的发展先后经历了3个阶段： 机械液压型调速器、 电气液压型调速器与计算机调速器。 早期的水论机调速器是利用测 速元件直接操作水轮机执行机构的直接作用式小
15、型调速器。随着技术的进步，19世纪 末出现以液压元件调节水轮机功率放大的液压调速器， 直到20世纪30年代出现电气液 H迭代学习控制算法研究及其在水轮发电机调速系统的应用 2 压型调速器。电液调速器才具有了独立模式，与以往调速器相比，构成调速器的各个 环节均有重大改善。从采用的元件方面来看，其发展经历了电子管、晶体管和集成电 路等发展阶段。 随着计算机技术的快速发展，计算机在水电站的应用越见广泛。至20世纪80年代 以来，国外许多国家都在研究微型调速器，目前已有大批微型机调速器投入使用。 由于控制策略的灵活性和程序的方便性，现代调速器扩展了许多附加功能，有些功 能是机调难以实现的。例如，在并网运行时，并不希望每台机组都要在频率变化较小时 就参加功率调整，是把大部分机组固定在基本负荷区运行。调速器中加入人工失灵区功 能就是使频率变化较小（在-0.5至+0.5范围内）时，没有调节动作，超过人工失灵区时， 才参与功率调节，为了防止机组在低效区运行，当导叶达到一定开度时，电气装置部分 不在输出使导叶开启的信号，但不妨碍输出关机信号，即限开不限关，起到机调机械式 开度限制的作用，而且可扩展为水龙头限有功功率的功能。 1.4 水轮发电机组调速器控制策略水轮发电机组调速器控制策略 目前，国内水电站的运行与管理等都逐步步入无人看管或少人看管的阶段，提出高 鲁棒性、智能化的水轮机调节策略迫
