混流式水轮机调节系统建模与非线性动力学分析

为了深入研究混流式水电站系统的稳定性问题,在简单式调压井模型基础上,考虑弹性水击效应、发电机转子二阶动态模型等因素,建立起了新的调压井单机单管混流式水轮机调节系统的非线性数学模型。通过分岔图、Poincare映射图、功率谱图、时域图、相轨迹图、频谱图等非线性动力学特征,分析了调速器参数变化时水轮机调节系统的非线性动力学响应,得出系统的动力学变化规律和特征,初步确定系统稳定运行的参数调节范围,为混流式水电站系统正常运行提供了理论参考。     

水轮机调节系统的非线性模型、PID控制及其Hopf分叉

通过理论分析提出了水机电系统的非线性模型，该模型具有物理意义清楚、便于理论分析和计算机计算处理的特点；在此基础上应用基于遗传算法的PID控制方法优化控制参数，仿真表明，对非线性模型获得的控制性能是令人满意的；以PID调节参数作为系统分叉参数，运用Hopf分叉存在性的直接代数判据对该非线性模型的Hopf分叉行为进行了分析和仿真，对于水电站中所观察到的持续振荡现象，文中结果可作为一种可能的理论解释。     

水轮机调节系统的混沌现象分析及控制

为深入研究水轮机调节系统的非线性动力学特征,分析刚性水击时水轮机调节系统非线性模型的复杂动力学特征,包括相轨迹图、Lyapunov指数和庞加莱映射图,这些特征加深了对其的认识,同时也证明该水轮机调节系统中含有混沌吸引子.为消除系统的混沌态,基于一种滑模变结构控制方法的数学分析论证推导,将处于混沌态的水轮机调节系统先后控制到任意固定点和任意周期轨道,并用MATLAB模拟验证其有效性.结果表明:该方法能够使系统严格地跟踪参考轨道,且具有过渡时间短、过渡平稳的优点,同时也为相关水轮机调节系统混沌态的有效控制提供了借鉴.     

基于线性与非线性模型的水轮机调速器PID参数优化比较

分别推导出了基于线性模型和非线性模型的水轮机调节系统闭环比例积分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制的微分方程。以水轮发电机组转速偏差相对值的时间乘误差绝对值积分指标作为粒子群优化算法的适应度函数,分别实现了采用这2种不同数学模型的水轮机调速器PID参数的优化设计。计算结果表明,PSO优化算法对于非线性系统控制参数的优化设计是一种有效的方法;采用不同数学模型的水轮机调节系统,其PID参数的优化结果是不同的;水轮机调节系统采用非线性模型时的优化结果相对较好。     

永磁式步进电动机的非线性控制

本文通过现代非线性理论如混沌动力学理论研究了永磁式步进电动机的非线性动力学。本文的研究对象是三相步进电动机。研究表明在高频情况下系统会经历一个动态的分叉(Hopf分叉)。由于永磁式步进电动机被广泛地应用于许多重要的领域,所以本文提出了对三相步进电动机的不稳定性的控制。设计了非线性鲁棒控制器。研究还阐明了在一些电动机参数不确定的情况下如何使系统稳定并且具有令人满意的性能。     

永磁式步进电动机的非线性控制

本文通过现代非线性理论如混沌动力学理论研究了永磁式步进电动机的非线性动力学。本文的研究对象是三相步进电动机。研究表明在高频情况下系统会经历一个动态的分叉(Hopf分叉)。由于永磁式步进电动机被广泛地应用于许多重要的领域，所以本文提出了对三相步进电动机的不稳定性的控制。设计了非线性鲁棒控制器。研究还阐明了在一些电动机参数不确定的情况下如何使系统稳定并且具有令人满意的性能。     

基于集合论估计的水轮机调速建模

研究水轮机调节系统的仿真对于水轮机自身系统运行的安全稳定具有重要的意义。由于水轮机本身的非线性,搭建精确的水轮机调速系统模型需要对水轮机中参数的精确辨识。针对水轮机机组中参数辨识结果可信性进行研究,引入了集合论估计的思想,指出模型可明确系统真实状态和辨识结果的关系,利用了先验知识等一系统数据,辨识出离散点,以提升估计结果的可信性。针对水轮机模型在传统BPA可靠性不足的特点,搭建了二阶轴流转桨式水轮机模型,保证了模型的可应用性以及参数辨识结果的可靠性。     

适用于电力系统稳定分析的冲击式水轮机调节系统动态模型

为了研究冲击式水轮机接入电力系统的稳定性,建立了一种冲击式水轮机的数学模型。该模型包括考虑水轮机流量与机械功率非线性关系的水轮机解析非线性模型、引水系统弹性水击模型、喷针开度控制模型、折向器控制模型。仿真计算了其调节特性,与实测结果对比验证了所建立模型的有效性。结合云南电网的暂态过程仿真,分析了不同的冲击式水轮机及调速器模型对电力系统暂态稳定性的影响。结果表明,考虑水轮机流量与机械功率非线性关系和弹性引水系统水击的解析非线性水轮机模型能更有效模拟冲击式水轮机特性。     

水轮机水门的分数阶PID控制策略研究

针对水轮机调速系统的强非线性及易受各种内外部干扰影响,基于分数阶PID控制策略提出了一种新型的水门非线性控制器。通过对水轮机水门开度模型进行反馈线性化,结合分数阶PID控制理论约束自定义的控制变量,且利用遗传算法在线调节控制器的参数。仿真结果证明,与常规PID控制方式相比,所设计的水门分数阶PID控制器能有效地阻尼系统振荡,调速系统的鲁棒性得到较好的改善。     

孤网模式下基于HBBC的水轮机调节系统稳定性量化分析方法研究

针对目前孤网模式下水轮机调节系统(hydraulic turbine regulating system, HTRS)稳定性研究方法忽略水轮机非线性的问题，结合Hopf分岔理论、二分法和稳定性判据，提出了一种考虑水轮机非线性的控制器参数约束确定算法(controller parameter constraint determination algorithm based on Hopf bifurcation theory, bisection method and stability criterion, HBBC)，以实现对孤网模式下非线性水轮机调节系统的全工况稳定性分析。首先搭建了孤网模式下含非线性水轮机模型的高精度HTRS数值仿真平台，然后详细介绍了基于HBBC的稳定域约束定量计算过程。最后以某实际水电站为例，基于HBBC计算了孤网模式下非线性HTRS全工况下的稳定域，并在特殊工况下对稳定域计算结果进行了验证。结果表明，在HTRS稳定性分析中，HBBC可取代传统的稳定域计算方法，在准确性和可靠性方面优于后者；HTRS存在稳定域较小的“恶劣工况点”。     

水轮机调节系统的Terminal滑模控制

针对水轮机调节系统的不稳定运行会引起发电机组稳定性破坏的问题,鉴于对其要求的日益提高与其控制困难的矛盾现状,笔者以水轮机调节系统为研究对象,首先采用模块化建模方法,建立了混流式水轮机调节系统的整体非线性数学模型,并分析得到系统各状态变量存在不稳定运动。接着,为了保证系统的可靠稳定运行,基于Lyapunov稳定性理论和有限时间控制理论,笔者提出了一种新的Terminal非奇异滑模面,克服了传统Terminal滑模面的奇异性问题,为水轮机调节系统设计了Terminal滑模有限时间控制器。最后,采用Matlab进行数值模拟,仿真结果验证了所设计控制器的有效性和快速性,为生产实际中水力发电机组的稳定性控制提供理论依据。     

发电机励磁调节和电磁过程对机组转速控制的影响

本文利用水电机组机械和电磁过渡过程联合平台,通过对不同负荷模型时水轮机调节系统负荷扰动的仿真研究,探讨了发电机电磁过渡过程和励磁调节对水电机组转速控制的影响.研究结果表明:励磁系统的调节作用和发电机的电磁过渡过程对水轮机调速器的负荷扰动特性有着十分明显的影响,在进行调速器动态特性研究时应计及这种影响.     

基于滑模变结构控制的水轮机调节系统

出了消除状态方程稳态误差的方法,在此基础上设计了水轮机调节系统的滑模变结构控制器.仿真试验表明,改进的三控制输入水轮机调节系统状态空间方程是一种有效的水轮机调节系统模型;滑模变结构控制器性能优于 PID 控制器,对水轮机调节系统的物理参数摄动、运行工况变化、各种幅度扰动具有更好的鲁棒性、适应性.     

水轮机智能PID调节

本提出了一种基于神经网络实现智能ＰＩＤ控制策略，该策略不需要被控对象的精确模型，以经典的ＰＩＤ为基础，用神经网络实现，在给定评价函数不进行自学习。将其应用于单机运行的水轮机组频率扰动和负荷扰动仿真试验中，结果表明该策略对于被控系统的严重非线性有很好的适应性和鲁棒性。     

水电机组调节系统建模与仿真研究

在Matlab／Simulink环境下建立与水轮发电机组及其调节系统实际相一致的仿真模型,能够准确的模拟机组的各种工况。其中水轮机模型以水轮机综合特性曲线为基础,采用曲线的方法来表示水轮机流量和力矩与其它参数之间的关系,引水系统采用弹性水击模型,论证了仿真模型的有效性和实用性。     

Rossler系统的混沌控制

根据Rossler系统的动力学方程,数值仿真了系统随自身参数变化的全局分岔图,分析了参数变化引起系统动力学行为的变化。针对系统混沌状态,分别用自适应控制法和控制法两种方法对系统进行控制,仿真结果显示:两种控制法均能将系统控制在稳定的周期轨道。对比了两种控制法对系统控制的结果,在自适应控制中,随着控制参数逐步减小,系统由单周期运动经倍化分岔为双周期运动,再经倍化分岔序列最终通向混沌,动力学行为规则,对应控制参数选择区域连续;在控制中,系统由混沌状态转变为三周期运动,随着控制参数逐步增大,周期运动发生倍化分岔,再经倍化分岔序列通向混沌,系统动力学行为丰富,对应控制参数选择区域范围明确。为Rossler系统的动力学行为研究和混沌控制提供了理论支持,为Rossler系统在工程领域的应用及控制提供了参数选择区域,为其它系统的混沌控制及动力学行为研究提供了经验和方法。     

Modeling of switching frequency instabilities in buck‐based DC–AC H‐bridge inverters

In this paper, the dynamical behavior of a full bridge DC–AC buck inverter controlled by fixed frequency and PWM is studied. After showing that the system can undergo both period‐doubling and Neimark–Sacker bifurcation at the fast scale (switching period) by using the exact switching model, an exact solution discrete‐time model able to predict both instability phenomena is derived. The model is obtained without making the quasi‐static approximation and it can be used to obtain the useful operation region in the multi‐dimensional design parameter space from time domain simulations in a very fast and accurate manner. Based on the study of the system, some design guidelines are provided. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

广义内模预测控制在非最小相位系统中的应用

对广义内模预测控制做了简单的介绍,并针对水轮机调节系统的非最小相位特性,进行大量仿真试验。结果表明,非最小相位系统的广义内模预测控制具有许多优点,如:响应速度快,实际应用时计算量小,鲁棒性强特点,特别是对模型的失配具有较大优势。     

带变顶高尾水洞水电机组调速器功率模式优化研究

通过现场实测及数值仿真研究了带变顶高尾水洞水电机组调速器功率模式下的一次调频及负荷调节过渡过程。提出了一种基于“三区模型”的带变顶高尾水隧洞小波动过渡过程的仿真方法,并推导了状态方程组,基于调速器PLC程序及参数实测建立了水轮机调速器功率模式的仿真模型,利用现场真机试验对仿真模型进行了验证。针对带变顶高尾水隧洞水电机组的特点,从降低功率反调,提高调功速度,保证功率调节过程稳定性的角度出发,采用了“慢-快-慢”的“三段式调节”的方式改善调速器功率调节的动态品质。通过数值仿真对调速器的功率调节策略及参数进行了优化,优化后机组功率调节速度明显提高,功率反调值降低,改善了调速器功率模式下的一次调频及负荷调节过渡过程性能。