水轮机调速系统智能优化控制策略及其在水电站中的应用研究

前言： 传统的 PID 控制结构在面对复杂的电网工况时表现出明显的不足，近几年为解决此类问题，相关的研究人员展开大量的研究，并在调速系统优化方面取得巨大的成果。在控制算法上，模糊逻辑与 PID 控制结合使用的效果明显，它可以实时调整参数，提高系统的自适应性，加入灰狼优化算法等先进的智能优化技术，为控制器参数整定带来新思路。

1. 水轮机调速系统的智能优化控制模型

1.1 动态特性分析

水轮发电机组是典型的非线性动力学系统，由水力、机械、电磁转换以及控制调节等诸多子系统组成，各个子系统之间存在着较为复杂的能量转换和信息传递关系。水轮机作为核心的能量转换装置，可调导叶机制把水流的重力势能转变成旋转的机械能，受引水系统水力过渡过程的影响，在这个系统中压力管道中会产生水锤效应和弹性水击现象，直接关系到机组的功率响应特性。电网的负荷波动和励磁调节共同作用于发电机的电磁暂态[1]。

1.2 调速器系统数学模型

调速系统是水轮发电机组控制的关键部分，所以它的数学建模需通过多时间尺度分析原则展开，水轮机模型由改良过的Phillips-Hefron 传递函数来表现，利用水击时间常数和机械启动时间常数，分别表现压力管道的水力惯性和转子系统的机械惯性。水击时间常数和压力波传播速度以及管道长度联系密切，机械启动时间常数与转动部件的质量分布和旋转速度有关。发电机负荷建模一般采用扩展的一阶惯性进行建模，随后带入阻尼系数和同步系数，找出转子运动方程和电网频率之间的耦合关系。转动惯量也是一个重要的参数，它直接影响着系统的惯性响应特性，在不同的运行工况下，模型的参数具有时变的特性，这给控制系统的设计带来困难。执行机构模型，一般采用二阶微分方程来描述电液伺服系统的动态特性，这个模型包含伺服阀流量系数、油缸作用面积以及负载质量等参数，为提高模型的准确性，需要综合液压油的可压缩性以及管道弹性等非线性因素进行系统优化[2]。

1.3 系统特性分析

通过对调速器系统数学模型的详细分析，提炼出一些个体的关键特性，即非线性动力学行为，这种非线性特性主要是由两方面的耦合所造成的，一方面是水力机械环节的非线性转换特性，另一方面是电磁转换环节所表现出的非线性响应特性。水力机械而的流量与开度之间存在着非线性关系，当开度变化的越大，对流量的影响就会越小，在不同运行条件下水轮机效率特性曲线会出现很大差异。

当运行环境发生改变时，水轮机的各个效率特性就会出现偏移状况。引水系统的水力阻抗也跟着发生改变，此时的发电机的功角特性需要对应的调整。当参数出现漂移之后，依照固定参数所设计的控制器就难以维持必要的调节性能，给控制算法的鲁棒性提出更高要求。从动态响应的时间尺度来说，系统的动态行为大致可以归纳成三种典型的进程，电磁暂态过程一般延续在毫秒级，机械调节过程却在秒级展开，水力过渡过程则须要几分钟才有可能完结。

2. 水轮机调速系统的智能优化控制策略研究

2.1 整体设计

本研究采用分层递阶的思想构建整体系统，基础控制层是基础传统PID 调节器建立起来的，可保证系统有最基本的调节能力。模糊推理模块的建立是整个控制方案的重点，需要制定详细的规则库。选择输入变量为转速偏差和其变化率两个重要的参数，利用三角形隶属度函数模糊化得到模糊值。输出变量设定为 PID 控制器的调整参数，采用重心法对模糊输出进行去模糊化。规则库内有49 条经验规则，涵盖多种常见工作状态下参数调整的经验，为系统灵活应对提供可靠的保障。

为提升调速系统的抗干扰能力，前馈补偿环节会持续监测负荷变化趋势，并且针对这种变化生成提前的补偿信号，减少动态响应所需时间、抗饱和积分器采用一种条件积分算法。在系统出现较大偏差时，自动限制积分的作用，以此来防止积分饱和的风险，从而保证系统的良好性能。增益调度模块会按照实际运行工况动态调整控制强度，可以保证系统在不同负载条件下都能达到理想的调节效果，在参数优化方面，采用灰狼优化算法开展离线整定，确保 ITAE 性能指标达到最小值。在线调节阶段，模糊推理机依照当前运行数据对参数实施微调，保证控制器一直处在最佳工作状态。

2.2 模糊 PID 控制器设计

水轮发电机组调速系统的核心控制单元可将模糊逻辑与 PID 控制算法融合起来，输入信号选取机组实际转速和设定转速之间的差值以及其变化速率，作为主要的反馈变量，输出变量可对应 PID 控制器比例、积分、微分这三项重要参数的修正数值，为搭建控制器规则库，技术人员可根据动态反应特性改良原则，当转速偏差比较大时加大比例控制部分，削减积分效果。在系统接近稳定运行状态时，适度缩减比例效应，提升干净的积分调节，这样就能较好地消除静态误差。

2.3 自适应调节机制

为增强控制系统的自适应能力，可以用多模态的参数调整机制，根据实时的运行状况调节控制参数。在负荷剧烈变化的工况下优先保证响应的速度，在微小扰动的工况下需重点提高调节的准确度。具体实施分三级调节模式，当转速偏离正常值超过预定值时，控制计算中的算法会明显加大比例增益的影响力度，减缓积分的作用强度，但是微分参数仍旧维持基准的大小，当偏差处于中等程度时，比例的参数保持稳定不变，同时会强化积分和微分的效果，这种平衡模式可以适应于常规的负荷调节工况。 接近稳态的小偏差状况下，适度削减比例作用的强度，加强积分调节的效果，减弱微分作用。工况识别模块运用模糊推理算法去完成运行状态的划分，把系统的工作状态归类成启动加速、正常运行、负荷突变、紧急调节这四种典型模式，每种模式都有对应的参数组合，可保证分类结果的精确性。

3. 水电站中水轮机调速系统智能优化控制策略的应用效果

为检验调速系统的性能改善效果，研究用多个指标来综合评判，先从动态响应特性看，改良后的控制系统把转速调节过程的过渡时间缩减大约20% ，而且把最大超调量控制在 5% 以内，针对 300MW 水轮发电机组实际运行时，当它面对 10% 阶跃负荷扰动时，调节时间少于15 秒。

在稳态运行精度调节上，额定工况下的转速波动范围在正负 0.015% 以内，其对应的频率偏差亦控制在正负 0.01Hz 。通过额定工况下开展的变负荷测试发现，当机组出力介于 50%-100% 区间且连续变动时，转速依然维持相对稳定的状态，未出现明显的周期性波幅，在此期间发电机组的品质得以提升，其可靠性指标有改善的痕迹体现于连续运行的数据之内，关键控制单元的平均无故障时间超出 20000 小时，与传统系统相比提升 40% 以上，故障自动诊断机制的应用将维护响应时间缩短到了 60% 以上，而计划之外的停机情况也减少了 35% ，液压执行机构来讲寿命周期延长了 30‰ 。

结语： 本研究成果为水轮发电机组调速系统性能改善提供了系统化建议，伴随电力系统对灵活调节资源需求的逐渐增多，这种智能调速技术在新型电力系统中的支撑能力有望得到加强，从而促使水电机组控制技术不断更新发展。

参考文献：

[1]刘钰琦,王瑞清,肖权,等.水电站调速器数字孪生系统建设探索与研究[J].水电站机电技术,2025,48(03):30-36+135.D

[2]高晓明,唐国平,王瑞清,等.水轮机调速对新型电力系统频率动态的影响特性建模与分析[J].水电站机电技术,2025,48(02):99-103.