一种基于分数阶PID调速系统的水轮机综合性模型建模方法技术方案

本发明专利技术提供了一种一种自适应分数阶PID调速系统的水轮机综合性模型建模方法，包括以下步骤：步骤1：建立基于分数阶PID调速系统的水轮机调速器仿真分析数学模型，并利用混合算法优化所述的基于分数阶PID调速系统的目标函数；步骤2：建立水轮机调速系统的机械液压系统和引水系统数学模型；步骤3：建立水轮机发电机模型；本发明专利技术利用MATLAB仿真建模，在前人研究的基础上对经典PID调速系统进行了改进，根据实例分析，建立起了能够反映水轮机调速系统和发电机系统各项参数综合性模型，在实际应用中对实际水轮机组的运行情况，面对负荷波动时水轮机各项参数的变化有良好的反应，为事故预测与系统安全运行提供保障。

A Comprehensive Model Modeling Method for Hydraulic Turbine Based on Fractional-order PID Speed Regulation System

【技术实现步骤摘要】
一种基于分数阶PID调速系统的水轮机综合性模型建模方法
：本专利技术涉及水电站力学，水轮机调速系统原理，具体涉及一种基于分数阶PID调速系统的水轮机综合性模型建模方法。
技术介绍
传统的水轮机调速系统控制结构一般采用经典水轮机调速系统，即并联PID调速系统控制，具有简单易操作等优势，随着电力系统的发展，对水电机组的稳定性要求也在不断提高，但是，并联PID调速系统控制的水轮机系统存在以下问题：1.启动时稳定慢；2.出现系统负荷波动时稳定性差，面对电力系统的突发事件自我调节能力不足等问题。面对经典水轮机调速系统的缺点，大量学者提出了先进的智能化控制方式，如模糊PID控制、BP神经网络控制、混沌粒子群控制等，这些研究对水轮机调速系统进一步优化，使水轮机的调速性能有了明显改善。考虑到国内水轮机的控制方式多采用以并联PID调速系统控制控制为基础的调节方式，为了能够快速响应系统要求，尽可能的给电力系统带来更小的冲击，水轮机的调速系统的优化就显得至关重要。仿真建模方面对水轮机的非线性机理建模研究已经有了很大进展，但没有深入分析负荷波动对水轮机调速系统的影响；目前一般将负荷和发电机模型等效为一阶的传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自适应分数阶PID调速系统的水轮机综合性模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立基于分数阶PID调速系统的水轮机调速器仿真分析数学模型，并利用混合算法优化所述的基于分数阶PID调速系统的目标函数；步骤2：建立水轮机调速系统的机械液压系统和引水系统数学模型；步骤3：建立水轮机发电机模型，将传统的一阶水轮机发电机模型扩展到5阶水轮机模型，并由此引入励磁机模型和动态负荷模型。

【技术特征摘要】
1.一种自适应分数阶PID调速系统的水轮机综合性模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立基于分数阶PID调速系统的水轮机调速器仿真分析数学模型，并利用混合算法优化所述的基于分数阶PID调速系统的目标函数；步骤2：建立水轮机调速系统的机械液压系统和引水系统数学模型；步骤3：建立水轮机发电机模型，将传统的一阶水轮机发电机模型扩展到5阶水轮机模型，并由此引入励磁机模型和动态负荷模型。2.根据权利要求1所述的一种自适应分数阶PID调速系统的水轮机综合性模型建模方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1：由经典PID调速系统得到分数阶PID调速系统，具体方法为：经典PID调速系统的微分表达式为：u(t)＝kpe(t)+kiDe(t)+kdDe(t)；其中，kp表示比例参数,整定范围为0.5～20；ki表示积分参数，整定范围为0.05s-1～10s-1，kd表示微分参数,整定范围为0～5s；将kp、ki、kd三个调节参数分别替换为暂态转差系数bt、缓冲时间常数Td、加速度时间常数Tn，具体的：经典PID调速系统的传递函数为：其中，bt为暂态转差系数，取0～1.0；Td为缓冲时间常数，整定范围为2s～20s，Tn为加速度时间常数，整定范围为0～2s，pc和P分别为机组功率给定和机组功率，yc和y分别为导叶开度给定和导叶度，fc和f分别为频率给定和机组频率，Δf为频差，Δf'为经过频率死区ef后的频率偏差；将上述经典PID调速系统的微分表达式经过Laplace变换为分数阶PID调速系统的微分表达式：u(t)＝kpe(t)+kiDαe(t)+kdDμe(t)；(4)其中α,μ>0，α为积分阶次，μ为微分阶次；分数阶PID调速系统的传递函数为：步骤1.2：定义分数阶PID调速系统的目标函数，具体方法为：利用双误差积分作为步骤1.1所述的分数阶PID调速系统的目标函数：其中，e(t)表示实际输出与期望输出的偏差，t为时间，ISE表示平方偏差积分；步骤1.3：利用混合算法优化步骤1.2所述的基于分数阶PID调速系统的目标函数，具体方法为：将kp、ki、kd、α、μ五个参数组成初始果蝇位置，使果蝇按味道浓度进行寻优，利用BP神经网络的深度搜索特性对kp、ki、kd、α、μ五个参数优化求解，具体包括以下步骤：步骤1.3.1：初始化果蝇种群规模groupsize(400)和最大迭代次数maxnum(400)，随机产生果蝇种群位置(Xaxis，Yaxis)，迭代步进值R定义为(0.85-1)；步骤1.3.2：随机化果蝇种群位置与方向，根据果蝇种群位置与原点距离DDist判定果蝇种群味道浓度值Si；步骤1.3.3：计算果蝇个体的味道浓度，将果蝇种群味道浓度值Si代入味道浓度判定函数Ffunction中，并从每个果蝇群体中找到味道浓度最优个体；保留下最优味道浓度bbestsmell与对应的(Xi，Yi)位置，果蝇群体Ssmell飞向该坐标，bbestindes表示最优果蝇位置；步骤1.3.4：将步骤1.3.3得到的果蝇位置坐标(Xi，Yi)输入BP神经网络的隐藏层nnet(2)(k)，定义输入输出；其中，i＝1,2,…,Q，根据被控对象复杂程度定义n,Q值，Zj(2)为优化后果蝇种群(Xi，Yi)位置，wij(2)为隐藏层加权系数，Zi(k)(2)取活化函数Sigmoid函数；步骤1.3.5：定义B...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊军华，史宏杰，王亭岭，姜耀鹏，阿旺多杰，张兴旺，赵世豪，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41