非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法和系统，方法包括：建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；选取合适的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，并将零动态归入选定的线性子系统进行调节；根据非最小相位子系统系统控制器的一般形式建立非最小相位子系统状态方程；利用控制器作为控制核心实现水轮发电机组水门与励磁联合控制。本发明专利技术能很好的克服在生产过程中因非线性非最小相位特性所产生的不利影响，且能保证在系统较大的运行范围内都有良好的控制效果。

Method and system of joint regulation of water gate and excitation for nonlinear hidden pole Hydrogenerator

【技术实现步骤摘要】
非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法和系统
本专利技术属于非线性控制
，涉及非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法和系统，具体涉及一种非线性非最小相位隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统设计方法。
技术介绍
水轮机组作为一种典型的非最小相位系统，其传统控制方法为在小波动情况下采用系统的线性化模型，然后采用PID控制方法对机组转速进行控制，但是这一方法将发电机简化为一个一阶模型不考虑励磁输入，只是通过水门控制机组转速，存在很大局限性：当系统非线性特性十分明显时(转速出现大扰动)，这种方法将不再适用。非小相位系统的稳定控制方法一直是人们研究的重点，由此产生了各种不同的控制方法和策略，近似线性化方法和微分几何方法是其中最常用的两种方法。近似线性化的基本思想是在状态空间的平衡点处用全微分来代替系统的增量，从而将系统近似转换为线性系统，从而进行控制。然而实际系统非常复杂，当系统出现较大扰动偏离平衡点时，线性系统就很难表征此时实际的系统特性，那么这时的控制器的调节效果就很难达到实际性能要求，因此客观上就需要在明确考虑实际系统的非线性特征的基础上设计非线性控制器。近三十年来，人们将微分几何理论应用于非线性系统的控制，这一方法通过一个合适的坐标变换与一个恰当的状态反馈将原非线性系统进行精确反馈线性化得到线性标准型，从而对其中的线性子系统设计控制器，与近似线性化方法相比，其优点在于系统并不局限于平衡点而能够在状态空间的一个足够大的域甚至整个状态空间中精确的转化为线性系统。该方法在对非线性系统进行线性化的过程中，通过微分同胚变换可将原非线性系统变换为两部分：线性子系统描述的外部动态和非线性子系统描述的内部动态(即零动态)。对于非最小相位系统(即零动态不稳定的系统)，仅对线性子系统所设计的能使外部动态满足某种性能要求的控制器却难以保证系统内部零动态的稳定，因此非最小相位特性使基于微分几何的精确反馈线性化方法遇到了极大挑战。为了真正实现水轮机组高性能控制，就必须要解决非线性、非最小相位特性对系统运行时所造成的不良影响，寻求一种有效的控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对当系统非线性特性十分明显时现有控制方法的调节效果很难达到实际性能要求的不足，提供一种非线性非最小相位隐极水轮发电机水门与励磁联合调节系统设计方法，能很好的克服在生产过程中因非线性非最小相位特性所产生的不利影响，且能保证在系统较大的运行范围内都有良好的控制效果。本专利技术采用如下技术方案：在一方面提供非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法，包括如下步骤:步骤SS1：采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；步骤SS2：选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；步骤SS3：根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式建立非最小相位子系统状态方程；步骤SS4：利用DSP控制器作为控制核心实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。在另一方面，提供一种非线性水轮发电机水门与励磁联合调节系统，其特征在于，包括水轮机组、功率转换模块、电液伺服系统、测频回路、导叶传感器、流量传感器、功角反馈模块、电磁功率反馈模块、保护单元和人机交互模块，所述控制器上设置有A/D转换模块和输出端，所述控制器的输出端分别通过所述电液伺服系统、所述保护单元和所述励磁控制器与所述水轮机组相连接；所述控制器的A/D转换模块分别通过所述测频回路、所述导叶传感器、所述流量传感器、所述功角反馈模块和所述电磁功率反馈模块与所述水轮机组相连接，所述测频回路用来测量水轮机组的机组转速，所述导叶传感器用来测量水门开度，所述流量传感器用来测量有压引水管道流量，从而结合水门开度计算出水轮机输出的机械功率；所述功角反馈模块用来测量发电机功角，所述电磁功率反馈模块用来测量发电机输出的电磁功率；所述控制器与所述人机交互模块相连接，所述人机交模块互负责实现对水轮机组系统的实时显示与操控。优选地，所述电液伺服系统包括电气液压型调速器和电动调节阀，所述气液压型调速器的一端与所述控制器的输出端相连接，所述气液压型调速器的另一端与所述电动调节阀的一端相连接，所述电动调节阀的另一端与所述水轮机组相连接。优选地，所述控制器为DSP控制器。在以上技术方案中，优选地，所述控制器执行以下调节方法：采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式建立改写非最小相位子系统状态方程；利用控制器实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。一种存储一个或多个程序的可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行以上技术方案提供的方法中的任一方法。本专利技术的优点在于：(1)建立在微分几何精确反馈线性化方法的基础上，理论上按照本专利技术所给出的控制器设计方法所设计的非线性控制器不会丢失系统的原有信息；(2)与近似线性化的方法相比，具有丢失信息少的优点；本方法只对系统的部分状态进行展开，而近似线性化的方法是对整个系统进行近似线性化处理；其次，可通过提高泰勒展开的阶数来尽可能地减少系统信息的丢失。(3)适用于任何非线性系统，尤其是具有非最小相位特性的非线性系统，因此可以应用到各类实际工程系统中，有广阔的应用前景；(4)本专利技术所提出的控制器设计方法无需高深的理论知识和复杂的数学推导，易于工程实现。附图说明图1是本专利技术具体实施例控制器与水轮机组连接示意图；图2是单机无穷大系统系统示意图；图3为本专利技术具体实施例的水门与励磁联合调节系统连接示意图；图4是本专利技术具体实施例给出的控制器对系统输出电磁功率Pe的控制效果仿真图；图5是本专利技术具体实施例给出的控制器对系统状态发电机功角δ的控制效果仿真图；图6是本专利技术具体实施例给出的控制器对系统状态发电机转子角速度ω的控制效果仿真图；图7是本专利技术具体实施例给出的控制器对系统状态发电机暂态电势Eq′的控制效果仿真图；图8是本专利技术具体实施例给出的控制器对系统状态水轮机水门开度μ的控制效果仿真图；图9是本专利技术具体实施例给出的控制器对系统状态水轮机机械功率Pm的控制效果仿真图；图10是DSP控制器的控制流程图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法，其特征在于，包括如下步骤:/n步骤SS1：采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；/n步骤SS2：选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；/n步骤SS3：根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式建立非最小相位子系统状态方程；/n步骤SS4：利用控制器实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。/n

【技术特征摘要】
1.非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤SS1：采集隐极水轮发电机的发电机转子角转速、水门开度、有压引水管道流量、发电机功角和发电机输出电磁功率；根据采集的数据建立隐极水轮发电机的水门与励磁联合调节系统的非线性数学模型；
步骤SS2：选择特定的坐标变换，将所述非线性数学模型进行精确状态反馈线性化，得到线性化后的标准型系统，所述标准型系统包括相对阶分别为一阶和三阶的两个子系统，并将零动态归入选定的一阶线性子系统进行调节；
步骤SS3：根据非最小相位三阶子系统系统控制器的一般形式建立非最小相位子系统状态方程；
步骤SS4：利用控制器实现水轮发电机组水门与励磁联合调节控制。


2.根据权利要求1所述的非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合调节方法，其特征在于，所述非线性数学模型包括：隐极发电机为三阶模型采用单机无穷大系统，水轮机部分为二阶系统，机组的动力模型为：



其中δ为发电机功角，ω为发电机转子角速度，Pm为水轮机输出机械功率，μ为水门开度，E′q为q轴暂态电势，系统控制输入为水门控制量u和励磁控制电压Vf；其他参数意义：ω0为同步角速度，VS为无穷大母线电压，D为发电机阻尼系数；H为发电机惯性常数，Tw为水击时间常数，Ts为伺服马达时间常数，μ0为水门初始位置，x′d为d轴暂态电抗；xd为d轴同步电抗；双回路运行时：xdΣ＝xd+xT+xL/2；x′dΣ＝x′d+xT+xL/2；xT为变压器电抗；xL为单条线路电抗；Td0为励磁绕组时间常数；xf故障接地小电抗，被控输出电磁功率为Pe，表达式如下：





3.根据权利要求2所述的非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合控制方法，其特征在于，所述步骤SS2具体包括：
选取如下坐标变换：



引入反馈控制律v＝[v1v2]T，将步骤SS1中的非线性控制系统化为如下标准型：



将零动态归入阶数为3的线性子系统，将系统变为两个子系统，分别表示如下:





4.根据权利要求3所述的非线性隐极水轮发电机水门与励磁联合控制方法，其特征在于，对于第二个三阶子系统其控制器的一般形式为：
v2＝-k1(δ-0.5)-k2(ω-1.0)-k3z23-k4(η-2.4)+vNL
其中，待定参数K＝[k1k2k3k4]为行增益向量用于调节子系统中线性部分，待定参数vNL是非线性补偿项。


5.根据权利要求4所述的非...

【专利技术属性】
技术研发人员：王万成，邱松，徐佼，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32