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水 利 学 报

２０２４年 ５月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ５期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０５ － ０６１９ － １２

孤网模式下水轮机调速系统广义预测控制应用方法

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陈金保 １，２ ，刘少华 ，陈 上 ，邹屹东 １，２ ，郑 阳 １，２ ，肖志怀 １，２
（１．武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉 ４３００７２；２．武汉大学 水力机械过渡过程教育部重点实验室，湖北 武汉 ４３００７２；
３．南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 ２１００００；４．中国长江电力股份有限公司三峡电厂，湖北 宜昌 ４４３０００）

摘要：针对孤网模式下水电机组 ＰＩＤ控制策略鲁棒性差的缺点，提出基于双模型、实时反馈线性化、非线性特性
补偿器和广义预测控制器的自适应广义预测控制策略（ ＡｄａｐｔｉｖｅＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌ，ＡＧＰＣ），以实现对
水电站全工况实时最优控制。首先基于 ＢＰ神经网络和改进樽海鞘算法构建高精度非线 性 水 轮 机 模 型，并 结 合
ＰＩＤ控制器、引水系统、随动系统、发电机等模块搭建非线性水轮机调节系统仿真平台，然后通过定量计算揭示
广义预测控制器直接应用于非线性水轮机调节系统的不合理性。进一步，结合实时反馈线性化和基于预估控制信号
设计的水轮机非线性特性补偿器，提出孤网模式下广义预测控制器在水电站应用策略。最后，搭建了基于 ＡＧＰＣ的
非线性水轮机调节系统仿真平台，并以某电站真实数据验证了所提控制策略适用性、可靠性以及优良的鲁棒性。
关键词：广义预测控制；水电机组；反馈线性化；双模型；非线性特性补偿器
中图分类号：ＴＶ７３；ＴＭ６２２
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０５７３

１ 研究背景

随着大规模风电、光伏等新能源接入，电力系统互联规模逐渐增大、运行控制日趋复杂 ［１］ 。在电
力系统发生故障时，为确保重要负荷的持续供电，大电网将被划分为多个小型独立运行的电网 ［２］ 。作
为一种高度灵活的优质能源，水电机组将根据需要由功率运行模式切换为孤网运行模式，即从功率控
制转换为频率控制（ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌＭｏｄｅ，ＦＣＭ）。孤网模式下，确保频率稳定成为水电机组首要任
务。ＰＩＤ控制器具有参数易调节、结构简单等优点，是水电站普遍采用的控制方式。但水电机组具有
强非线性、非最小相位特性，导致系统在不同水头和负荷下稳定性不同 ［１］ 。即，固定 ＰＩＤ参数无法根
据机组运行工况自适应调整，在某些工况下可能会导致调节品质恶化，甚至造成机组振荡、解列等严
重问题。
为保证水轮机调节系统（ ＨＴＲＳ）安全性、稳定性，一些学者应用智能优化算法对 ＰＩＤ参数进行优
化。文献［３］基于生物地理学算法对水电机组某工况下 ＰＩＤ参数进行优化，提高了该工况下控制器的
调节品质。文献［４］采用多目标引力搜索算法对目标函数进行求解，并对非支配解集进行优选，得出
水电机组在一次调频工况下最优运行参数。仿真结果表明，所得最优解有效提升调速系统在超低频段
的阻尼水平，有利于抑制超低频振荡。文献［ ５］采用改进的引力搜索算法（ＧＳＡ）优化控制器参数，提
高了水轮机调节系统低水头工况下一次调频动态响应特性。这些 ＰＩＤ参数优化工作虽能满足特定工况
下调节要求，但对其它工况考虑不足。需要注意的是，若以全工况下 ＨＴＲＳ安全稳定运行为目标，会

收稿日期：２０２３ － ０９ － １８；网络首发日期：２０２４ － ０４ － １２
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０４１１．１７３１．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１９７９２０４，５１３７９１６０）；湖北省自然科学基金项目（２０２２ＣＦＤ１６５）；中央高校基本科研业务费专
项（ ２０４２０２２ｋｆ１０２２）
作者简介：陈金保（ １９９２ － ），博士生，主要从事水电机组多维度建模与优化控制研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｊｉｎｂａｏｖｉｐ＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：肖志怀（１９６８ － ），教授，博士生导师，主要从事水电机组状态监测、故障诊断、精细化建模及优化控制研究。Ｅ － ｍａｉｌ：
ｘｉａｏｚｈｉｈｕａｉ＠１２６．ｃｏｍ

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