基于遗传算法的双向潮汐发电水轮机组的性能控制研究

2014-10-26魏长宝田进华

大电机技术 2014年6期

魏长宝，田进华

魏长宝，田进华

（黄淮学院信息工程学院，河南驻马店463000）

潮汐发电具有许多优点，因此具有较为广阔的发展前景，为了有效地控制双向潮汐发电水轮机组的性能，保证潮汐发电站的稳定运行，深入地研究了遗传算法在其中的应用。首先，分析了双向潮汐水轮发电机组的工作原理；其次，进行了模糊PID控制系统的设计；然后，设计了用于模糊PID控制器参数优化的遗传算法流程；最后，进行仿真分析，仿真结果表明该方法能够获得较好的控制效果。

潮汐发电；水轮机组；遗传算法；控制

0 前言

地球表面海洋面积占71%的比例，蕴藏着较大的能量，其中潮汐发电是最有发展前景的发电方式。潮汐能属于清洁可再生能源，具有较大的开发前景，同时储量也比较大，因此，可以作为能源的补充。潮汐发电具有许多优点，例如，节约传统能源、保护环境、优化能源结构等。

潮汐发电水轮机组的性能与内部流体的流动状态以及水轮机组自身的动力特性密切相关，在涨潮和落潮的影响下，潮汐发电水轮机组应该经历正向和反向的发电、吸水和放水，有双向的开机和停机，甩负荷以及负荷调节等运行模型，在工作过程中，潮汐水轮发电机必须经历非常频繁的工况转换，因此，内部介质的流动规律非常复杂，动力特性也非常复杂。因此，应该对双向潮汐发电水轮机组进行有效地调节，保证潮汐发电的正常运行[1]。

双向潮汐水轮发电机组的控制属于一个复杂过程，涉及了机、电和水三个方面，利用传统的PID控制算法存在控制精度低的缺陷。PID控制已经得到了普遍的认可，该控制方法具有许多优点，例如，可靠性高和可行性强等。但是PID控制算法调参比较困难，这也是导致控制精度低的主要原因，因此，可以将模糊理论和PID控制技术融合起来形成模糊PID控制器，从而能够提高双向潮汐水轮发电机组的工作稳定性，进而能够弥补传统PID控制器的缺陷，为了提高模糊PID控制器的控制效果，可以选择一种行之有效的算法对其进行控制[2]。遗传算法属于一种仿生算法，模拟生物的进化过程，其理论依据就是“优胜劣汰”，具有许多优点，例如，能够通过并行计算来实现，能够获得全局收敛、可以采用编码的方式操作等。

1 双向潮汐水轮发电机组的工作原理

潮汐电站采取了单库双向的开发方式，水轮发电机组能够实现正向和反向的发电过程，正向发电是指水流通过水库流至海洋进行发电；反向发电是指海洋流动到水库的过程中进行发电。双向潮汐发电水轮机组受到涨朝和落朝的影响，水流动的双向流动使水轮发电机组有许多工况，并且工况转换比较频繁。潮汐电站的整个调度期间，包括多种动态因素，例如，正向和反向发电、正向和反向抽水、涨潮和落潮等，潮汐发电水轮机组的工作次序为：正向发电-正向放水-水轮机组关闭-反向发电-反向放水-水轮机组关闭，并且按照这个顺序循环进行[3]。

全贯流式水轮机组是潮汐发电站的主要组成部分。发电机放置在水轮机的流道外，水轮机通道以直线的的方式布置，水流可以看成轴向流动，导叶前中心轴的直径较小，轴面水流的流速分布较为均匀，产生的摩擦损失和二次流损失较少。全贯流式水轮发电机组的效率适中，主要受到尾水支架的影响。全贯流式水轮发电机组的过水能力较高。该类型的水轮发电机组具有如下的特点：结构比较紧凑，转动惯量较大，能够确保水轮发电机组的稳定运行，水轮发电机转轮的轮缘位置空间较的大，有利于放置发电机。导水机构控制环上安装了重锤，可以根据正常状态和事故情况下够可以顺利关闭导叶确定重锤的质量，通过接力器的油压使导叶开启。由于全贯流式水轮发电机组的外缘重量比较大，转动惯量也比较大，因此发电机组的工作稳定性比较好。为了能够提高双向潮汐发电水轮机组的工作效率，将模糊PID控制器应用于其控制之中。

2 模糊PID控制系统的设计

模糊PID控制系统包括两个重要组成部分，分别为PID控制器和模糊控制器，模糊控制器是模糊PID控制器的核心。随着模糊控制器维数的增加，模糊PID控制器的控制精度越高，取得的控制效果越好，但是，维数过多，模糊控制规则的复杂程度也随之增加，从而使模糊PID控制的实现难度加大。

图1 双向潮汐发电水轮机组的PID控制系统示意图

模糊子集论域分别为：

表1 模糊控制规则

表2 模糊控制规则

表3 模糊控制规则

为了能够提高双向潮汐发电水轮机组的控制精度，将引入遗传算法。

3 遗传算法的基本流程

为了能够提高遗传算法的有效性，将具有自适应性的混沌理论融合到其中，能够优化算法，遗传算法的基本流程如下所示[5]：

（2）利用轮盘赌的方式确定三个种群的欲处理的个体；

（5）确定不同辅助种群的最佳个体，利用辅助种群的最佳个体替换主种群的最劣个体；

（6）如果迭代次数没有达到设置的迭代次数，执行步骤（2），反之，算法结束，将最终的主种群最优解输出。

4 控制仿真分析

以某双向潮汐发电水轮发电机组为研究对象，利用基于遗传算法优化的模糊PID控制系统对其进行控制仿真研究。双向发电水轮发电机组的基本参数设置如下：转轮的直径为2.5m，水轮机组的功率为550kW，水头范围为0.9~5.0m，正向的设计水头为2.5m，反向的设计水头为3.0m，水轮机组的正向设计流量为28m3/s，反向设计流量为23m3/s。

遗传算法的参数设置如下：种群规模取为50，最大迭代次数为120。分别利用模糊PID控制器和基于遗传算法优化的模糊PID控制器对水轮发电机组进行控制仿真，仿真结果如图2所示。

图2 双向潮汐发电水轮机组控制仿真曲线

从图2可以看出，利用基于遗传算法优化的模糊PID控制器相对模糊PID控制器可以获得更好的控制效率，控制过程中的超调量较小，控制系统的响应时间较少，从而能够提高双向潮汐发电水轮机械的工作稳定性，提高水轮机组的正反向工作效率。利用两种控制器获得的控制效果见表4。

表4 不同控制器的控制效果对比

从表4可以看出，利用基于遗传算法的模糊PID控制器可以提高双向潮汐发电水轮机组的正向和反向发电效率，从而能够极大地提高潮汐能的有效利用率。

5 结论

双向潮汐发电是能源利用的重要方式，提高双向潮汐发电水轮机组的发电效率，降低双向潮汐发电站的运营能够提高其经济效益，具有非常重要的意义。对双向潮汐发电水轮机组进行性能控制是保证潮汐发电站稳定运行的关键所在。将遗传算法应用于模糊PID控制器参数优化之中，有效地提高了水轮机组控制的稳定性，经过仿真试验发现了该控制系统能够提高双向潮汐发电水轮机组的动态特性。

[1] 汪旎, 刘辉, 陈武晖. 水轮发电机组励磁与水门协调控制设计[J]. 电工技术学报, 2013, 28(7): 262-268.

[2] 顾艳, 邹德虎. 基于Terminal滑模控制的水轮发电机组调速系统[J]. 电源技术, 2013, 37(10): 1840-1842.

[3] 郑少明, 王鹏, 梅生伟. 大型水轮发电机组水门开度控制零动态设计方法[J]. 电力系统自动化, 2008, 32(22): 21-25.

[4] 龙军, 秦雅. 基于模糊理论和遗传算法的梯级水电站短期优化调度[J]．广西大学学报：自然科学版, 201l, 36(2): 314-319.

[5] 王晓伟, 刘林, 周谧. 蚁群遗传算法在一维下料问题中的应用[J]．微型机与应用, 2012, 31(6): 66-71.

[6] 李超顺, 周建中, 雷慧, 等. 基于Hartley变换的水轮机调速器参数辨识[J]．大电机技术, 2009(3)：57-61．

Study on Performance Control of Bidirectional Tidal Hydroelectric Generating Units Based on Genetic Algorithm

WEI Changbao, TIAN jinhua

(Information Engineering College of Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

Tidal power has some advantages, therefore it has a wide developing view, in order to control bidirectional tidal hydroelectric generating units, and ensure stable operation of tidal generator, and the application of genetic algorithm is applied in it is studied in depth. Firstly, the working theory of bidirectional tidal generating units is studied. Secondly, the fuzzy PID controlling system is designed. Then the procedure of genetic algorithm for optimizing the parameters of fuzzy PID controller is designed. Finally, the simulation is carried out, and results show that this method can obtain better controlling effect.

tidal power; hydroelectric generating units; genetic algorithm; control

TK730.4+1

1000-3983(2013)06-0077-04

2014-01-20

河南省科技攻关计划项目（122102210510）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（14B520036）

魏长宝（1972-），男，汉族，河南人，硕士，副教授，主要研究：数据应用与信息处理技术等。