前 言隨著我國能源結(jié)構(gòu)改革的不斷深入，抽水蓄能電站作為可再生能源的儲(chǔ)能技術(shù)以及有效地電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻工具，得到了快速發(fā)展與大規(guī)模建設(shè)。抽水蓄能機(jī)組的復(fù)雜輸水管道布置、可逆式的運(yùn)行方式、頻繁的工況轉(zhuǎn)換以及水泵水輪機(jī)固有的S區(qū)域與駝峰區(qū)域，使得機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)呈現(xiàn)時(shí)變、非小相位、復(fù)雜非線性以及水-機(jī)-電強(qiáng)耦合等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)不僅給機(jī)組調(diào)節(jié)、電站穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的困難，且安全問題日益凸顯，給機(jī)組的安全、穩(wěn)定與高效運(yùn)行帶來了一系列亟待解決的科學(xué)前沿問題和工程技術(shù)難題。進(jìn)一步，大規(guī)模間歇性可再生能源接入電網(wǎng)以及電網(wǎng)負(fù)荷的劇烈波動(dòng)，使得機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制與優(yōu)化運(yùn)行呈現(xiàn)高度復(fù)雜特性，亟需開展抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)先進(jìn)控制策略與優(yōu)化運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)的研究。本書以建立抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)精細(xì)化模型、探索適用于過程實(shí)際應(yīng)用的先進(jìn)智能控制策略為目標(biāo)，系統(tǒng)的開展了調(diào)速系統(tǒng)建模、動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律分析及參數(shù)辨識(shí)研究，構(gòu)建了調(diào)速系統(tǒng)線性模型與非線性模型參數(shù)辨識(shí)的方法體系；進(jìn)一步，針對(duì)抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)傳統(tǒng)控制策略在處理極端工況條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行的不足，深入研究了新型控制策略與導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律多目標(biāo)優(yōu)化方法。本書可供水利工程專業(yè)師生，了解抽水蓄能機(jī)組建模與優(yōu)化控制的一般方法，同時(shí)提供先進(jìn)控制模型的建模思路和優(yōu)化方法。全書分為6章。第1章為緒論部分，介紹了本書研究的背景與意義，闡述了抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行的特點(diǎn)與問題，重點(diǎn)論述了抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)辨識(shí)理論與研究現(xiàn)狀，分析了抽水蓄能機(jī)組控制優(yōu)化的特點(diǎn)與研究現(xiàn)狀。第2章為抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)建模及非線性動(dòng)力學(xué)分析。闡述并建立了抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，分別建立了調(diào)速系統(tǒng)線性模型、非線性模型以及數(shù)值計(jì)算模型；引入非線性動(dòng)力學(xué)分析方法，刻畫了調(diào)速系統(tǒng)過渡過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，探明了水泵水輪機(jī)S特性對(duì)于機(jī)組轉(zhuǎn)速振蕩的影響，揭示了機(jī)組運(yùn)行在S特性區(qū)域的非線性動(dòng)力學(xué)行為及其動(dòng)力災(zāi)變演化規(guī)律，為控制策略優(yōu)化研究提供了理論依據(jù)。第3章為抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)。針對(duì)抽水蓄能機(jī)組自身的運(yùn)行特性引起的參數(shù)辨識(shí)難題，研究了智能優(yōu)化算法的非線性辨識(shí)理論，引入引力搜索方法并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，構(gòu)建了基于改進(jìn)引力搜索算法的自適應(yīng)一體化參數(shù)辨識(shí)模型；進(jìn)一步，為克服神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)對(duì)于樣本數(shù)據(jù)的依賴性以及對(duì)白箱辨識(shí)的不適用性，提出了一種基于調(diào)速系統(tǒng)白箱線性模型映射的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)辨識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型的精確參數(shù)辨識(shí)。第4章為抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化。針對(duì)水泵水輪機(jī)S特性區(qū)域引起的系統(tǒng)在低水頭空載工況運(yùn)行不穩(wěn)定問題，結(jié)合分?jǐn)?shù)階微積分思想與智能控制理論，構(gòu)建了包含調(diào)速系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PID控制器與模糊分?jǐn)?shù)階PID控制器的控制策略體系，并分別引入多場景分析和改進(jìn)GSA算法對(duì)控制器進(jìn)行性能分析與參數(shù)優(yōu)化，有效提高了機(jī)組運(yùn)行在低水頭空載工況系統(tǒng)的控制品質(zhì)。第5章為復(fù)雜工況下抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律多目標(biāo)優(yōu)化。基于抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化的研究基礎(chǔ)，分析了一管-雙機(jī)抽水蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)速上升與水擊壓力上升的多目標(biāo)優(yōu)化屬性，引入水力單元調(diào)保計(jì)算安全閾值邊界和調(diào)速器油速等多重約束因素，構(gòu)建了考慮多重約束條件的機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律多目標(biāo)優(yōu)化模型，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的高效求解，結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化理論與本書提出的改進(jìn)引力搜索算法，進(jìn)一步提出了改進(jìn)多目標(biāo)引力搜索算法，快速制定了滿足控制要求的關(guān)閉規(guī)律非支配方案集，為機(jī)組的安全、優(yōu)化運(yùn)行提供了科學(xué)的決策支持。第6章為總結(jié)及展望。對(duì)本書的研究內(nèi)容以及創(chuàng)新性成果進(jìn)行總結(jié)歸納，并對(duì)抽水蓄能機(jī)組優(yōu)化控制與運(yùn)行領(lǐng)域下一階段的研究方向進(jìn)行了展望。本書作者許顏賀博士與周建中教授所在團(tuán)隊(duì)長期從事水電機(jī)組非線性建模、系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、控制優(yōu)化、故障診斷以及狀態(tài)評(píng)估理論、模型、算法及應(yīng)用研究。團(tuán)隊(duì)主持承擔(dān)了多項(xiàng)關(guān)系到我國重大決策的流域水利水電工程運(yùn)行、控制、仿真與診斷研究中的關(guān)鍵技術(shù)與重大科學(xué)問題的科研任務(wù)，一批成果在全國重大水利樞紐工程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，具有協(xié)同解決重大、綜合性關(guān)鍵問題的能力，眾多研究企及國際學(xué)術(shù)前沿水平，研究成果在學(xué)術(shù)界具有重要影響，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。與本書研究內(nèi)容密切相關(guān)的成果獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、發(fā)明專利14項(xiàng)、軟件著作權(quán)2項(xiàng)，出版專著2部、發(fā)表高水平論文200多篇。書稿在周建中教授指導(dǎo)許顏賀博士的博士論文基礎(chǔ)上編寫完成，但由于水平有限，時(shí)間緊張，書中難免出現(xiàn)疏漏，希望讀者提出寶貴意見，以便再版時(shí)修改和完善，甚為感謝。 作者 2018年4月