基于遺傳算法的雙向潮汐發電水輪機組的性能控制研究

魏長寶，田進華

?

基于遺傳算法的雙向潮汐發電水輪機組的性能控制研究

魏長寶，田進華

（黃淮學院信息工程學院，河南駐馬店463000）

潮汐發電具有許多優點，因此具有較為廣闊的發展前景，為了有效地控制雙向潮汐發電水輪機組的性能，保證潮汐發電站的穩定運行，深入地研究了遺傳算法在其中的應用。首先，分析了雙向潮汐水輪發電機組的工作原理；其次，進行了模糊PID控制系統的設計；然后，設計了用于模糊PID控制器參數優化的遺傳算法流程；最后，進行仿真分析，仿真結果表明該方法能夠獲得較好的控制效果。

潮汐發電；水輪機組；遺傳算法；控制

0 前言

地球表面海洋面積占71%的比例，蘊藏著較大的能量，其中潮汐發電是最有發展前景的發電方式。潮汐能屬于清潔可再生能源，具有較大的開發前景，同時儲量也比較大，因此，可以作為能源的補充。潮汐發電具有許多優點，例如，節約傳統能源、保護環境、優化能源結構等。

潮汐發電水輪機組的性能與內部流體的流動狀態以及水輪機組自身的動力特性密切相關，在漲潮和落潮的影響下，潮汐發電水輪機組應該經歷正向和反向的發電、吸水和放水，有雙向的開機和停機，甩負荷以及負荷調節等運行模型，在工作過程中，潮汐水輪發電機必須經歷非常頻繁的工況轉換，因此，內部介質的流動規律非常復雜，動力特性也非常復雜。因此，應該對雙向潮汐發電水輪機組進行有效地調節，保證潮汐發電的正常運行[1]。

雙向潮汐水輪發電機組的控制屬于一個復雜過程，涉及了機、電和水三個方面，利用傳統的PID控制算法存在控制精度低的缺陷。PID控制已經得到了普遍的認可，該控制方法具有許多優點，例如，可靠性高和可行性強等。但是PID控制算法調參比較困難，這也是導致控制精度低的主要原因，因此，可以將模糊理論和PID控制技術融合起來形成模糊PID控制器，從而能夠提高雙向潮汐水輪發電機組的工作穩定性，進而能夠彌補傳統PID控制器的缺陷，為了提高模糊PID控制器的控制效果，可以選擇一種行之有效的算法對其進行控制[2]。遺傳算法屬于一種仿生算法，模擬生物的進化過程，其理論依據就是“優勝劣汰”，具有許多優點，例如，能夠通過并行計算來實現，能夠獲得全局收斂、可以采用編碼的方式操作等。

1 雙向潮汐水輪發電機組的工作原理

潮汐電站采取了單庫雙向的開發方式，水輪發電機組能夠實現正向和反向的發電過程，正向發電是指水流通過水庫流至海洋進行發電；反向發電是指海洋流動到水庫的過程中進行發電。雙向潮汐發電水輪機組受到漲朝和落朝的影響，水流動的雙向流動使水輪發電機組有許多工況，并且工況轉換比較頻繁。潮汐電站的整個調度期間，包括多種動態因素，例如，正向和反向發電、正向和反向抽水、漲潮和落潮等，潮汐發電水輪機組的工作次序為：正向發電-正向放水-水輪機組關閉-反向發電-反向放水-水輪機組關閉，并且按照這個順序循環進行[3]。

全貫流式水輪機組是潮汐發電站的主要組成部分。發電機放置在水輪機的流道外，水輪機通道以直線的的方式布置，水流可以看成軸向流動，導葉前中心軸的直徑較小，軸面水流的流速分布較為均勻，產生的摩擦損失和二次流損失較少。全貫流式水輪發電機組的效率適中，主要受到尾水支架的影響。全貫流式水輪發電機組的過水能力較高。該類型的水輪發電機組具有如下的特點：結構比較緊湊，轉動慣量較大，能夠確保水輪發電機組的穩定運行，水輪發電機轉輪的輪緣位置空間較的大，有利于放置發電機。導水機構控制環上安裝了重錘，可以根據正常狀態和事故情況下夠可以順利關閉導葉確定重錘的質量，通過接力器的油壓使導葉開啟。由于全貫流式水輪發電機組的外緣重量比較大，轉動慣量也比較大，因此發電機組的工作穩定性比較好。為了能夠提高雙向潮汐發電水輪機組的工作效率，將模糊PID控制器應用于其控制之中。

2 模糊PID控制系統的設計

模糊PID控制系統包括兩個重要組成部分，分別為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。隨著模糊控制器維數的增加，模糊PID控制器的控制精度越高，取得的控制效果越好，但是，維數過多，模糊控制規則的復雜程度也隨之增加，從而使模糊PID控制的實現難度加大。

圖1 雙向潮汐發電水輪機組的PID控制系統示意圖

模糊子集論域分別為：

表1 模糊控制規則

表2 模糊控制規則

表3 模糊控制規則

為了能夠提高雙向潮汐發電水輪機組的控制精度，將引入遺傳算法。

3 遺傳算法的基本流程

為了能夠提高遺傳算法的有效性，將具有自適應性的混沌理論融合到其中，能夠優化算法，遺傳算法的基本流程如下所示[5]：

（2）利用輪盤賭的方式確定三個種群的欲處理的個體；

（5）確定不同輔助種群的最佳個體，利用輔助種群的最佳個體替換主種群的最劣個體；

（6）如果迭代次數沒有達到設置的迭代次數，執行步驟（2），反之，算法結束，將最終的主種群最優解輸出。

4 控制仿真分析

以某雙向潮汐發電水輪發電機組為研究對象，利用基于遺傳算法優化的模糊PID控制系統對其進行控制仿真研究。雙向發電水輪發電機組的基本參數設置如下：轉輪的直徑為2.5m，水輪機組的功率為550kW，水頭范圍為0.9~5.0m，正向的設計水頭為2.5m，反向的設計水頭為3.0m，水輪機組的正向設計流量為28m3/s，反向設計流量為23m3/s。

遺傳算法的參數設置如下：種群規模取為50，最大迭代次數為120。分別利用模糊PID控制器和基于遺傳算法優化的模糊PID控制器對水輪發電機組進行控制仿真，仿真結果如圖2所示。

圖2 雙向潮汐發電水輪機組控制仿真曲線

從圖2可以看出，利用基于遺傳算法優化的模糊PID控制器相對模糊PID控制器可以獲得更好的控制效率，控制過程中的超調量較小，控制系統的響應時間較少，從而能夠提高雙向潮汐發電水輪機械的工作穩定性，提高水輪機組的正反向工作效率。利用兩種控制器獲得的控制效果見表4。

表4 不同控制器的控制效果對比

從表4可以看出，利用基于遺傳算法的模糊PID控制器可以提高雙向潮汐發電水輪機組的正向和反向發電效率，從而能夠極大地提高潮汐能的有效利用率。

5 結論

雙向潮汐發電是能源利用的重要方式，提高雙向潮汐發電水輪機組的發電效率，降低雙向潮汐發電站的運營能夠提高其經濟效益，具有非常重要的意義。對雙向潮汐發電水輪機組進行性能控制是保證潮汐發電站穩定運行的關鍵所在。將遺傳算法應用于模糊PID控制器參數優化之中，有效地提高了水輪機組控制的穩定性，經過仿真試驗發現了該控制系統能夠提高雙向潮汐發電水輪機組的動態特性。

[1] 汪旎, 劉輝, 陳武暉. 水輪發電機組勵磁與水門協調控制設計[J]. 電工技術學報, 2013, 28(7): 262-268.

[2] 顧艷, 鄒德虎. 基于Terminal滑模控制的水輪發電機組調速系統[J]. 電源技術, 2013, 37(10): 1840-1842.

[3] 鄭少明, 王鵬, 梅生偉. 大型水輪發電機組水門開度控制零動態設計方法[J]. 電力系統自動化, 2008, 32(22): 21-25.

[4] 龍軍, 秦雅. 基于模糊理論和遺傳算法的梯級水電站短期優化調度[J]．廣西大學學報：自然科學版, 201l, 36(2): 314-319.

[5] 王曉偉, 劉林, 周謐. 蟻群遺傳算法在一維下料問題中的應用[J]．微型機與應用, 2012, 31(6): 66-71.

[6] 李超順, 周建中, 雷慧, 等. 基于Hartley變換的水輪機調速器參數辨識[J]．大電機技術, 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

A

1000-3983(2013)06-0077-04

2014-01-20

河南省科技攻關計劃項目（122102210510）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（14B520036）

魏長寶（1972-），男，漢族，河南人，碩士，副教授，主要研究：數據應用與信息處理技術等。

審稿人：樸秀日