《Water》：Operating-Condition-Dependent Feedforward Control Strategy for Primary Frequency Regulation of Hydropower Units
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在构建新型电力系统及可再生能源渗透率日益提高的背景下，水电机组越来越需要在宽范围运行（WRO）条件下运行。然而，在开度模式下，机组的一次调频（PFR）性能显著受水头和负荷波动的影响，存在无法满足电网考核要求的风险。为提升PFR性能，研究人员首先建立了用于PFR
在构建新型电力系统及可再生能源渗透率日益提高的背景下，水电机组越来越需要在宽范围运行（WRO）条件下运行。然而，在开度模式下，机组的一次调频（PFR）性能显著受水头和负荷波动的影响，存在无法满足电网考核要求的风险。为提升PFR性能，研究人员首先建立了用于PFR的水轮机调节系统（HTRS）非线性仿真模型，并在不同水头、负荷和频率偏差条件下进行了PFR性能的仿真分析。随后，基于仿真结果，提出了一种运行条件依赖的前馈–反馈控制策略。该策略利用BP神经网络（BPNN）建立水头–功率–开度（H-P-Y）映射关系，实时计算前馈开度指令，并将其与PID反馈校正叠加，形成总导叶开度（GVO）设定值。通过在70–100 m水头、10–90%Pr负荷和0.05–0.15 Hz频率偏差范围内的多工况仿真性能比较表明，所提策略确保所有选定的评估指标在所有测试工况下均满足PFR合规标准。本研究为提高开度模式下水电机组在WRO条件下的PFR性能提供了一条可行路径。
在当前新型电力系统建设与可再生能源渗透率持续提升的背景下，电网频率稳定性面临严峻挑战，水电机组凭借其快速响应、大调节容量与宽调节范围成为一次调频（PFR）的关键资源。然而，在开度控制模式下，传统的固定参数PID控制器基于频率偏差与导叶开度之间的线性假设，难以适应水头、负荷及频率偏差的宽范围变化，导致PFR性能在低水头、高水头、低负荷、高负荷及小频率偏差等工况下出现欠调或过调，无法满足电网考核要求。为克服这一局限性，研究人员在《Water》期刊上发表了本研究，旨在提出一种运行条件依赖的前馈–反馈复合控制策略，以提升水电机组在宽范围运行（WRO）条件下的PFR性能。该研究首先建立了一个包含调速器、伺服系统、水轮机非线性插值模型、基于特征线法（MOC）的管道模型及发电机转子方程的非线性仿真模型，准确模拟水力–机械耦合动态。在此基础上，提出了一种开度模式下以前馈为主、PID辅助校正的控制策略，利用BP神经网络（BPNN）拟合水头–功率–开度（H-P-Y）映射关系，根据实时水头和目标功率计算前馈开度指令，并与PID反馈校正叠加形成总导叶开度设定值。通过多工况仿真验证，所提策略在70–100 m水头、10–90%Pr负荷及0.05–0.15 Hz频率偏差范围内均能确保所有评估指标满足PFR合规标准，显著提升了机组的频率调节质量。该研究为开度模式下水电机组在宽范围运行中的PFR性能优化提供了可行路径。
### 关键技术方法
该研究采用的主要关键技术方法包括：（1）基于特征线法（MOC）的管道模型，用于精确模拟水锤效应；（2）BP神经网络（BPNN）用于拟合水头–功率–开度（H-P-Y）非线性映射关系，数据集来源于制造商提供的综合模型特性曲线，共约6534个样本，覆盖70–100 m水头、5–95%额定功率及0–30°导叶开度范围，按7:1.5:1.5划分训练集、验证集与测试集；（3）前馈–反馈复合控制架构，其中前馈通道由BPNN实时输出开度指令，反馈通道采用PID控制器进行误差校正；（4）多工况仿真验证，分别在MATLAB/Simulink环境中进行，固定步长0.02 s。未涉及试剂或具体培养操作，样本队列来源于制造商特性曲线数据。
### 研究结果
#### 4.2.1. 不同水头下的评估指标分析
通过选取70 m、84.4 m和100 m水头进行典型仿真，并与传统开度模式对比。结果表明，传统模式在70 m低水头下出现欠调，在100 m高水头下出现过调，均不满足PFR考核标准；而所提前馈策略通过实时补偿水头变化，在所有水头工况下均满足指标要求，其中在70 m低水头下响应时间比（RTR）最大降低33.29%，延迟时间比（DTR）最大降低54.44%，综合电能比（IER）最大提升27.54%。
#### 4.2.2. 不同初始负荷下的评估指标分析
选取10%Pr、50%Pr和90%Pr负荷进行典型仿真。传统模式在10%Pr低负荷和90%Pr高负荷下均出现欠调，RTR指标不达标；前馈策略通过实时补偿负荷变化，在所有负荷工况下均满足标准，在10%Pr低负荷下RTR最大降低61.9%，IER最大提升30.99%；在90%Pr高负荷下RTR最大降低34.29%，IER最大提升86.96%。
#### 4.2.3. 不同频率偏差下的评估指标分析
选取±0.05 Hz、±0.1 Hz和±0.15 Hz频率偏差进行典型仿真。传统模式在0.05 Hz小频率偏差下出现严重欠响应，RTR和IER均不达标；前馈策略通过实时补偿频率偏差变化，在所有频率偏差工况下均满足标准，在0.05 Hz下RTR最大降低57.14%，DTR最大降低59%，IER最大提升165.71%。
### 讨论总结与结论翻译
讨论部分指出，本研究的主要贡献在于构建了水电机组PFR非线性仿真模型，提出了运行条件依赖的前馈控制策略，并从控制机理上分析了该策略与增益调度PID、模糊PID等纯反馈方案的本质区别——前馈通道可预先补偿水轮机的静态H-P-Y非线性，而PID仅补偿残余误差，因此具有降低响应延迟的理论优势。同时，与查表插值相比，BPNN实现全局光滑拟合且泛化能力更好，存储需求更小。研究也存在局限性，包括未详细考虑发电机励磁系统与电网侧复杂电气动态因素、前馈控制依赖精确H-P-Y特性曲线（实际运行中可能因水头、负荷动态变化产生偏差）、尚未进行严格的稳定性分析等。未来工作将整合细化电气子系统模型、引入前馈指令在线校正机制，并开展基于小信号线性化的理论稳定性分析。
结论部分翻译如下：为解决开度模式下水电机组在全工况范围内一次调频适应性不足的问题，本研究建立了涵盖调速器、伺服系统、水轮机、管道和发电机的非线性水电机组PFR系统仿真模型。在此基础上，提出了一种以前馈调节为主、PID辅助校正为特征的运行条件依赖的前馈控制策略。仿真结果表明，在70 m至100 m的整个水头范围、10%Pr至90%Pr的整个负荷范围以及0.05 Hz至0.15 Hz的全部频率偏差扰动范围内，所提策略确保包括响应时间比和综合电能比在内的四个核心评估指标完全满足PFR合规标准，从而显著提升了机组在宽范围运行条件下的频率调节质量。未来工作将进一步整合细化电气子系统模型，引入前馈指令在线校正机制，并开展严格的理论稳定性分析，以增强该策略在复杂实际运行条件下的鲁棒性和工程适用性。
