Pelton水轮机发电厂在功率调节过程中与调压水库级联时的稳定性分析及协调控制策略

《Energy》：Stability analysis and coordinated control strategy of Pelton turbine hydropower plants cascaded with regulating reservoir during power regulation

Pelton 水轮机调节水库 cascade 系统在功率优先控制下存在稳定性不足问题，通过建立稳定性分析模型揭示水力耦合机制，提出功率-水位协同控制策略并验证有效性，确定控制参数稳定域及整定公式。

　　
本论文聚焦于高水头峡谷地区梯级开发的 Pelton 水轮机调节水库电站（PHC-RR）的稳定性与协同控制问题，针对现有研究中存在的关键短板提出系统性解决方案。研究以中国特大型水电工程天坛河梯级电站为工程背景，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，揭示了 PHC-RR 系统特有的水力耦合机制，构建了涵盖多物理场耦合的稳定性分析框架，并创新性地提出功率-水位协同控制策略。

研究首先系统梳理了梯级电站控制策略的发展脉络。传统多水库梯级电站（HC-R）因调节水库容量较大，各电站可近似独立运行。此类系统的控制策略已形成完整理论体系，相关研究成果广泛应用于三峡梯级电站等工程。但针对高峡谷地区特有的 PHC-RR 系统，其调节水库容量有限，形成强水力耦合特征，导致传统控制策略存在显著局限性。通过对比分析 HC-R、Francis 水轮机调节水库梯级电站（FHC-RR）与 PHC-RR 的系统特性差异，发现后者存在单向水力传导特性，即上游电站的运行状态会通过调节水库形成单向影响下游电站的动态响应。这种非对称的耦合机制导致传统功率控制模式（PCM）难以实现稳定协同运行。

在稳定性机理研究方面，研究团队构建了包含水力-机械-电气多耦合的动态模型。通过建立调节水库水位波动与上下游电站功率调节的关联方程，揭示了 PHC-RR 系统特有的"功率调节-水位波动"正反馈机制。当两阶段电站均采用独立功率控制时，下游电站的功率调整会通过调节水库形成反向水力作用，导致上游电站的功率设定值与实际出力持续偏差。这种偏差在调节水库容量有限的情况下被放大，最终引发水位失控的连锁反应。研究通过天坛河工程实测数据验证了该机制的存在，发现当调节水库水位偏差超过安全阈值时，系统会出现功率振荡与水位超调的叠加效应，严重威胁电站安全运行。

针对上述问题，研究创新性地提出功率-水位协同控制（PWLC）策略。该策略的核心在于构建双向信息交互机制：在上游电站的功率控制回路中引入调节水库水位偏差反馈，同时在下调节水库与下游电站之间建立水位-功率关联控制模块。这种设计通过两个关键创新点解决了传统控制策略的缺陷：首先，建立"上游功率设定-水位偏差修正-下游功率响应"的递阶控制逻辑，将单向水力传导转化为双向信息交互；其次，开发基于调节水库水力特性解析的权重分配算法，确保水位控制与功率调节的动态平衡。

通过特征值分析法对控制系统的动态特性进行量化评估，发现引入水位反馈后系统的主导极点实部由负值变为正值，系统从非稳定状态转变为渐近稳定状态。数值模拟进一步证实，当调节水库水位波动幅度控制在±2%安全阈值内时，系统功率调节响应速度提升40%，水位波动幅度降低至0.5%以下。特别值得注意的是，通过优化控制参数的组合关系，可以实现对调节水库水位波动进行相位抵消，使水位超调量降低至传统控制方式的1/5。

在参数整定方面，研究建立了多维参数耦合的稳定性域模型。通过敏感性分析发现，控制参数 kp1（上游电站功率调节比例系数）和 ki1（上游电站积分增益系数）对系统稳定性具有决定性影响，其参数组合需满足 kp1/ki1 > 0.12 的稳定性约束条件。下游电站的 kp2 和 ki2 参数主要影响功率调节的精度，其取值范围需与上游参数形成动态补偿关系。研究提出的参数整定公式：ki3 = 0.08 * Hr / ΔHr（Hr为调节水库额定水位，ΔHr为安全水位波动阈值），经工程实例验证可将水位恢复时间缩短至传统控制方式的1/3。

研究结论对 PHC-RR 系统的工程实践具有重要指导意义：首先，明确传统功率控制模式在 PHC-RR 系统中的适用边界，发现当调节水库有效库容小于电站设计流量的15%时，PCM 控制策略将导致系统失稳；其次，建立包含水力时滞、机械惯性、电气负荷等多环节的协同控制模型，为高水头梯级电站的智能控制提供理论支撑；最后，提出基于动态权重分配的参数整定方法，该成果已成功应用于金沙江上游某 PHC-RR 电站的控制系统改造，实现年减少非计划停机时间约120小时，提升调节保证率至99.97%。

本研究的理论突破体现在三个方面：1）首次系统揭示 PHC-RR 系统中功率调节与水位控制的耦合作用机理；2）构建了包含水力-机械-电气多物理场耦合的动态稳定性分析框架；3）开发了具有自适应特性的参数整定方法，使控制参数的优化周期从传统方法的3-5天缩短至实时调整。这些成果不仅完善了高水头梯级电站的控制理论体系，更为西南地区峡谷流域的清洁能源开发提供了关键技术支撑。后续研究将重点拓展到多调节水库耦合系统、极端天气条件下的鲁棒性控制，以及数字孪生技术在 PHC-RR 系统中的应用。