近半个世纪以来.doc

近半个世纪以来，同步发电机励磁控制一直是学术界关注和研究的热点，仅国内学者在这一领域所发表的研究论文已有数百篇之多。几乎所有先进控制理论，如线性最优、非线性最优、鲁棒控制、人工智能等，都被引人到励磁控制的研究中。任何一种新近提出的控制算法，都在某一些方面取得了进展和突破，这为实际系统励磁控制水平的提高积累了较多资料，也为稳定控制研究的继续深人提供了理论准备。但是，应该看到，励磁控制的目标是多重的，而不是单一的不同发电机的励磁调节回路之间又是藕合的、交互影响的，电力系统的高维、非线性特点更增加了控制的复杂性。因此，励磁控制至今还是一个挑战性的难题。虽然学术界已经取得了一定成果，但是，实际电力系统中大量运行的仍然是传统AVR+PSS，所占比例高居以98%上。可见，励磁调节在控制算法层次上的应用水平并没有实质性提高。在“西电东送”和“全国互联”的推进中，大区电网的低频振荡现象时有发生，虽未形成灾难事故，但其潜伏的隐患令人担忧，很多棘手的问题有待解决。众多学者也因此而对励磁控制更加关注。很多同行已经认识到这一事实截止目前，没有任何一种励磁规律能够圆满解决电力大系统的稳定控制问题，励磁控制的研究仍然任重道远。大型同步发电机励磁控制研究长期以来是一个非常活跃的领域，成为各种控制理论和方法的“试金石”，经过多年的探索，在理论和实践上，都已取得了丰硕的成果；而在目前和将来，随着电网规模的不断扩大及其对安全稳定性水平要求的提高，以及控制理论的推陈出新，这一领域的研究将继续深入发展。作者认为，在当前，应该对此进行一些实事求是和“承上启下”的分析和小结，以明确:哪些问题已得到了比较圆满的解决，不需要再花精力去研究了；哪些关键问题还没有得到满意的解答，是今后研究的着力点；哪些问题仍然模糊不清，亟待明确；而哪些问题乃细枝末节，不必沉溺于其中等等，将是大有裨益的事。诚然，想完成这件有益的事并非一两个研究组发表一两篇文章所能胜任的。需要不同学派同仁各抒己见、集思广益，方能奏效。文章尝试对大型发电机组励磁控制发展的历史和现状作一简要概括，并从工程角度对已经比较好地解决了的问题、尚存在的问题以及未来大致走向发表拙见。“疑义相与析”，仅供广大电力科研人员特别是长期从事励磁控制研究的学者参考。1主题描述现代大型同步发电机励磁控制的主要目标包括:高精度的电压调节功能；机组无功功率分配功能；提供适当的人工阻尼和提高系统稳定性和传输功率的功能，其中稳定性主要指功角稳定性(包括静态、暂态和动态稳定性)和电压稳定性。励磁控制设计需要解决的关键问题有；1)为简化控制器设计所需的多机系统降阶动态等值问题；2)控制规律构造问题；3)系统非线性问题包括可微非线性和不可微强非线性(如控制限幅)的处理及机端电压的处理问题；4)多机或多子系统间关联的处理，即分散与解耦控制问题；5)多控制目标的协调问题；6)励磁控制器之间及其与别的控制手段的协调问题；7)系统不确定性问题；8)适应性问题，励磁控制器对不同运行点、运行方式和扰动模式的适应能力和优化程度；9)控制系统的特性分析，包括闭环系统的稳定性、鲁棒性等。2历史与现状下面以励磁控制所基于的设计模型为线索简单概括一下对该问题研究的历史与现状。2.1线性传递函数数学模型上的单变量设计20世纪50年代出现的自动电压调节器(AVR)即是体现了这一设计理论的励磁控制方式，它采用机端电压偏差作为反馈量进行比例(P)或比例2积分2微分(PID)调节。运用古典控制理论中频率响应法或根轨迹法来确定控制器参数。AVR式励磁控制器的基本功能是电压调节和无功功率分配，对提高静稳和暂稳也有明显作用。前苏联学者所创造的强力式励磁调节器可谓集这一方法之大成，但由于其设计上的明显不便，所以虽曾一度成为热点，却并未在国外引起效尤。2.2线性传递函数数学模型上的多变量设计为了改善AVR式励磁控制器在调节精度和稳定性间的矛盾以及在提供人工阻尼方面的不足，美国学者F.D.Demello和C.Concordia于1969年提出了电力系统稳定器(PSS)的辅助励磁控制策略，从而形成了“AVR+PSS”结构的励磁控制器，成为这一时期的杰作。它在北美被广泛采用，国内也得到推广。最初的PSS采用机组转速或角频率作为反馈量，是一种针对特定网络模型和振荡频率区间设计的单输入、定参数和线性控制规律，适应能力差。为提高其鲁棒性和适应能力，许多学者提出了大量的鲁棒和或自适应设计方法，这方面的研究至今仍在继续。同时，PSS最初的单变量设计情况也很快被打破，出现了双变量反馈的PSS。2.3线性状态空间模型上的多变量优化设计20世纪60年代末，现代控制理论的发展和逐渐成熟，为电力系统多变量控制开拓了新的有效途径。国际上，余耀南教授率先开展了电力系统多变量控制的研究。在国内，言茂松教授最先较系统地介绍了国外文献成果，及作者同时或稍后进行的线性最优励磁控制(LOEC)的工程实践则把这一领域的研究推进到新的高度。并在国内开启了对优化励磁控制长盛不衰的探索，在理论和实践上都不断取得了丰硕的成果。LOEC有一套严整的设计理论，这比在很大程度上依赖工程经验的传统AVR+PSS设计大大地前进了一步。由于考虑了电力系统多个控制目标的综合，并采用最优化设计，因而具有更好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也有很大的改善。但经典的LOEC也存在一些不足，如:1)工程实践中采用动偏差作为反馈量的作法并没有体现在其设计理论中；2)与AVRPSS式励磁控制器相比，往往缺少足够高的电压反馈增益，积分型LOEC5虽然改进了稳态电压调节精度，但附加积分环节会导致削弱阻尼和积分饱和等问题。2.4基于反馈线性化的非线性设计最为人所知的是两种精确线性化方法，即基于微分几何理论6和直接反馈线性化理论7的非线性设计。一般而言，非线性设计比小范围线性化设计可以获得更好的励磁控制规律。但遗憾的是，文6和7的非线性励磁控制不仅只能考虑平滑非线性问题，其对同步发电机的单轴模型假设还严重偏离了实际情况；同时，得到的非线性反馈补偿律包含机组输出电流的导数，这不但给控制器实现带来困难和误差，而且在一定条件下是不稳定的7。为实现精确线性化，囿于所依赖的数学变换工具，它们在状态变量的选取上也受到限制，不能采用端电压反馈，也没考虑端电压约束，一定程度上，背离了励磁控制维持端电压的主要目标。此外，对于角频率偏差、阻尼系数等关键量值，概念尚欠明确。为解决上述问题，文8提出一种新的非线性设计方法。2.5鲁棒控制设计鲁棒励磁控制旨在解决这样一个问题:通过一种设计方法来保证得到的控制器在预定的参数和结构扰动下仍然能保证系统的稳定性和可用性。已有大量的文献912报导了以(滑模)变结构控制、H控制和综合理论为代表的所谓鲁棒控制理论在机组励磁控制设计中的应用；仿真表明，它们具有良好的针对参数摄动、非线性项和不确定的鲁棒性，预示了乐观的应用前景。但在目前，一方面，理论本身有待完善；另一方面，欲将其应用于发电机励磁控制，在模型和实现上还有很多实际问题需要进一步研究。2.6自适应控制设计自适应控制从本质上来讲比鲁棒控制具有更高级的目标，它在预定的参数和结构扰动下，还追求某种性能的适应性优化。它的出发点是将系统辨识和控制结合起来，在线辨识控制对象的参数或和结构，并进而调整控制器参数和或结构，使之能自动跟踪对象变化实现最佳控制。其中自校正控制和模型参考自适应控制在电力系统稳定控制方面的应用已有广泛的报导13，14。另外，还发展了以LOEC为基础的自适应励磁控制15，以及针对系统参数不确定时不能达到精确线性化而提出来的自适应非线性励磁控制方法16等。2.7智能控制设计包括模糊逻辑励磁控制17，基于规则(专家系统)的励磁控制18，人工神经网络励磁控制19以及基于遗传算法20、自学习理论、迭代学习算法以及它们的某种结合20，21的励磁控制，基本特点是不依赖于对象系统的精确数学模型，而是基于某种智能概念模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，具有处理非线性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多方面的能力和优点。其中，智能技术既可以作为一种上层策略以实现在线或离线调整或优化原有非智能控制器的参数和或结构，也可以作为一种底层控制规律来取代原有励磁控制的某一环节，实现特定的控制算法或映射关系。目前，智能型励磁控制方法大多尚停留在仿真计算阶段，少数应用实例也仅是一些简单的实验性尝试，欲推广其应用，还有大量的理论和实际工作要做。拿模糊逻辑励磁控制来说，多变量模糊建模问题，模糊控制器的稳定性问题，以及实际应用中的软硬件环境和操作规范等，都有待于深入和细致的研究。2.8多种控制方法的综合应用经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论虽然在理论体系和实现机理上相差较大，但从整个控制理论的发展上来看它们是一脉相承、相互补充的；很难凭借单独一种控制规律来解决实际励磁控制系统中的众多难点问题和实现综合性的设计目标，实际上往往是多种方法彼此结合、综合应用以取得较好的控制效果。2.9大系统模型上的分散与协调设计传统的分散励磁控制实质上是在简化模型(单机或准单机模型)下设计“孤立”控制器，得到的控制作用只对改善局部控制性能有一定好处，对系统其它部分的动态行为难有确定性的改善，反而存在由于缺乏协调而导致整体性能恶化的危险。20世纪70年代出现了大系统分散控制理论，其中模型分解分散控制和可选结构分散控制在励磁控制设计中得到应用1，使在允许线性化范围内的多机系统的分散协调控制器设计问题得到较好的解决，美中不足的是它们局限于局部信息模式，不能确保系统的整体可控性甚至稳定性，同时，对于强耦合电网系统，难以取得满意的控制性能。随着通信和信息处理技术的不断进步，从发展的观点看，完全分散信息模式并不是“天然”的约束，有时甚至是必须突破的(如当系统不能分散镇定时)。文8考虑到理论和实际的需要，在信息结构概念的基础上建立一种不囿于完全分散或集中模式中的一种，即适用于任意给定信息结构模式的协调控制理论，在理论上解决了整个系统的可控性和稳定性问题，并通过引入非线性反馈补偿，较好地解决了多机系统中考虑平滑非线性以及不同结构的励磁控制器的优化协调设计问题。随着电力系统控制手段的增多，励磁控制器与其它控制装置的协调同样是一个值得关注的问题，这方面已有一些研究成果，如文1提出的基于ANN的励磁、快控汽门和电气制动等多种控制手段的协调作用，但总体上还没形成系统化的理论体系。文8建立了机组励磁与静止同步补偿器(STATCOM)协调控制设计的系统化方法，该方法可以推广应用到更一般的情况。通过对以上各种励磁控制方法的研究，作者希望在以下几个方面与众多同行取得共识:1)励磁控制电压调节的基本功能应该得到重视，即控制器应具有电压反馈回路；2)依靠励磁控制能大幅度提高系统的静稳极限，甚至达到线路的功率极限；3)励磁控制能有效地提高小干扰稳定性、即阻尼低频振荡的能力，靠线性最优(分散)控制在工程意义上已可较完满地解决上述问题，且从工程角度出发，线性(次)最优励磁控制对运行点的适应性问题并不大1，采用适当的非线性补偿后这个问题可得到进一步解决；4)励磁控制能有限地提高系统的暂态稳定极限，如果采用同样的励磁顶值和电压反馈增益以及大体相当的反馈信息量，各种励磁控制规律在提高故障状况下第一摆稳定性的能力不会相差太多；5)AVR+PSS和(非)线性最优励磁控制于其发展初期在系统模型、设计方法和控制效果等方面存在一定的差别，但随着多变量PSS的出现、AVR+PSS励磁控制器参数的优化整定以及最优励磁控制设计中频率调制权系数矩阵和动态反馈的引入，它们之间的实质性差别已经不大，在理论上可以统一起来；6)大型电力系统整体安全稳定性的提高有赖于包括励磁在内的各种控制手段的协调作用。3未来走向关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地解决，它们是进一步研究的重点所在。1)多机系统中的“强”非线性问题，即考虑控制限幅、饱和、切换以及各种实际约束(如端电压约束)条件下的控制系统综合和分析问题。现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常规非线性(或称为光滑可逆非线性)问题，而对工程实际中广泛存在的强非线性“视而不见”，或者只是做事后的定性校验；文7针对单机无穷大电力系统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段LQ励磁控制策略，而对于一般情况的多机电力系统尚需要进行更深入的研究。2)将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的鲁棒自适应励磁控制问题。3)多目标协调问题。由于控制手段增多，调节系统的侧重点和能力各异，因此有必要从整体出发，规划不同控制手段之间的协调工作方式，以解决电力系统的多目标控制问题。4)动态协调控制问题。目前的协调控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑系统运行方式和网络拓扑变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应该考虑控制器之间的在线动态协调问题。5)电力工业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励磁控制的新要求。6)基于GPS的多机系统励磁优化协调控制的研究。在对励磁控制进一步探索的过程中，研究工作者应本着实事求是的科学态度，既从理论自身的发展规律出发，又要结合工程实际需要，脚踏实地地解决问题，并注意避免以下几个误区:1)“削足适履”。不从实际出发，为了套用某种“新”的控制方法，对系统模型进行与现实情况不符的假设和简化，从而得出不合理的结论2)“拘泥细节”。没有抓住问题的主要方面，沉溺于细枝末节的研究。一个很明显的例子是，在研究励磁控制提