（控制理论与控制工程专业论文）电力系统自适应鲁棒h∞控制.pdf

i at h e s i sf o rt h ed e g r e ei nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g a d a p t i v er o b u s th c o n t r o lf o rp o w e r s y s t e m s b yt e n gb o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a oj u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 0-艮i r吼hm一 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：膝收 签字日期：痂驴7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：球瘢导师签名：彩务 签字日期 ：泖p 驴7 签字日期：训、 ) -i一 东北大学硕士学位论文摘要 电力系统自适应鲁棒巩控制 摘要 电力系统是一个多维数、强非线性的复杂动态大系统，常常包含有众多的不确定性 参数和未知干扰。随着互联的大规模电力系统迅速发展，极大增加了电力系统的复杂性， 暴露出很多威胁电力系统安全稳定运行的动态问题。然而，电力系统一旦失去稳定，处 理不当就会给国民经济和人民生活造成巨大损失和严重危害。因此，改善电力系统运行 的稳定性成为日益重要和紧迫的研究课题。从电力系统本身的结构特性出发，利用现代 控制技术来研究电力系统的鲁棒控制问题是一个行之有效的途径。 本文正是针对包含有不确定参数和未知干扰的几类电力系统非线性模型，提出了一 种自适应b a c k s t e p p i n g 鲁棒日。控制方法。其突出特点：利用不遵循确定性等价原理的 自适应机制和非线性h 。控制相结合，来研究几类电力系统模型的鲁棒稳定问题。全文 具体工作如下： 首先，简要介绍了电力系统稳定性意义、研究的主要对象和现阶段用于电力系统的 各种控制方法，并且简要讨论了本文所用的不遵循确定性等价原理的自适应机制。 其次，研究了一类下三角结构的非线性系统，针对这类系统带有不确定参数和未知 干扰提出了一种自适应b a c k s t e p p i n g 鲁棒日。控制方法。这种方法基于将不遵循确定性 等价原理的自适应机制和非线性日。控制相结合，通过b a c k s t e p p i n g 方法来设计控制器。 由于综合了自适应控制和鲁棒控制，因此设计出的这类系统具有自适应控制的跟踪学习 能力和鲁棒控制的抑制干扰的能力。 再次，本文首次将以上研究结果成功应用到电力系统中的励磁控制系统、主汽门开 度控制系统和柔性交流输电系统中的t c s c 控制系统，分别研究了这三种系统的鲁棒稳 定问题。其中，针对同时存在阻尼系数难以精确测量和未知干扰的励磁控制系统，使用 不遵循确定性等价原理的自适应机制结合鲁棒日。控制方法设计相应的励磁控制器，并 且给出仿真结果，证明设计的有效性。针对在系统输电线路中的等效阻抗不能精确测量 以及存在未知干扰的主汽门开度控制系统，设计了相应的自适应鲁棒h 。主汽门开度控 制器，仿真结果证明设计的有效性。针对系统存在阻尼系数不确定和含有未知干扰的 t c s c 控制系统，按照同样的方法也设计了相应的t c s c 控制器。 最后是全文的结论及对下一步工作的展望。 一i i 东北大学硕士学位论文摘要 关键词：电力系统；非线性系统；自适应控制；鲁棒h 。控制；b a c k s t e p p i n g 方法；励磁 控制；汽门控制；t c s c 控制 _ i i i 。 曩 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a d a p t i v er o b u s th c o n t r o lf o rp o w e rs y s t e m s a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sa r em u l t i d i m e n s i o n a l ，n o n l i n e a r , c o m p l e x ，d y n a m i ca n dl a r g e s c a l es y s t e m s ，w h i c ho f t e nc o n t a i n sv a d o u su n c e r t a i np a r a m e t e r sa n du n k n o w nd i s t u r b a n c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r c o n n e c t i o na m o n gp o w e r ss y s t e m s ，t h ec o m p l e x i t yo ft h ep o w e r s y s t e m sa l s og r e a t l yi n c r e a s e s t h e r e b ys o m ed y n a m i cp r o b l e m sw h i c hc o u l dt h r e a t e nt h e o p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m si ns a f ea n ds t a b l em o d ea r ee m e r g e d h o w e v e r , o n c ep o w e r s y s t e m s l o s es t a b i l i t y , t h eg r e a tl o s sa n ds e r i o u si n j u r ya b o u tn a t i o n a l e c o n o m ya n d p e o p l e s l i f ea r er e s u l t e di n i ft h ef a u l t sa r ed e a l tw i t hi n i m p r o p e rw a y s t h e r e f o r e ，i ti s b e c o m i n ga ni m p o r t a n ta n du r g e n tr e s e a r c ht o p i ct oi m p r o v et h eo p e r a t i o n a ls t a b i l i t yo ft h e p o w e rs y s t e m s e x p l o i t i n gs t r u c t u r ep r o p e r t i e so fe l e c t r i cs y s t e m sc o m b i n e dw i t hm o d e m c o n t r o lt e c h n i q u e si sa ne f f e c t i v ea n d p r o m i s i n ga p p r o a c h t h ed i s s e r t a t i o n p r o p o s e s a na d a p t i v eb a c k s t e p p i n gr o b u s t h 。c o n t r o la i m i n ga t n o n l i n e a rm o d e l i n gf o rc l a s s e so fp o w e rs y s t e m sw i t hu n c e r t a i np a r a m e t e r sa n du n k n o w n d i s t u r b a n c e s t h ep a p e ra d o p t sa na d a p t i v em e c h a n i s mw h i c hd o e sn o tf o l l o wt h ec e r t a i n t y e q u i v a l e n tp r i n c i p l ec o m b i n e dw i t hn o n l i n e a rh 。c o n t r o l ，a n dt h e nt h er o b u s ts t a b i l i t yo f c l a s s e so fp o w e rs y s t e m si sr e s e a r c h e d t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ng i v e sa b r i e fi n t r o d u c t i o no fs t a b l es i g n i f i c a n c e ，m a i no b j e c t sa n d v a d o u sc o n t r o lt e c h n i q u e so fp o w e rs y s t e m sa tp r e s e n t t h e nt h ea d a p t i v em e c h a n i s mw h i c h d o e sn o tf o l l o wt h ec e r t a i n t ye q u i v a l e n tp r i n c i p l ei sb r i e f l yi n t r o d u c e d s e c o n d l y , ac l a s so fn o n l i n e a rs y s t e mw i t hl o w e r - t r i a n g u l a rs t r u c t u r e si sd i s c u s s e d a n a d a p t i v eb a c k s t e p p i n gr o b u s th 。c o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e dt ot h ec l a s so fs y s t e m sw i t h u n c e r t a i np a r a m e t e r sa n du n k n o w nd i s t u r b a n c e s t h em e t h o da d o p t st h ea b o v em e n t i o n e d a d a p t i v em e c h a n i s mc o m b i n e dw i t hn o n l i n e a rr o b u s th 。c o n t r o l ，a n dt h e nt h ec o n t r o l l e r d e s i g ni sb a s e do nb a c k s t e p p i n gm e t h o d b e c a u s eo fc o m b i n i n ga d a p t i v ec o n t r o lw i t hr o b u s t c o n t r o l ，t h ec l a s so fs y s t e m sh a sa d a p t i v et r a c k i n ga n dl e a r n i n ga b i l i t y , a n da l s or o b u s t d i s t u r b a n c ea t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e t h i r d l y , t h ea b o v em e n t i o n e dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea p p l i e dt oa ne x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ， 一一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t am a i ns t e a mv a l v ec o n t r o ls y s t e ma n dat c s cc o n t r o ls y s t e mi nf a c t sf o rt h ef i r s tt i m e ， a n dt h er o b u s ts t a b i l i t yp r o b l e m st h e r e o fa r ed i s c u s s e di nt u r n w h e r e i n ，t h ea d a p t i v er o b u s t h 。c o n t r o lm e t h o di sa p p l i e dt ot h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h e d a m p i n gc o e f f i c i e n tc a n tb em e a s u r e da c c u r a t e l ya n dt h es y s t e mi sp e r t u r b e db yu n k n o w n d i s t u r b a n c e s ，a n dt h e nt h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d m e a n w h i l e ，s i m u l a t i o nr e s u l ti s p r e s e n t e da n dp r o v e st h ee f f e c to f t h ed e s i g n a i m i n ga tt h em a i ns t e a mv a l v ec o n t r o ls y s t e m 。 u n d e rt h ec o n d i t i o nw i t hu n c e r t a i np a r a m e t e r sa n du n k n o w nd i s t u r b a n c e s ，t h ea d a p t i v er o b u s t c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sp r e s e n t e da l s oa n dp r o v e st h ee f f e c to ft h e d e s i g n b ya p p l y i n gt h es a m em e t h o d s ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt ot c s c s y s t e mw i t hu n c e r t a i nd a m p i n gc o e f f i c i e n ta n du n k n o w nd i s t u r b a n c e s c o n c l u d i n gr e m a r k sa r ep r e s e n t e da tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n s o m eo p e np r o b l e m s a r ea l s op o i n t e do u t ，w h i c hd e s e r v ef u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m s ；n o n l i n e a rs y s t e m s ；a d a p t i v ec o n t r o l ；r o b u s th 。c o n t r o l ； b a c k s t e p p i n gm e t h o d ；e x c i t a t i o nc o n t r o l ；s t e a mv a l v ec o n t r o l ；t c s cc o n t r o l v 一 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 电力系统稳定性概述1 1 2 电力系统的主要控制对象和控制方法2 1 2 1 主要控制对象2 1 2 2 控制方法研究5 1 3 不遵循确定性等价原理的自适应机制9 1 4 本文的主要工作1 0 第2 章一类非线性系统的自适应b a c k s t e p p i n g 鲁棒日。控制一1 3 2 1 引言1 3 2 2 一种新的自适应b a c k s t e p p i n g 设计1 4 2 2 1 问题描述1 5 2 2 2 控制律设计1 5 2 3 非线性系统的自适应b a c k s t e p p i n g 鲁棒日。控制1 9 2 3 1 问题描述2 0 2 3 2 控制律设计2 0 2 4 数值例子2 5 2 5 结论。2 9 第3 章同步发电机励磁系统的自适应b a c k s t e p p i n g 鲁棒h 。控制3 1 3 1 弓i 。占。3 1 3 2 系统描述3 2 3 3 励磁系统的自适应鲁棒h 。控制3 4 3 3 1 参数刷新律的设计3 5 3 3 2 控制器的设计3 5 3 4 仿真结果3 9 3 5 结论4 0 第4 章汽轮发电机主汽门开度系统的自适应b a c k s t e p p i n g 鲁棒h 。控制。4 1 4 1 弓i 一占。4 1 4 2 系统描述4 2 一v 卜一 厂k 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 主汽门丌度系统的自适应鲁棒日，控制4 4 4 3 1 参数刷新律的设计4 4 4 3 2 控制器的设计4 5 4 4 仿真结果4 8 4 5 结论5 0 第5 章柔性交流输电系统的自适应b a c k s t e p p i n g 鲁棒日。控制5 1 5 1 引言5 1 5 2t c s c 的自适应鲁棒日。控制5 2 5 2 1 系统描述5 2 5 2 2 控制器的设计5 3 5 3 仿真结果5 8 5 4 结 仑5 9 第6 章结论与展望6 1 参考文献6 3 致谢6 9 一v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 电力系统稳定性概述 第1 章绪论 电力系统是一个复杂的非线性动态大系统，由不同类型的发电机组( 汽轮发电机组 和水轮发电机组) ，众多变电所及电力负荷，不同电压等级的电力网络，以及不同传输 方式的输电线路( 交流输电线路和直流输电线路) 所组成的十分庞大而复杂的动力学系 统1 1 j 。输配电线路和多种设备相互联系相互影响而形成巨维数电力网络，目前正沿着高 电压、大容量、大规模、大机组、大电网、交直流联合输电和新型负荷方向发展。随着 大型电力系统互联的发展以及各种新设备的使用，在使发电、输电更经济、高效的同时， 也增加了电力系统的规模和复杂性，从而暴露出很多威胁电力系统安全、经济运行的动 态问题，如大机组轴系的扭振稳定性问题；重负荷输电线的功率振荡问题；直流输电引 起的次同步振荡问题和受端弱系统的电压稳定问题；新型负荷引起的谐波污染等1 2 j 。近 年来国际流行的发电和输电分离、跨网输配电，即电力托送等体制变革，也丌始在我国 出现，带来了一些新的电网运行的安全问题。 电力系统运行的稳定性问题是一个极其重要的内容，是保证系统正常运行的前提。 因为如果大型电力系统运行的稳定性遭到破环，就可能造成一个或数个大区停电，使它 们一时陷入瘫痪和混乱，严重者甚至危及全国，这将产生极为惨重的损失和严重的危害。 在国际上已造成多次重大的停电事故，美国、前苏联、加拿大、欧洲和日本等国都有过 惨痛教训。特别是2 0 0 3 年8 月1 4 日美国和加拿大发生了有史以来最大规模的停电事故。 事故共计损失负荷6 1 8 0 0 m w ，受停电影响人数达5 0 0 0 万，事故发生后每日的直接经济 损失为3 0 0 亿美元。事后美国政府将此次事故与“9 1 1 ”并列为“危及国家安全”的重 大事件，足见危害之大。近2 0 年来我国六大电力系统和一些省网，发生事故所造成的 损失也是惊人的。各大电网因稳定性破坏造成的大停电事故约有1 4 0 余起，每次损失数 以亿计【3 1 。 电力系统运行的稳定性是一个动态过程，主要是指电力系统受到干扰时引起同步电 机电压相角的再调整，进而造成系统发电和负荷之间的不平衡，从而建立起一个新运行 状态的过程。即电力系统在小干扰和大干扰作用下，不发生危及用户的振荡并能保持全 系统的发电机组的同步运行状态。其稳定性包括功角稳定和电压稳定：功角稳定即同步 运行稳定性，包括转子在大或小扰动下爬行失步问题及振荡失步问题；电压稳定是电力 系统在额定运行条件下和遭受扰动后系统中所有的母线都持续地保持可接受电压的能 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 力。国际上对于稳定性的分类按照电力系统遭受干扰后的过渡过程，一般将稳定性分为 静态稳定( 小干扰下的稳定性) 和暂态稳定( 大干扰下的稳定性) 。系统能否继续保持同步 运行是系统稳定与否的标志。 电力系统的稳定性一直作为电力系统方面的一个重要研究课题，国内外的专家和学 者对其进行了大量的研究工作。特别在我国，随着三峡等大型电厂建成，必将出现超大 规模的联合电力系统，进而将出现更多的不利于系统稳定的因素。因此，研究和采取相 应的稳定控制措施，不仅可以提高系统的稳定性使系统可靠地运行，而且能提高电能的 传输效率从而有效地增加经济效益。 1 2 电力系统的主要控制对象和控制方法 1 2 1 主要控制对象 对电力系统动态行为有显著影响的部件如图1 1 所示【4 】，水轮机或汽轮机将水力或 蒸汽力转换为机械力，调速器控制原动机的水力或蒸汽力，发电机进行机电能量的转换， 而励磁机和电压调节器控制电力的输出，同时调速器及励磁系统又都可以控制电力系统 稳定，所以将调速器称为水门或汽门开度控制器则更为合适。 由于这些部件对电力系统的稳定有显著影响，各种控制理论的应用研究显然与这些 部件有关。对电力系统研究对象的控制可以针对单机或多机系统，发电机为同步发电机。 1 2 1 1 励磁控制 图1 1 电力系统的主要控制单元 f i g 1 1t h e m a i nc o n t r o lc o m p o n e n t so fap o w e r s y s t e m 电网 长期以来，发电机励磁控制作为改善电力系统稳定性的易于实现、经济、有效措施， 一直受到广大电力工作者的关注。由于应用可控硅自并励方式的静止励磁与具有旋转机 的励磁方式相比，具有结构简单、可靠性高、造价低廉、调节快速等优点【1 1 ，因此近年 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 来被电力系统广泛采用。而綦于这种快速励磁方式的控制策略的研究也取得了显著成 就。 在对电力系统非线性励磁控制的研究中，单轴发电机模型多以状态变量 x = 【6 e ：】丁构成的微分方程，即经典三阶简化模型为主。虽然模型阶数越高，对 发电机动态行为的模拟就越详细，但同时复杂程度也相应增加。研究表明，三阶简化模 型在很多情况下可以满足对电力系统稳定研究的需要【4 1 。当然也有部分学者对发电机励 磁控制的五阶、七阶模型进行研究，但都是在单机无穷大系统上推导控制规律，难以扩 展到多机系统。 双轴励磁同步发电机是在转子d 、q 轴上均装设励磁线圈的新型同步发电机。通过 调节d 、q 轴的励磁电流，使合成电势可取任意角度，从而可改变感应电势的相位角控 制发电机的输出功率，有效提高系统稳定性，防止失步。但它也存在造价较高缺点。 1 2 2 2 汽f l 水门控制 汽门控制，是快速关闭汽轮机的调节汽门，降低汽轮机出力，以增加故障切除后机 组制动能量，从而保证电力系统稳定运行的有效措施。汽门控制分为在快关过程中控制 中压调节汽门及同时控制高、中压调节汽门两种。采用可靠的汽门控制方法，不仅不会 损坏供汽系统和汽轮机的可靠性，通常比机组停机方案更可取。根据多年的电厂接入系 统设计结果，一般情况下除电厂出线始端发生三相短路必须采取切机减少出力措施外， 其它的单一故障通过采取快关汽门措施，可达到电力系统稳定运行目的。当然，汽门控 制也不能解决所有的系统稳定问题，与其它措施配合使用效果更好。近二十年来，原动 机“调速系统发生了相当大的变化，电液式的“调速”系统取代了机械液压式“调 速”系统，其传动方式也进行了重大改进。在此基础之上，通过汽( 水) 门对原动机转矩 的控制，可以显著改善电力系统稳定水平，其效果并不逊色于励磁控制【1 1 。 对电力系统汽门的非线性控制，一般针对以状态变量x = p 己，构成的三阶 系统模型进行研究。 水轮发电机水门调节的基本任务是，当电力系统负荷发生变化或系统遭受到干扰， 水轮发电机组转速将出现偏差时，可通过水门调节器相应地改变水轮机的流量，使改变 后的水轮机水力矩与发电机负荷阻力矩达成新的平衡，以维持机组转速( 或频率) 在规定 的范围以内。 早期的水轮机水门调节方式是根据机组转速的偏差进行比例调节。随着控制理论及 电子技术的发展，研制了p l 调节和p i d 调节器。近年来，已研制出以微处理机为基础 的自适应式调速器，试图保持水轮机调速器处于最佳运行状态。但是，上述各种调速器 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 都是基于水轮发电机组的近似线性化模型设计的，不能考虑水门调节的非线性特性。难 以适应电力系统在动态过程中的最佳调节。从水轮发电机组的非线性模型出发，对其控 制规律进行研究，从而得到水门非线性调节规律则十分必要。9 0 年代初研制的“m c s - - 9 8 全数字式水门非线性控制器”，已应用到丹江水电站的水门控制中1 5 l 。 1 2 2 3f a c r s 控制 柔性交流输电系统( f l e x i b l ea l t e r n a t i n gc u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称f a c t s ) 是由美国电力科学研究院( e p r i ) 的ngh i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年提出的【6 。，其定义为： “交流输电系统利用高功率电子技术为基础的控制器和其他静止型控制器改善可控型 并且增加输送功率的容量。 依靠这样的控制方法设计的控制器，可以提高电网的功率 传输能力，并使系统潮流更可控，即使直接影响交流功率传输的三个主要参数( 电压、 相角、阻抗) 按系统的需要迅速调整。图1 2 利用两个互联系统间功率潮流的控制概括了 f a c t s 技术的基本原删6 。，系统间输送的有功功率由图中的方程所确定。f a c t s 设备 可影响这些参数中的一个或多个。随着大功率半导体器件的发展，f a c t s 设备的制造及 应用得到了长足发展。 丛。 基于同步电压源的控制 基于晶闸管的控制 图1 2 主要输电型f a c t s 控制器功能示意图 f i g 1 2f u n c t i o nb l o c ko fp r i m a r yt r a n s m i s s i o nt y p ef a c t s c o n t r o l l e r s 一4 一 包k 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 f a c t s 的效果主要体现在提高了输电网潮流流向的控制能力以及输f 乜线输送能力 两个方面。同时，电力系统需要的无功功率也比有功功率大，若综合有功发电最大负荷 为1 0 0 ，则无功总需要约为1 2 0 - 1 4 0 ，它包括负荷的无功功率和线路、变压器的无功 损耗。只靠发电机发出的无功功率不能平衡电力系统的无功需求，必须进行无功功率补 偿。另一方面，电力系统中振荡( 主要包括低频振荡与次同步振荡( s s r ) 的存在极大地威 胁着系统的安全运行。低频振荡通常发生在重负荷、长传输线系统。由于机组群与它们 的自然机电振荡频率的不同，使得系统在某种状况下发生低频振荡，其振荡频率约为每 分钟1 至5 次。串联补偿提高了功率的传输能力。但在某一频率入下，线路感抗与串联 容抗相等时，会产生电气谐振。而当发电机某一轴系固有频率与电气谐振频率之和接近 工频时，则可能由于机械、电气振荡的相互耦合作用而引发轴系扭振，即次同步振荡， 其频率约为1 0 至4 0 赫。f a c t s 的出现无疑也为动态无功功率补偿及抑制振荡提供了新 的有效手段。 f a c t s 设备近年来发展十分迅速，所包含的器件种类不断增加。目前已知的属于 f a c t s 开发项目的具体装置约有2 0 多种，其原理、性能、与系统的连接方式等也多种 多样，一些已进入实际应用，一些正处于工业示范阶段，另一些尚处于设计测试阶段【_ 刀。 目前的主要有：静止无功补偿器( s v c ) 、可控硅控制的串联补偿器( t c s c ) 、新型静止无 功发生器( a s v g 或s t a t c o m ) 、可控硅制动电阻( t c b r ) 、可控硅控制的移相器( t c p s ) 、 统一潮流控制器( u p f c ) 以及高压直流输电( h v d c ) 等。而对其控制规律进行设计研究则 是理论工作者关注的热点之一。 f a c t s 控制器按其与被控交流输电系统的连接方式大体可分为并联连接、串联连接 和串并联连接三类控制器。众所周知，并联补偿装置，如静止无功补偿器( s v c ) ，静止 同步补偿器：( s t a t c o m ) 等，其基本功能是控制系统的电压。由于其安装十分灵活，所以 适用于网络结构和较短的输电线路的补偿。串联补偿装置，如可控串补仃c s c ) ，静止同 步串联补偿器( s s s c ) 等，则主要用于控制系统的潮流。而作为二者相结合的串并联补偿 装置，如统一潮流控制器( u p f c ) ，则可以在准确控制系统电压的同时对输电线路上的有 功与无功潮流进行双向控制。但应当指出，由于串联补偿方式是用来对系统的潮流加以 控制，一旦补偿装置发生故障，有可能对电力系统产生严重的影响。 1 2 2 控制方法研究 提高和改善电力系统稳定性的主要方法就是控制。半个多世纪以来，人们为了改进 与发展电力系统控制技术，进行了浩瀚的研究工作。 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 电力系统正常运行调节及小二f 扰稳定控制不必考虑非线性特性，用线性化模型及线 性最优控制和多机系统分散最优控制设计控制器常可以满足要求。然而，这些传统的控 制装置都是根据系统在某个运行点的线性化模型设计的，在大扰动下可能无法发挥理想 的控制效果。因此，各种现代控制技术在电力系统稳定控制中起着越来越重要的作用。 通常对电力系统的控制方法包括：l y a p u n o v 直接法、无源系统理论、非线性日。控 制、反馈线性化方法、变结构控制、自适应控制和智能控制等。 ( 1 ) l y a p u n o v 直接法。对于一个非线性系统，若存在一个由其状态变量和控制量构 成的正定函数( 能量函数) ，通过判断其导数的负定性就可以判断整个系统的稳定性。 l y a p u n o v 直接法( 第二法) 由于直接考虑了系统的非线性特性，且物理概念清晰，在电力 系统暂态稳定的分析及控制器的设计中得到了广泛的应用。文献【7 】将全网发电机问的非 线性耦合当成有界扰动，然后用直接法设计了分散鲁棒励磁控制规律。文【8 】将己得到的 控制量分为局部量和全局量两部分，并将全局量当成控制输入的扰动，在此基础上设计 附加控制器。文【9 】研究了基于l y a p u n o v 直接控制方法设计的励磁最优控制器。文 1 0 】 基于l y a p u n o v 直接控制方法研究了非线性励磁最优控制器，数字仿真和基于微机实现 的控制装置验证了所提出控制规律的有效性。文 1 1 1 应用l y a p u n o v 直接法中的能量函数 法即采用能量型的( l y a p u n o v 函数) 分别设计了多机系统的励磁控制器，仿真表明有效改 善了系统的静稳及暂稳特性。文 1 2 1 将基于l y a p u n o v 直接控制方法设计的机械功率控 制、励磁控制与传统的p s s 控制进行了比较；文【1 3 】设计了一类可控串联f a c t s 设备 的控制器，用于阻尼区域间振荡。 ( 2 ) 无源系统理论。从无源系统的角度看，李氏函数的构造过程正是使系统无源化 的过程，此时的l y a p u n o v 函数正是保证系统无源性的存储函数。只不过，l y a p u n o v 意 义下的稳定是指无外部激励条件下系统广义能量的衰减特性，而无源性是指系统有外界 输入时的能量衰减特性。文 1 4 1 基于无源系统无源优化控制方法，针对单机无穷大系统 ( s m i b ) 构造了非线性最优励磁控制器，仿真结果证明了该控制器的有效性。系统无源性 是耗散性的特例，文 1 5 1 基于耗散系统理论进行了电力系统低频振荡的研究及p s s 的设 计。 ( 3 ) 非线性日。控制。非线性日。控制是8 0 年代初提出的一种鲁棒控制理论，其实 质是干扰抑制问题。由该方法设计的控制器不仅能有效处理系统模型的不确定性问题， 而且能充分减弱外界干扰对系统输出的影响。非线性h 。控制的问题可以归结为求解 h j i ( h a m i l t o nj a c c 沁b ii s s a c s ) 不等式，但目前尚无有效的解析求解方法。文【1 6 】在相关假 设及四个边界函数的限定下使用非线性日。控制进行了励磁控制器的设计。为避开求解 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 h j i 不等式的困难，文 1 7 2 0 针对h 。领域中的非线性厶增益干扰抑制问题，通过对耗 散不等式的递推设计，分别构造出励磁系统、静止移相器及a s v g 的存储函数，从而得 到非线性日。控制器。文1 2 1 应用非线性系统h 。控制理论考虑了模型的误差、反馈的误 差及系统的高频噪声，设计了具有良好鲁棒性的分散励磁控制规律，该控制规律对于抑 制系统的区域间振荡和保持系统的暂态稳定性具有良好的效果。 ( 4 ) 反馈线性化方法。反馈线性化是将非线性系统在某一领域内变换成相应的线性 系统，便能使用强大的线性系统理论来进行分析。具体来说主要包括以下几种： ( i ) 基于微分几何理论的精确线性化方法。基于微分几何理论的反馈线性化方法是 通过局部微分同坯变换，找到非线性反馈，在非线性反馈的作用下，将非线性系统映射 为线性系统【2 2 1 。卢强院士在将微分几何应用于电力系统方面作了许多开拓性的工作【1 1 。 文【5 】使用微分几何中的零动态方法进行了水门非线性控制器的设计。文 2 3 1 按照l q 最 优方法获得控制律。文【2 4 】针对多机系统中存在的多模振荡，采用i t a e 优化指标，有 效地衰减了多模振荡，同时对系统结构参数变化具有很强的鲁棒性。文 2 5 】以发电机端 电压偏差为控制目标设计的励磁控制器能有效抑制机械功率对发电机端电压的扰动。文 【2 6 使用微分几何方法设计了非线性最优励磁控制器，还证明了线性化后系统在l q r 原 则下的最优控制等价与原非线性系统在准二次性能指标下的最优控制。文【2 7 】选择转子 相对角为控制目标，使用微分几何方法将系统模型进行了输入对状态的精确线性化，设 计了发电机非线性励磁控制器。文【2 8 】将精确线性化方法与观测解耦状态空间( o d s s ) 法 相结合实现了控制的解耦，并考虑到数据通信的误差，结合h 。鲁棒控制理论设计了多 机系统的励磁控制规律。文【2 9 】将精确反馈线性化方法应用于静止无功补偿器 ( s t a t c o m ) 的控制，取得了较好的效果。 ( i i ) 直接反馈线性化( o v l ) 方法。d f l 方法是由中科院系统所的韩京清教授在1 9 8 1 年首先提出的【姗，这种方法不需进行复杂的坐标变换和大量数学推导，具有计算简单， 物理概念清晰的优点，便于工程应用。文献【3 1 】利用d f l 方法设计了静止同步串联补偿 器( s s s c ) 与发电机励磁的协调控制器，由于采用了动态反馈补偿方法，因此该控制器对 系统运行点的变化具有较好的鲁棒性。文【3 2 】应用d f l 设计了非线性励磁控制器，设计 中考虑了电压调节精度的要求。文【3 3 】应用d f l 方法设计了新型的非线性状态反馈电压 控制器。文【3 4 】所设计的非线性励磁控制器包括d f l 补偿器和非线性电压镇定器，仿真 证明了该控制器对系统稳定性的改善。文【3 5 3 8 用类似方法研究了励磁和移相器的协调 控制，励磁和动态制动电阻的协调控制，超导储能装置，励磁和s v c 的协调控制。文 3 9 ，4 0 1 使用d f l 技术分别设计了对水门、t c s c 的非线性控制器。文1 4 1 ，4 2 用d f l 方法设计 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 了多机电力系统的解耦：准线性励磁控制器。文f 4 3 】运用d f l 技术没汁了新型变结构励磁 和综合控制器，仿真表明该控制器提高了系统的暂念稳定性和故障后的电压调节性能。 ( i i i ) 逆系统方法。作为直接反馈线性化方法的一个主要分支，逆系统方法在理论上 己比较成熟。它通过构造实际对象的a 阶积分来构成伪线性系统从而线性化的目的，并 且具有和d f l 一样的优点，不局限于仿射系统。研究表明，逆系统方法与微分几何方法 等价【删。我国的戴先中等人在将神经网络逆系统方法应用于电力系统方面做了较多的研 究【4 5 , 4 6 】。文f 4 7 1 将多变量的逆系统方法用于大型汽轮发电机组的综合控制，综合考虑了 励磁控制和汽门开度控制，以同时提高系统的综合性。 反馈线性化方法的缺点是对系统参数必须精确可知，因而不具备对参数和模型变化 的鲁棒性。若与鲁棒控制( 包括h 。控制) 等相结合，则可以解决参数鲁棒问题。 ( i v ) 反馈线性化与鲁棒控制方法的结合。文 4 8 ，4 9 使用d f l 设计控制器的过程中考 虑了输电线路感抗的变化，分别应用鲁棒控制和自适应控制设计了励磁控制器。文1 5 0 】 运用精确反馈线性化和基于l y a p u n o v 的鲁棒控制方法，将非线性电力系统动态转换为 一个带有未知平衡点的线性不确定系