（控制理论与控制工程专业论文）考虑非线性特性的互联电力系统agc控制策略研究.pdf

华北电力大学硕七学位论文 i i l l lllii i ill ll iii ii if 17 9 6 3 9 7 摘要 本文针对考虑非线性特性的自动发电控制系统的控制策略进行了研究。就发电 机发电率约束和调速器死区非线性问题进行了分析建模。将广义预测控制运用到发 电机变化率约束非线性自动发电控制系统中，很好地解决了约束问题。本文将调速 器死区非线性转换为线性环节，建立起其线性模型，最后将超导磁储能应用到考虑 调速器死区效应的系统中，并利用c p s 优化模糊神经网络方法对其进行控制，并与 模糊p i 控制进行仿真比较，结果表明所提出的方法降低了非线性因素对电力系统的 影响，并且证明c p s 优化模糊神经网络控制器有更好的动态特性和稳定性能，保证 系统满足c p s 性能标准。 关键词：自动发电控制，发电机变化率约束，广义预测控制，调速器死区效应，c p s 性能标准 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , c o n t r o ls t r a t e g i e so nt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m a t i cg e n e r a t i o n c o n t r o ls y s t e m a r ea les t u d i e d g e n e r a t i o nr a t ec o n s t r a i n ta n dg o v e r n o rd e a d b a n dn o n l i n e a r p r o b l e m sa r ea n a l y z e da n dm o d e l e d g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o li sa p p l i e dt ot h ea g c s y s t e mw i t hg r c ，w e l ls o l u t i n gt h ec o n s t r a i n t t h eg o v e m o rd e a d b a n dn o n 1 i n e a r i t yi s c o n v e n e dt ol i n e a rp a r ta n de s t a b l i s h e si t sl i n e a rm o d e l f i n a l l y , s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i c e n e r g ys t o r a g ei su s e di nt h ea g cs y s t e mc o n s i d e n n gt h eg o v e r n o rd e a d b a n d u s i n gc p s o p t i m i z i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r kt oc o n t r o lt h es y s t e m t h es c h e m ei sc o m p a r e dw i t hf u z z y p i c o n t r o l l e r , a n dt h ec o m p a r i s o ns t u d yi n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dr e d u c e st h e n o n - l i n e a rf a c t o r si m p a c t i n go nt h ep o w e rs y s t e ma n de n s u r e st h es y s t e mm e e t st h ec p s p e r f o r m a n c es t a n d a r d s z h a nx i a o l e i ( c 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 ) d i r e c t e db yp r o f l i ux i a n g ji e k e y w o r d s ：a g c ，g r c ，g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，g o v e r n o rd e a d b a n d ，c p s 、 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2a g c 的发展概况2 1 2 1 国外电力系统对a g c 的研究与应用2 1 2 2 我国电力系统a g c 工作概况3 1 2 3 我国电网a g c 存在的问题3 1 3 互联电力系统a g c 控制策略研究4 1 3 1 经典控制方法4 1 3 2 自适应和变结构控制策略5 1 3 3 鲁棒控制6 1 3 4 智能控制策略7 1 3 5 预测控制方法7 1 4 本文的主要研究内容8 第二章自动发电控制基本理论及其动态模型1 0 2 1 自动发电控制概述1 0 2 1 1 自动发电控制的任务1 0 2 1 2 自动发电控制基本功能l l 2 2 电网的频率控制l l 2 2 1 电力系统的频率一次调节1 2 2 2 2 频率的二次调节12 2 3 自动发电控制模式1 3 2 4 自动发电控制模型1 4 2 4 1 机组元件数学模型1 5 2 4 1 1 汽轮调速器模型1 5 2 4 1 2 中间再热汽轮机模型1 6 2 4 1 3 发电机电力系统模型1 6 2 4 2 电力系统a g c 模型17 2 4 2 1 单区域a g c 模型17 2 4 2 2 互联电力系统a g c 模型17 2 5 本章小结1 9 第三章考虑发电机发电率约束和调速器死区的a g c 策略研究2 0 3 1 引言2 0 3 2 考虑发电机发电率约束的自动发电控制研究2 0 3 2 1 系统动态模型2 0 3 2 2 约束广义预测控制算法2 2 3 2 2 1 广义预测控制原理。2 2 3 2 2 2 带可观测扰动的g p c 模型描述2 2 3 2 2 3 丢番图方程的递推求解2 3 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2 4 求解最优控制律2 4 3 2 3 仿真分析2 6 3 3 考虑调速器死区效应的自动发电控制研究3 0 3 3 1 调速器死区效应3 0 3 3 2 模糊自调整p i 控制算法3 3 3 4 本章小结3 6 第四章基于c p s 标准的自动发电控制研究3 7 4 1 引言3 7 4 2c p s 性能标准3 7 4 2 1c p s 性能标准计算原理3 8 4 2 2 基于c p s 标准的优化规则3 9 4 3 带s m e s 单元的自动发电控制模型3 9 4 3 1s m e s 原理3 9 4 3 2 带s m e s 单元的自动发电控制系统模型4 1 4 4 基于c p s 优化的模糊神经网络控制器4 2 4 5 仿真结果4 4 4 6 本章小结4 7 第五章结论和展望4 8 参考文献5 0 致 射5 4 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 5 已经难以满足这些要求。 自动发电控锋j r j ( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ，a g c ) 作为能量管理系统( e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 主要功能之一，在发达工业国家已得到广泛的采用。它 能使发电量实时自动跟踪电力系统负荷的变化，维持发电功率和负载功率的平衡， 使电力系统频率保持为规定值，是保证电能质量的重要手段。自上个世纪8 0 年代 起，华东电网、华北电网、华中电网、东北电网和部分省网引进了国外的s c a d a a g c 系统，为我国电网调度自动化系统的发展奠定了基础。另外，a g c 控制的实现策略 是网际的联络线控制，这是适应电网商业化运营发展的必不可少手段。联络线电量 的交易是互联电网商业化运营常用的方式之一，交易双方必须按照协议规定控制好 约定的交易电量。 自动发电控制( a g c ) 要维持区域间净交换功率为计划值，各省电网自己负责 自己的功率平衡，同时保持与临近的互联电网联络线功率在规定的范围之内。除此 之外，实行自动发电控制还可以实现电网的经济运行，对周期性的负荷变化按发电 计划调整发电出力，对偏离预计的负荷实现在线的经济分配。因此，a g c 是保证电 网安全、经济运行的重要措施之一，是电网调度自动化系统的重要功能之一。 自动发电控s t ( a g c ) 是一种闭环的反馈控制，它以控制调整发电机输出功率来 适应负荷扰动，主要是通过控制发电机组的调汽门来实现。自动发电控制的目的是 通过控制发电机组的功率跟随负荷扰动的随机变化，以实现电力系统的频率稳定， 属于负荷频率控$ 1 j ( l o a df r e q u e n c yc o n t r o l ，l f c ) 的范畴。a g c 的主要作用是在电 力系统正常的运行状态下实现以下的三个目标： 1 ) 响应负荷扰动和发电的随机变化，使频率偏差维持在一个允许的范围之内 ( 一般为5 0 0 1 h z ) ： 2 ) 在控制区域内调节各自的发电机组出力，使区域间的联络线交换功率维持在 计划值； 3 ) 对于周期性的负荷变化按发电计划调整出力，对偏离计划值的负荷实现在线 经济负荷分配。 华北电力人学硕士学位论文 a g c 作为电力系统频率控制中广泛使用的技术，其控制策略一直随电力系统调度 中心对系统的总体控制策略的发展而发展。在不同的历史时期，不同的考核体系下，会 产生很多实际的问题。因此，有必要对a g c 的控制策略做多方面、多方向的研究，为 调度运行人员提供决策参考。另外a g c 系统本身是非常复杂的非线性系统，非线性包括 发电机发电率约束和调速器死区，这些非线性的存在严重影响系统的动态性能，因此必 须加强考虑非线性特性的控制策略研究。 1 2a g c 的发展概况 对电力系统自动发电控制( a g c ) 的研究可以追溯到几十年前，它最初被称为 “电力系统频率与有功功率的自动控制”，但它的发展和应用还是在电力系统扩大 以后，尤其是在二十世纪五十年代以来，随着战后经济的复苏与发展，电力系统的 容量不断增加，各工业发达国家的电力系统通过相关研究和试验，相继实现了电力 系统频率与有功功率的自动控制。 目前，随着工业控制系统广泛采用4 c 技术( 包括：高速计算机c o m p u t e r 、数 字通信c o m m u n i c a t i o n 、c r t 显示技术c a t h o d er a yt u b e 、现代控制c o n t r 0 1 ) ，成熟 先进的分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 作为机组热力系统的过程控制 设备被广泛应用到现代化发电企业中，因此机组的自动化程度越来越高。尤其是 1 2 5 m w 以上发电机组的自动控制，机组的出力负荷也直接由调度中心遥调a g c 来 完成，其正常工况的调整和运行已经全部由控制系统自动完成，整个发电机组已经 蜕变成电网的一个电源自动执行器。 1 2 1 国外电力系统对a g c 的研究与应用 国外a g c 的研究可追溯到2 0 世纪3 0 年代，但是它的发展和运用是在2 0 世纪 5 0 年代以后。前苏联在1 9 3 7 年研制出第一个频率调整器，并安装在斯维尔斯克水 电厂中。前苏联在频率和有功功率控制方面广泛采用虚有差率调整的准则，随着其 欧洲部分统一电力系统的形成，又逐步过渡到了采用“频率一一交换功率( t b c ) ” 的准则，自动控制装置主要有电子模拟式和磁放大器式两种。在欧洲，以西德和法 国电力系统为主，由荷兰、比利士、卢森堡、意大利、瑞士和奥地利等国家的电网 组成的西欧联合电力系统，采用“频率交换功率( t b c ) 准则实现了联合控制， 但各国内部的控制准则和装置则是多种多样，如法国内部采用“功率一相角”有差 特性准则，其特点为电力系统无须分区即可实现多电厂的联合控制。 二十世纪六十年代，国外电力系统频率和有功功率的自动控制工作又有了新的 进一步进展，控制装置元件改用晶体管和集成电路，控制原理由原来的模拟式转向 2 华北电力大学硕士学位论文 数字化，特别是七十年代以来，继美国n e p e x 电力控制中心采用了在线电子数字 计算机实现了自动发电控制、经济负荷分配和电力系统安全监控以后，各国竞相发 展，进行基于计算机集中控制的现代自动发电控制技术的研究和应用，并取得了明 显的经济效益。2 0 世纪8 0 年代，北美电力可靠性协会( n o r t ha m e r i c ae l e c t r i c r e l i a b i l i t yc o u n c i l ，n e r c ) 、西欧联合电力系统等相继制订了频率控制和自动发电控 制的运行准则，使自动发电控制技术的应用走上了规范化的道路。到了9 0 年代， 各国的电力系统开始步入电力市场化的进程，通过市场竞争机制来实现频率控制和 自动发电控制的资源优化配置，成为电力市场的重要组成部分。 1 2 2 我国电力系统a g c 工作概况 我国电力系统对频率和有功功率的自动控制工作开始于1 9 5 7 年，当时确定以 东北和京津唐两大电力系统作为试点系统。东北电力系统采用“集中控制下的分区 控制”方案，京津唐电力系统则采用分散式控制方案。1 9 6 8 年，用晶体管和可控硅 实现的第二代自动调频装置试制成功，而且在华东电网总调度所装设了标准频率分 频器、系统频率质量自动记录装置和自动时差校j 下信号发送器。到六十年代末，参 加了自动发电控制的电厂扩大到了1 4 个，被控发电机组6 6 台，总容量达到2 6 0 0 m w ， 占当时发电系统总装机容量的7 0 左右，华东电力系统频率与有功功率的自动控制 得到了全面的实现。七十年代后随着国家电网、省( 市) 电网能量管理系统的建设， 各电力系统普遍进行了基于计算机集中控制的现代自动发电控制技术的研究和应 用工作【2 1 。 湖南电网是我国首先在省调a g c 实用化要求方面达到实用化的省网，其引进 美国s c 公司的p c s 3 2 调度自动化系统后，于19 8 9 年9 月起a g c 功能投入了连续 运行，a g c 投入后，湖南电网成为一个控制区域，采取定联络线净交换功率( f t c ) 的控制方式，若与华中电网解列，则转为定频率控带u j ( f f c ) 控制方式。其a g c 机组 调节功率范围大，调节梯度强，a g c 机组功率调节频繁，已经取得了可观的经济效 益。东北电网调度局引进的西屋公司的w e s d a c 3 2 系统，于1 9 9 0 年9 月投入a g c 功能，由总调直接控制5 个电厂，实行负荷频率控制方式( l f c ) 。 截止1 9 9 9 年2 月底，全国共有1 5 个电网的a g c 功能通过了实用化专项验收。 到目前为止，我国东北、华北、华东、华中4 个跨省大区电网及多数省( 市、区) 电 网己经通过验收，其中华东网省两级电网的a g c 功能全部通过实用化验收，走在 全国的前列。另外，西北、内蒙网、省的a g c 功能也已进入实用化考核，a g c 功 能的实现，使得电网的频率质量有了明显的提高。 1 2 3 我国电网a g c 存在的问题 华北电力大学硕士学位论文 近年来，国家在政策上的保证、经济上的支持，专业人员的大量艰苦细致的工 作，尤其是全国电力供需矛盾相对缓和，新投入的机组容量大、自动化水平较高， 为a g c 工作的开展提供了良好的外部环境。自动发电控制给电网带来了可观的经 济效益，近期内在我国也取得了突飞猛进的发展。但客观地看，由于我国电网水火 电厂自动化水平较低，远动通讯自动化设备及功能较落后，实现电网a g c 过程控 制调功装置标准不一，元件老化，现场运行维护不方便，功能不健全，我国的应用 水平较国际先进的水平还存在一些差距，主要表现在： 1 ) 部分电网实时投入运行控制的a g c 机组数量较少，可调容量不足，品种单一， 直接影响了a g c 的控制目标。 2 ) 一些大的电网对a g c 工作缺乏统一的规划和深入研究，还不能有效地推动 a g c 工作的开展。 3 ) 部分人员，尤其是电厂人员对a g c 功能的认识有一定差距，工作难度较大， 工作积极性不高。 4 ) 各类机组的控制系统存在差别，还不能形成较为统一规范的电网a g c 系统开 发和投用模式。 为了提高我国a g c 应用水平，进行了很多尝试。从7 0 年代初开始，为了解决 由子电网不可观测带来的潮流计算不收敛问题，发展了各种基础算法，开发了网络 拓扑、外部网络等值、超短期母线负荷预计、状态估计等一系列的软件，建立了可 计算的即所谓可观察区，将s c a d a 系统采集到的有误差的“生数据 转变成潮流 计算收敛的“熟数据 ，建立了熟数据库。在这一基础上开发了调度员在线潮流、 开断仿真和校正控制等所谓的电网高级应用软件( p a s ) 【3 4 】。 1 3 互联电力系统a g c 控制策略研究 a g c 已有四十多年的历史，主要是通过控制发电机组的汽门来实现电力系统的 频率稳定，属于负荷频率控制( l f c ) 范畴。a g c 的控制经历了由模拟型向数字型 系统的转换，而计算机的应用提供了由线性反馈控制上升到最优控制的可能性。总 的来说，自动发电控制的控制策略可以分为经典控制方法、自适应和变结构控制方 法、鲁棒控制方法、智能控制策略和预测控制等。 1 3 1 经典控制方法 针对负荷频率控铝i ( l o a df r e q u e n c yc o n t r o l ，l f c ) i h - 题，传统控制主要是通过比 例、积分、微分回路实现的控制。为了得到较好的控制增益，经常采用奈奎斯特图 和根轨迹的方法，这种控制方法比较直接、简单，便于实际执行，所设计的控制器 可获得零稳态频率偏差和区域控制偏差，但是系统的动态性能不好，如：频率偏移 4 华北电力大学硕士学位论文 有较大的超调，调节时间较长【5 ，6 】，难以满足系统的动态性能指标要求。 现代最优控制理论为基础的负荷频率控制在文献【7 ，8 被提出。一个最佳的可行 性负荷频率控制策略要求所有状态变量能够产生反馈信号。如果系统的状态向量是 区域可观测的，这一要求是能得到满足的。但是，即使可观测条件满足，由此产生 的带有观测器的控制器很复杂。因此，这些方法不适合状态变量数比较多的大型互 联电力系统。 1 3 2 自适应和变结构控制策略 自适应控制的研究已经有二十多年的历史，随着自适应控制的发展，以及自适 应控制具有对过程参数的变化和对未建模部分的动态过程不敏感等特点，自适应控 制被引入电力系统自动发电控制中来解决系统参数变化的问题。文献 9 提出了一个 适应性控制器，采用比例积分进行调整以满足超稳定性条件要求，并且考虑参数变 化情况。文献 1 0 】提出了一个多变量自适应控制器，通过定义一个考虑了控制变量 约束的代价函数，对其进行最小化求解，满足了控制量的约束。文 1 1 】采用具有动 态参数的频率偏差与功率偏差加权指标，提出了一种改进的双路自校正负荷频率控 制器，由于引入了具有动态权值的指标和双路自校正技术，该设计优于其他控制方 案。文献【1 2 乖m j 用自适应模糊策略优化p i 控制并设计了最优控制器，虽然该控制器 取得了理想的效果，但该控制算法比较复杂并且要求对系统模型进行在线辨识。自 适应控制策略要求模型精确而且参数要能准确辨识，这在实际电力系统中很难实 现。 在电力系统负荷频率控制中，由于负荷是经常变化的，所以系统中的参数、扰 动不可能精确可知，因此，将变结构控制理论应用于电力系统的负荷频率控制器的 设计也是十分必要的。8 0 年代初，变结构系统( v s c ：v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e r s ) 应用到单区域和多区域的负荷频率控制器的设计中，有效地控制了系统的暂态响应 引。但是，这种方法在切换矢量参数的选择上是基于一种不等式约束，并且基本上 是一种尝试的过程，没有对切换矢量的参数选择提供系统的方法。变结构系统具有 反应快，对对象参数不敏感以及对外界干扰鲁棒性好等特点，如文 1 4 中变结构控 制器对系统参数发生变化时，系统的动态特性几乎不受影响，但该方法在考虑发电 机变化率约( g r c ：g e n e r a t i o nr a t ec o n s t r a i n t ) 和死区非线性的影响时，系统往往 不收敛，且有时还会引起不稳定。文 1 5 】利用遗传算法来选择变结构控制器的反馈 矩阵参数，并将它应用到单区域的负荷频率控制中，不仅系统暂态过程得到了改善， 同时控制器的输出也得到了改善。 近年来，滑模变结构控制方法得到广泛的重视。采用滑模变结构控制方法来研 究a g c 问题，克服了原有变结构控制的缺点，利用在滑模上系统对外界干扰和对 华北电力大学硕士学位论文 参数变化的不变性解决鲁棒性问题。文【1 6 】结合基于a c e n 的p i 控制和滑模变结构 控制二者的优点，提出了一种用于多区域互联电力系统的负荷频率综合p i 滑模控制 的方法，选用带积分的滑模超面方程使系统从一开始就直接进入滑模状态，滑模存 在于整个控制过程中。当系统进入滑模状态后，转化为基于新区域控制偏差的比例 积分控制。对于滑模控制系统，系统的动态特性完全由滑动模态决定。这种控制方 法具有所希望的动态特性，并且对系统参数和外部干扰的变化具有完全的鲁棒性， 消除了抖振，且在考虑发电机变化率约束和死区非线性的影响时，仍能保证系统具 有较好的性能。此外，文献【1 7 】将基于模糊逻辑的变结构控制应用到互联电力系统 负荷频率控制中，此方法结合了变结构和模糊控制的显著特点，具有较好的性能和 鲁棒性。而且变结构控制器能有效地改善由于负荷扰动引起的瞬态响应。然而，变 结构控制结构复杂，算法本身的抖动问题很难消除。此外，对基于状态方程的线性 化模型控制器要求对无法访问的状态变量进行估测，虽然可设计观察器来实现这一 点，但额外的数据传输成本较高。 1 3 3 鲁棒控制 鲁棒控制自8 0 年代末9 0 年代初提出以来，已有不少学者将其应用到互联电力 系统中。在电力系统中，每个控制区域都包含了各种不确定性和扰动，这些不确定性和 扰动的产生是由于系统参数、动态特性的变化，负荷的改变，建模和线性化过程中的误 差或环境条件的影响：另一方面，一个电力系统的工作点在每天循环中会随机变化。正 因如此，基于标称系统参数值的最优l f c 调节器设计是不适合解决l f c 问题的，而且 系统中这些调节器的执行可能不足以提供所需的系统运行情况。这会影响降阶系统的动 态性能，有时还会破坏系统的稳定性。所以，人们做了大量努力，运用各种鲁棒方法 【1 8 - 2 2 设计出更好性能的控制器以适应系统参数变化。应当指出，在鲁棒控制方法中， 控制目标是设计负荷频率控制器，不仅满足标称稳定和标称性能要求，而且保证鲁棒稳 定性和电力系统中l f c 问题的鲁棒性能f 2 2 】。 文献 2 3 ，2 4 提出了基于r i c c a t i 方程方法解决单区域和多区域的鲁棒负荷频率 控制问题，对参数变化不确定的鲁棒性问题得到了解决，并且考虑了发电机变化率 约束的问题，但没有考虑再热式汽轮机的问题，对r i c c a t i 方程中的某些参数的确定 没有给出系统的方法，所以这些方法在应用上受到了一定的限制。文献【2 5 】提出了 一种互联电力系统鲁棒负荷频率控制器的设计方法，用匹配条件和l y a p u n o v 稳定 性理论来设计鲁棒稳定控制器，并且考虑了系统参数的不确定性，但也未考虑再热 式汽轮机的问题。 应当指出，在鲁棒控制设计方法中，要对电力系统进行物理分析，并且综合考 虑系统不确定性。然而，电力系统大的模型阶次、子系统之间联系的不确定性、参 6 ， 华北电力大学硕士学位论文 数的不确定性变化和电力系统复杂的结构，都使得直接使用标准鲁棒控制方法成为 不可能。 1 3 4 智能控制策略 实际上，许多非线性系统，如电力系统，可以用降阶模型来近似，这些模型可能是 线性的，而且一定与系统的基本特性有关。但是，这些模型只在特定的工作范围内有效， 不同的模型需要不同的工作环境，或者控制系统要采用新的系统模型参数。另一方面， 由于电力系统的复杂性和多变量的特性，经典控制策略不能很好的解决这些问题。因此， 为了评价类似系统的特性，人们提出了一种灵活的控制方法。最近几年里，现代智能技 术如模糊逻辑、人工神经网络( a n n ) 等在很大程度上解决了上述问题。如：文 2 6 】 结合p i 控制和模糊逻辑控制结构二者的优点，采用模糊增益安排比例积分控制方 法，该法能够对非线性和其它可预测的系统动态变化进行有效的补偿，优于自适应 控制或自调整方法。文 2 7 1 提出了一种用于多区域互联电力系统的预定的p i 增益模 糊控制方法，这种控制方法有效地削弱由负荷扰动产生的系统振荡。文 2 8 】针对环 型与星型连接的三个相同电力系统区域的传统积分增益自动发电控制器提出了一 种自调整、快速作用的模糊增益安排方案。在暂态响应方面，使用模糊逻辑自调整 积分增益的方法比使用固定积分增益的方法有更好的工作特性；若考虑相同的输入 参数和增益，环线系统比直线系统具有更佳的暂态响应。 文【2 9 】利用神经网络动态辨识电力系统的动态模型，并将模糊逻辑与神经网络 相结合，通过动态寻优确定最优性能指标下的p i d 控制器参数，设计一种两区域负 荷频率的神经模糊自适应p i d 控制器，使两区域的负荷频率控制有自学习适应能力， 又有p i d 控制的广泛适用性。文【3 0 】设计了一种新的混杂模糊神经网络控制器 ( h y b r i df u z z yn e u r a ln e t w o r k ，h f n n ) ，并将它与常规的模糊控制器、r b f 神经 网络控制器的控制效果进行比较。文 3 1 】提出了一种基于动态神经网络的自适应负 荷频率控制器，该动态小波神经网络有着滞后的动态特性，取小波母函数作为激励 函数和连接权值。自适应性是以调整负荷频率控制的小波神经网络参数为基础，它 是通过最小化负荷频率误差的阀值函数来实现的。文 3 2 提出了一种基于u 综合的 非线性智能神经网络控制器。为了避免大的建模误差和最小化区域负荷扰动的作 用，文中使用p 综合的思想来训练基于负荷频率控制的智能神经网络控制器。此方 法将二者的优点结合了起来，既能较好的克服系统的模型误差，参数偏离带来的问 题，也能将外部负荷扰动的影响降低到较小的程度。控制器被应用于两区域互联电 力系统模型中，并将其控制效果与普通的p i 控制器效果进行了对比。 1 3 5 预测控制方法 7 华北电力大学硕士学位论文 目前模型预测控制已在工业应用中取得了较大成功。主要原因是它能够对复杂 的多变量对象提供整体的设计方案；可以在线直接处理系统的输入、输出( 或状态) 约束；它的滚动时域控锘1 ( r e c e d i n gh o r i z o nc o n t r o l ，r h c ) 策略增强了控制系统在线 处理各种扰动和不确定性的能力，在每一采样时刻都能通过求解一个优化问题得到 控制律，其控制行为能提高系统运行的经济性。经济性能目标作为衡量控制方法标 准的一部分使得模型预测控制在负荷频率控制中得到了更多应用 3 3 】。文献 3 4 ，3 5 】 提出了一种分散模型预测控制来设计负荷频率控制问题。文献 3 4 1 中在每个采样点 都对性能指标进行优化计算得到最优的控制量，此外，该文中还将经济性能指标作 为控制要求的一部分进行研究，在这罩，利用边缘控制理论最小化机组调度和机组 逆转发电，从而降低负荷频率控制的成本。提出的方法用在三区域电力系统中，仿 真结果表明所设计的负荷频率控制器不仅满足了北美可靠性协会的控制性能指标， 而且也得到了预期的经济性能要求。 3 5 】提出的算法实现了两个目标，第一在 n e r c ( = l 美电力可靠性协会) 的c p s ( 控制性能标准) 标准下，用a c e 信号作为控制 器的输入，利用分散模型预测控制方法产生一个设定点信号作为调速器设定值，满 足了c p s l 和c p s 2 性能标准；第二降低了发电机组的机组疲劳和磨损。该方法将代 表c p s l 和c p s 2 的条件作为模型预测输入约束，充分利用了预测控制直接解决约束 的优点，仿真结果证明了该方法的有效性，但文中对负荷频率控制系统没有考虑发 电机发电率约束( g e n e r a t i o nr a t ec o n s t r a i n t s ，g r c ) 和再热机组的问题。文 3 6 】提出 一种基于状态收缩约束的模型预测控制策略( s c c m p c ) 。这种控制策略具有一般有 限时域模型预测控制的特点，并且在算法中引入了一个状态收缩约束，从而保证了 模型预测控制算法的稳定性。对s c c m p c 的名义稳定性、鲁棒稳定性分别进行了分 析，并用数学方法证明了s c c m p c 算法的名义稳定和鲁棒稳定。用s c c m p c 策略 设计多区域电力系统的负荷频率控制器， s c c m p c 控制器使系统频率趋于正常值， 仿真结果说明系统在受到负荷扰动时， 区域间的交换功率也趋近于计划值。但是 这种算法本身比较复杂，具有局限性。文献【3 7 】将一种可以控制大规模网络系统的 分散模型预测控制策略应用到四区域互联的自动发电控制系统中，它将整个系统分 散成许多子系统，且每个子系统都有自己的模型预测控制器，这些子系统相互配合， 子系统间互相优化，将模型预测的优化问题分到各个子系统，共同实现系统的控制 指标，这种方法解决了集中模型预测控制不能控制大规模且地理分散的电力系统的 问题，且能保证系统闭环的稳定性。 1 4 本文的主要研究内容 上面的分析研究可以看出只有对a g c 系统进行控制才能满足同益发展的现代 8 华北电力大学硕+ 学位论文 电网安全、经济、优质运行的要求。纵观国内外各种控制策略在自动发电控制a g c 中的应用，智能控制策略在电力系统负荷频率控制中得到广泛应用。但各种方法各 有弊端，只是将先进算法应用到a g c 系统上，却忽略了a g c 系统中本身存在的非 线性因素。本文将针对考虑了非线性因素的a g c 系统进行研究，主要涉及了发电 机发电率约束问题和调速器死区问题，设计相应控制策略来解决，并在m a t l a b 仿真中验证了这些控制策略的可行性。本文章节安排如下： 第一章介绍了自动发电控制的研究背景及意义、国内外a g c 的发展概况及历 程、并对a g c 的各类控制策略横向比较、研究。 第二章介绍了自动发电控制系统的原理、结构、基本任务和基本功能，分析了 电网一次调频与二次调频功能，此外本章还分析了电力系统自动发电控制的不同控 制模式，最后对自动发电控制系统的动态模型进行了分析，建立起来了两区域互联 电力系统a g c 模型。 第三章分析了a g c 系统的非线性因素：发电机发电率约束和调速器死区问题。 并分别针对这两个非线性因素进行研究。针对广义预测控制算法可以直接解决约束 问题，将带可测扰动的多变量广义预测控制算法用到两区域再热式火电机组a g c 系统中来解决约束的问题，验证了其有效性；该章后半部分对考虑调速器死区问题 的两区域再热机组进行了建模，并将模糊自整定p i 算法应用到该系统中进行仿真研 究。 第四章介绍了c p s 性能标准及c p s l 、c p s 2 标准的优化规则，将c p s 标准优 化算法应用到a g c 系统中，以提高电网质量，使之满足控制性能标准。接着描述 了s m e s 的工作原理，并对此系统进行分析，由于每个控制区域的电感储能单元的 电压偏差是由电力系统同一单元的a c e 决定的，将a c e 作为s m e s 单元输入，建 立了该单元的控制模型，并由此建立带s m e s 单元的a g c 模型以来降低调速器死 区非线性特性对自动发电控制的影响。针对此模型，采用c p s 优化模糊神经网络对 该系统进行控制仿真。 第五章对本论文研究工作进行总结，指出下一步要做的研究工作。 9 华北电力人学硕士学位论文 第二章自动发电控制基本理论及其动态模型 2 1 自动发电控制概述 2 1 1 自动发电控制的任务 从控制系统角度来认识，a g c 是一个如图2 1 所示的主要包括两大控制功能的闭 环反馈控制系统：一是负荷分配器，另一是机组控制器。负荷分配控制器的功能是 根据系统频率和其它有关信号，按一定的调节准则确定各机组的有功出力设定值， 该部分为传统电力系统自动化的内容。机组控制器则是根据负荷分配器设定的有功 出力，使机组在额定频率下的实发功率与有功出力设定值相一致【38 1 。 图2 一ia g c 组成不惫图 因为电力系统负荷预测模型的不精确和算法上考虑的不周全，发电机组的出力 和系统调度e m s 中的负荷预测得到的负荷总是存在一定的差距。自动发电控制就 是通过监视电厂出力和系统负荷之间的差异，来控制调频机组的出力，以满足不断 变化的用户电力需求，达到电能的发供平衡，并且使整个系统处于经济的运行状态。 从电网经济运行与安全稳定运行的角度看，a g c 的基本控制任务是【3 9 l ： 1 ) 使发电自动跟踪电力系统负荷变化； 2 ) 调整电网频率偏差到零，保持电网频率为额定值( 5 0 h z ) ； 3 ) 在各控制区域内分配全网发电出力，使区域间联络线潮流与计划值相等： 4 ) 在本区域发电厂间分配发电出力，使区域运行成本最小，达到经济性要求： 5 ) 监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求。 l o 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 自动发电控制基本功能 实际的a g c 系统的基本功能可概括为两部分功能：负荷频率控制( l o a d f r e q u e n c yc o n t r 0 1 ) 和经济调度( e c o n o m i cd i s p a t c h ) 。 l f c 最基本的任务就是调整系统频率到额定要求值( 如5 0 h z ) 和维持各区域之 间联络线的交换功率为计划值。这主要是通过调节a c e 参数到零或进入预先规定的 死区来实现。如果不考虑自动修正时差及交换电能差，a c e 的计算公式为联络线上 实际的交换功率与其计划值的差值加上频率的实际值与其计划值的差值。其中的频 率差值需乘上一个频偏系数【4 0 1 。此时： a c e = ( 一只) + 1 0 8 ( l 一，)( 2 - 1 ) 式中 只实际交换功率，是本区域所有对外联络线交换功率的代数和，m w ： 只计划交换功率，m w ； 疋电网的实际频率，h z ； f 电网的计划频率，h z ； b 电网频偏系数，m w 0 1 h z ； 很显然，在一段时间内，计划的联络线交换功率和系统频率是不变的，而实际 的交换功率和系统频率则取决于电力系统的发电水平和负荷水平。在一般情况下， 我们都是要维持当前的负荷水平。因此，通常只能通过调节电力系统中可控机组的 出力来改变只和兀，从而达到减少a c e 的目的。l f c 的这一功能称作为a c e 调节。 除此之外，l f c 还能驱使a g c 所控机组达到最优负荷水平以使发电成本减少到 最小。这种功能也可以说是l f c 的经济调节，即经济调度( e d ) 。 经济调度模块是用来确定最经济的发电调度，以满足给定的负荷水平的。它最 终的计算结果就是一组发电机组的经济基点值和一组经济分配系数，并把它们传送 给l f c 。所谓机组的基点值就是指机组通常的运行点，也即机组通常的基本出力， 经济基点值就是指根据某种经济性规则而确定的基点值。一般情况下，e d 模块会周 期地自动启动以完成任务。 2 2 电网的频率控制 系统的频率依赖于有功功率的平衡。由于频率是系统的共同因子，一个点上的 有功功率的供需变化通过频率的变化反映到整个系统中。由于系统中由许多发电机 供电，因此必须通过一些方法把供需变化分配到各发电机。发电机的调速器提供了 基本的速度调节功能，来自控制中心的辅助控制信息将分配发电机的发电容量。在 互联系统中，若存在两个及其两个以上的独立控制区域，除了频率控制，每个区域 的发电量也必须控制以便于维持区域间预定的功率交换【4 1 1 。 l l 华北电力人学硕十学位论文 2 2 1 电力系统的频率一次调节 电力系统频率的一次调节是指利用利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机 的调速器的作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。 当电力系统中原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引起电力系统频率的变 化，此时，存储在系统负荷的电磁场和旋转质量( 如电动机、照明镇流器等) 中的 能量会发生变化以阻止系统频率的变化，即当系统频率下降的时候，系统负荷会减 少；当系统频率上升时，系统负荷会增加。这称为系统负荷的惯性作用，它用负荷 的频率调节效应系数( 又称系统负荷阻尼常数) d 来表示： d = 尸a u ( m w h z ) ( 2 - 2 ) 系统负荷阻尼常数d 常用标么值来表示，其典型值为1 2 。d = 2 意味着1 的频 率变化会引起系统负荷2 的变化。 当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机的转速即发生变化，如转速 的变化超出发电机组规定的不灵敏区，该发电机的调速器就会动作，改变其原动机 的阀门位置，调整原动机的功率，以求改善原动机功率或负荷功率的不平衡状况， 即当系统频率下降时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会增大，增加原动机 的功率；当系统频率上升时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会减小，减少， 原动机的功率。发电机调速器的这种特性称为机组的调差特性，它用调差率r 来表 示： r = 【( n o 一) 虬】木1 0 0 ( 2 3 ) ： 式中：n o 表示无载静态转速( 主阀在无载位置) ； 表示满载静态转速( 主阀全开) ； 。表示额定转速。 调差率r 的实际涵义是，如r = 5 ，则系统频率变化5 ，将引起主阀位置变化 1 0 0 。 2 2 2 频率的二次调节 由于发电机组一次调频实现的是频率有差调节，所以早期的频率二次调节是通 过控制调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特性曲线的位置，实现频率的无 差调整。但未实现对