（电力系统及其自动化专业论文）基于广域测量技术的非线性励磁控制的研究.pdf

致错误的控制决策的问题，设计中考虑到参考机信息等实时全局信息，把广域 测量技术引入到参考机坐标系f 的非线性励磁控制模型中，采用商接反馈线性 化理论和线性系统的变结构控制理论帽结合的方法，推导出基于广域测量技术 的全局非线性变结构励磁控制规律。以电力科学研究院的暂态稳定分析软件 p s a s p 为研究工具，通过对p s a s p 的3 机9 节点系统的仿真分析，验证了基于 广域测量技术的非线性变结构励磁器由于引入了参考机信息这一全局信息而能 够较好地提高多机电力系统的暂态稳定性。 然后，本文在此研究成果的基础上，进步深入，针对励磁控制器设计中 运用局部线性化原理的不精确性和精确线性化原理时模型的复杂性问题，采用 基于广域测量技术的观测线性化追踪目标控制原理设计了同步坐标系和参考机 坐标系这两种不同坐标系下的多机系统的观测线性化追踪目标励磁控制器，通 过对p s a s p 的3 机9 节点系统的仿真比较了基于广域测量技术的观测线性化 追踪目标励磁控制与非线性变结构励磁控制在改善和提高暂态稳定性的差别， 验证了基于广域测量技术的观测线性化追踪目标励磁控制器能更进一步地改善 非线性励磁控制器的性能，提高了系统承受大扰动的能力和系统的暂态稳定性。 最后本文总结了全文的研究成果，并展望了非线性励磁控制以及广域测量 技术的发展动态和方向。 关键词：非线性励磁控制广域测量系统直接反馈线性化变结构控制 观测线性化追踪目标控制 n o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l e rr e s e a r c hb a s e do n w i d e a r e a sm e a s u r e m e n ts y s t e m m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：x i a o y a nw a n g a d v i s o r ：x i a o y a nq i u w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l ei n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e mn e t w o r k ，i t b r i n g sp r o m i n e n te c o n o m i c a lb e n e f i t sa tt h es a m et i m e ，p o w e rs y s t e mi sr u n n i n gi n l i m i ts t a t eb e c a u s eo fr e s t r i c t so fe n v i r o n m e n ta n de c o n o m yf a v o r s i tm a k e st h e s t a b i l i z a t i o np r o b l e mo fp o w e rs y s t e mi n c r e a s i n g l ye v i d e n t o n c es y s t e ms t a b i l i t yi s d e s t r o y e d ，i tc a u s e st h ec a l a m i t yr e s u l to fs y s t e mc o l l a p s e ，w h i c hg i v e sr i s et op o w e r c u ti nl o n gt i m ea n dl a r g er a n g e ，t od e v e l o pc o n t r o ls y s t e mi st h ep r i m a r ym e a n st o i m p r o v ea n de n h a n c ep o w e rs y s t e m ss t a b i l i t y e x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri sr e g a r d e da s o n eo ft h em o s te f f i c i e n ta n de c o n o m i cm e a n s ，w h i c hm a yi m p r o v et r a n s i e n ts t a b i l i t y a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e a st op o w e rs y s t e ms u f f e r i n ga l lk i n d so fd i s t u r b a n c e o c c a s i o n a l l ya n dp o s s i b l y , i ti si m p o r t a n tt of i n do u ts u i t a b l ee x c i t a t i o nc o n t r o lr u l e t oi m p r o v es y s t e m st r a n s i e n ts t a b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r a t i o no fr e l a t e dt e c h n i q u e s ，f o r e x a m p l ec o m p u t e gn e t w o r k ，w i d e - a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，n o n l i n e a r c o n t r o l t e c h n i q u e ，a n d s o o n ，p r o v i d ec o n d i t i o n s t o i m p r o v e e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r s p e r f o r m a n c e s i n c ei t i sp r o d u c e dt h a tw i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ( w a m s ) b a s e do ng l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) a n dp h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ( p m u ) ， g e n e r a t o r sa n g l ea n db u sv o l t a g ep h a s em a yb em o n i t o r e dr e a l l y ，w h i c hm a y o b s e r v et h ew h o l es y s t e mn e t w o r k st r u er u n n i n gc o n d i t i o n s s ow a m ss u p p l yk e y m e a s u r em e t h o d sf o rt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo p e r a t i n go f p o w e rs y s t e m t h i sp a p e rt r i e st om a k eu s eo ft h ea d v a n t a g e so fw i d e a r e am e a s u r e m e n t s y s t e m ，a n da d o p t af e wo fn o n l i n e a rc o n t r o lm e t h o d s ，a n dd e s i g nn o n l i n e a r e x c i t a t i o n c o n t r o l l e ra n dt r a c k i n go b j e c t i v ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rt ol n e l i o r a t et h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f p o w e rs y s t e ma n di n c r e a s ep o w e rs y s t e m ss t a b i l i t y a tf i r s t ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hc o n d i t i o n st h a to v e r s e a sr e s e a r c h m a d ei ne x c i t a t i o n c o n t r o lm a dw a m s a n di n t r o d u c e st h en o n l i n e a re x c i t a t i o n c o n t r o lt h e o r y , a n de x p a t i a t et h ea p p l y i n go f w a m si nt h es t a b i l i t yc o n t r o lo f p o w e r s y s t e m ，e s p e c i a l l yn o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l s e c o n d l y , a i m i n ga t t h ep r o b l e mo fl o c a lm e a s u r ei n f o n n a t i o nn o t r e a l l y r e f l e c t i n gt h ew h o l es y s t e mn e t w o r k sn m n i n gc o n d i t i o n sa n dr e s u l t i n gi nm i s t a k e c o n t r o l d e c i s i o n m a k i n g ，t h ep a p e rt a k e ss o m er e a l t i m ew h o l ei n f o r m a t i o ni n t o a c c o u n ta n di n t r o d u c e sw a m si n t ot h en o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o lm o d e lu n d e rt w o d i f f e r e n tr e f e r e n c ef l a m e san e wn o n l i n e a r l yv a r i a b l es t r u c t u r ee x c i t a t i o nc o n t r o l l a wi sc o m et oac o n c l u s i o na d o p t e db yf e e d b a c k1 i n e a r i z a t i o ni nt h en o n l i n e a r s y s t e ma n dv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r yi nt h el i n e a rs y s t e mp o w e rs y s t e m a n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e ( p s a s p ) d e v e l o p e db ye l e c t r i cp o w e rs c i e n c ea c a d e m e i su s e da sr e s e a r c ht o o lt h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r h a sp o w e r f u lc a p a b i l i t yo fr e c e i v i n gl a r g ed i s t u r b a n c ea n di m p r o v et h e s y s t e m s t a b i l i t yt h r o u g ht l u e e m a c h i n ea n dn i n e - b u sm o d u l eo f p s a s p t h i r d l y , a i m i n ga tt h ei n a c c u r a t ee x i s t i n gi nl o c a ll i n e a r i z a t i o nt h e o r ya n dt h e m o d u l e sc o m p l e x i t ye x i s t i n gi n p r e c i s el i n e a r i z a t i o nt h e o r y , t h ep a p e ra d o p t s o b s e r v a t i o n a ll i n e a r i z a t i o na n dt r a c k i n go b j e c t i v ee x c i t a t i o nc o n t r o lt h e o r yt od e s i g n an e wn o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l e r t h ee f f e c t i v e n e s sa n ds u p e r i o r i t i e so ft h e d e s i g n e dc o n t r o l l e ri sv e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n t sa n dt r e n d so ft h en o n l i n e a r e x c i t a t i o nc o n t r o la n dw i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m k e y w o r d s ： n o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l f e e d b a c kl i n e a r i z a t i o n w i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l o b s e r v a t i o n a ll i n e a r i z a t i o na n d t r a c k i n go b j e c t i v ec o n t r o l i v 1 1 引言 第一章绪论 现代电力系统已经步入大电网、大机组、高电压、跨区域联网的新阶段1 1 0 j 。 但随着大型电力系统互联的发展以及各种新设备的使用，在使发电和输电更经 济、高效的同时，也增加了电力系统的规模和复杂性。与此同时，由于环境和 经济等因素的制约，区域间联网和远距离大容量输电系统的不断出现，系统运 行更加接近极限状态，这使得系统的稳定性问题同益突出，电力系统一旦失去 稳定，往往会造成大范围、较长时删的停电，在最严重的情况下，则可能使系 统崩溃和瓦解，近年来世界上连续发生的大停电事故证明了这一点i “。另外， 由于竞争机制下电力市场的启动和实施，系统的运行方式和运行情况出现一些 新的变化，从而使电力系统的稳定性问题变得更加复杂化。 特别是在我国，由于目前输电线路建设滞后于电源的建设，高低压电磁环 网结构较多，而且电网问的联系薄弱， 些电网中，由于受到稳定性要求的制约 从而更容易发生稳定性事故：同时在一 使某些输电线路的传输容量受到限制。 在这种情况下，研究和实现相应的稳定控制措施，不但可咀提高系统运行的可 靠性，而且可以因传输能力的提高而产生直接的经济效益。 施加控制是改善和提高电力系统的稳定性的主要手段i j j 。在这些措施中， 发电机组的励磁控制一直被看作是改善电力系统的大干扰稳定性及动态性能的 最有效、最经济的手段之一。对于随时可能遭受各种干扰的电力系统来说，找 出合适的励磁控制规律对于提高电力系统暂态稳定性至关重要。本文侧重于研 究非线性励磁控制在改善和提高系统暂态稳定性方面的作用。 考虑到目前的电力系统是一个高维非线性的大系统，且发电机励磁控制的 措施还不完善，许多非线性励磁控制方式还有待进一步改善和提高。因此研究 发电机的非线性励磁控制具有重要的理论意义和实际意义。 近年来世界上发生的多起稳定事故造成了巨大损失，现代大电网的运行己 经对系统的稳定与控制提出明确的要求。国际大电网会议、国际电子电工协会、 北美的区域性系统可靠性委员会均成立了专门的工作小组对大电网的稳定与控 旧川1 人学坝i 掌位论义( 2 0 0 5 j 制问题进行交流研究【。“。稳定性控制在电网保护控制中是基本定位十常规保护 及数据采集和监测控制系统填量管理系统( s c a d a e m s ) 之划的系统保护控 制手段。1 9 6 5 年北美大停电后，丌始了这类系统装置的丌发应片j 。遗憾的是， 北美1 9 9 6 年以及2 0 0 3 年的大停电均是由电网稳定弓i 起的【6 1 。 2 0 世纪9 0 年代初，随着全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 和相量测量单元( p h a s o r m e a s u r e m e n t u n i t ，p m u ) 的成功研制，标志着同步相 量( s y n c h r o p h a s o r ) 技术的诞生。它在电力系统中的广泛应用，促进了大电网广 域测量系统( w i d e a r e am e a s u r e m e n t ss y s t e m ，w a m s ) 的形成和发展，这是现 代电力工业最重要的技术之一【8 - 9 】。现代电网的规模不断扩大，动态特性非常复 杂，稳定性控制越来越需要从系统整体来考虑。w a m s 能通过p m u 作为基层 单元采集信息而实现对广域电网运行状态的实时同步测量，借助十高速通信网 络还可将测得的相量数据进行汇总，这就为实现全局性的稳定性控n g , l 造了条 件。 将w a m s 应用于大电网的稳定性控制已经得到广泛关注。我国国家电力调 度中心在2 0 0 2 年制定的电力系统实时动态监测系统技术规范( 试行) 中提 出：w a m s 应用的“近期目标是对电力系统的动态过程进行监测和分析，逐步 实现与能量管理系统( e m s ) 及安全自动控制系统的联接，远期目标是对电力 系统的动态过程进行控制。” 通常的电力系统设有“三道防线”继电保护、稳定控制、解列措施。 作为保证电网安全稳定运行的第二道防线的稳定控制对于保证电力系统安全稳 定运行起着关键作用，是臼前国内各大型电力和电网公司重点投资研制暂态稳 定控制的主要原因1 1 0 1 。 暂态稳定控制一般包括3 个环节： 采集电网的电气参数和状态信息的测量环节； 根据测量获得的数据进行判断并决策采取控制措施的决策环节； 实现具体控制的执行环节。 其中决策环节是控制系统的核心。它的关键问题是如何根据观测量来预测 系统的暂态稳定性，进而选取可行乃至优化的控制措施。目前广泛应用的暂态 稳定控制，控制决策上大多采用的模式是：在系统不同的运行方式下，检测到 些业奎兰坐! 一主焦笙塞! ! 塑! ! 特定的扰动发生后，按照断面或单线潮流的档位来选择控制措施。其存在的问 题是； 保守度难以估量，跟负荷特性相关的不确定性因素的影响难以排除，可 能会导致过于乐观或过于谨慎的控制： 运行方式变化较大时，特别是当电源、网络拓扑结构和负荷发生较大变 化时，控制装置的定值需要及时更新，改动量大，升级换代困难： 更为严重的是策略表往往是基于离线参数和数学模型的，而目前的仿真 计算与实测数据之间存在着明显差异，这就有可能导致错误的控制决策； 暂态稳定性是电力系统的全局特性，局部测量信息缺乏对系统整体的认 识，因而难以获得精确而可靠的控制作用，从而可能导致过切机组或过切负荷， 造成大面积停电。 在暂态稳定控制系统中引进广域测量技术，正是为了克服其不足之处。近 年来，国内外一些学者从系统的全局来考虑将广域测量技术成功地应用到电力 系统的全局性暂态稳定性控制，并取得了很好的效果 4 8 - 5 0 , 5 9 】。 如何把先进的广域测量系统理论引入到非线性励磁控制中，来实现提高系 统承受大扰动的能力，从而提高系统的暂态稳定性是本文所要重点讨论的内容。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 励磁控制的研究状况 从2 0 世纪4 0 年代至今，励磁控制的发展经历了四个阶段： 第一阶段：控制规律是采用按发电机机端电压的偏差束进行调节的方式， 有p i 调节及p i d 调节，通常将这种方式称为常规励磁控制方式。常规励磁控制 器的结构简单，参数整定方便，但不能改善系统的阻尼特性，系统的动态品质 较差。 第二阶段：2 0 世纪6 0 年代随着大容量机组、远距离输电以及快速励磁系 统的广泛应用，致使系统的阻尼特性恶化。为了改善系统的阻尼特性，抑制由 阻尼不足而引起的自发振荡，基于古典控制理论中的相位补偿技术提出了一种 辅助励磁控制方式- - _ 电力系统稳定器( p s s ) ，即产生了p i d + p s s 励磁控制方式。 叫j 1 1 人学坝j 学位论文( 2 0 0 5 ) 第三阶段：2 0 世纪7 0 年代随着现代控制理论的发展，线性最优控制理论 被引入到励磁控制的设计中，出现了线性最优励磁控制器，成为兼有自动电压 调节器( a v r ) 和p s s 的励磁控制方式。 第四阶段：目前的电力系统已经发展为一个巨维数的强非线性的大系统， 而电力电子技术在电力系统中的广泛应用进一步增加了系统的复杂程度。以上 三种励磁控制器的设计方法都是基于在工作点附近线性化得到的模型，因此当 系统发生较大的波动或者遭受大干扰使实际状态点偏离设计所选用的平衡点时 必然会影响控制效果，甚至导致控制失误。如何有效提高励磁控制对强非线性 和时变性的适应能力是第四阶段励磁控制器设计的主要问题。 现代互连电网可以用高度非线性、不连续来描述，因而难以在数学甚至概 念上建模。这使得输配电网络的安全性、性能转输控制的研究必须在非线性的 基础上展，1 ：，因此非线性控制理论被引入到励磁控制的设计中。非线性控制的 方法主要有：直接反馈线性化方法、微分几何方法、变结构方法、逆系统方法、 白适应控制方法、混沌控制等l 】9 l 。 只有对电力系统内部结构以及研究对象有了深刻的了解，才能熟练运用各 种方法，并使所设计的非线性励磁控制器更可靠、更合理。 随着计算机技术、网络技术、基于g p s 和p m u 的广域测量技术、等相关技 术的发展和成熟，为励磁控制性能的进一步改善和提高提供了条件。研究人员 已经把广域测量技术应用到非线性励磁控制中1 5 “，希望获得更优良的控制性能。 1 2 2 广域测量系统的研究状况 自从1 9 9 3 年美国研制出第一台p m u 以来，在信息、通信等技术的推动下， 广域测量技术得到很大发展和广泛应用，逐渐形成了一个新的技术领域。该领 域的理论研究与应用丌发已初步取得效果h 1 。 广域测量技术最早在美国和欧洲的电力系统中得以应用，主要是利用它的 测量数据来提高系统状态估计的精度及进行相关的保护、监测和控制研究| i ”1 。 美国西部联合电力系统( w e s t e r ns y s t e m sc o o r d ln a t in gc o u n c 订，w s c c ) 还 通过w a m s 开发了基于高速监测和快速控制的系统调度运行方式i l “，目的是及时 发现系统的动态干扰以避免不稳定状态的蔓延，从而避免导致系统大范围停运 叫j 1 1 人学砸 学位论文( 2 8 0 5 ) 和停电事故的发生。日本应用广域测量技术丌发了在线全局动态监测系统”j ， 用于研究广域低频振荡，在主要的厂站安装了p m u ，通过i n t e r n e t 传输测量数 据，通过小波变换提取振荡频率，求研究电力系统的动态特性及估计发电机静 态时的阻尼系数和固有角频率，以此提高广域电力系统的控制效果。在传统的 电力系统稳定器( p o w e rs y s e ms t a b i l iz e f ，p s s ) 中加入广域信号，构成广 域p s s 。冰岛比较了本地( 传统) p s s 和广域p s s 的作用l 】8 i ，发现本地p s s 对于 本地模式有更好的阻尼作用，而广域p s s 由于输入信号的频差使得区间模式更 容易观测。 在我国，1 9 9 5 年前后清华大学丌始该领域的理论研究和应用开发】，并于 1 9 9 7 至2 0 0 0 年在黑龙江省东部电网安装了7 台p m u 。最近几年广域测量技术得 到了广泛的重视和应用，江苏省电网、三峡电网、华北电网、东北电网、南方 电网和台湾地区电网已部分完成或f 在实施庞大的w a m s 计划。 总的来说，基于同步相量技术的广域测量系统理论中的关键测量技术己基 本解决，应用理论体系正在逐步完善。该技术在大电网的稳定性分析、预报与 控制方面的应用将是今后的研究目标。 1 3 本文所作的主要工作 随着计算机技术、网络技术、基于g p s 和p m u 的广域测量技术、非线性 控制技术等相关技术的发展和成熟，为励磁控制性能的进一步改善和提高提供 了条件。 本论文的研究侧重于广域测量技术在非线性励磁控制中的应用，综合运用 多种非线性控制理论方法，设计了多机系统的基于广域测量技术的非线性变结 构励磁控制器和观测线性化追踪目标励磁控制器，以改善电力系统的动态特性 和提高系统的暂态稳定性。 本文在基于p m u 的广域测量技术的基础上，对多机系统的非线性励磁控制 进行了一些探索，所做的主要工作有： 1 、针对局部测量信息不能反映电网全局的真实运行状念，可能导致错误的 控制决策的问题，设计中考虑到发电机功角等实时全局信息，把广域测量技术 引入到参考机坐标系下的非线性励磁控制中。在深入研究了变结构控制理论及 q 川人学f l ! j 十学位论立( 2 0 0 5 ) 直接反馈线性化理论的基础a - ，将两者结合起来进行变结构控制器的设计，推 导出同步坐标系下基于局部测量信息的分散非线性变结构励磁控制和参考机坐 标下基于。域测量技术的全局非线性变结构励磁控制规律，并且在变结构励磁 控制设计中，采用了指数控制律，提高了控制的响应速度。 2 、以电力科学研究院的暂态稳定分析软件p s a s p 为研究1 具，在p s a s p 的 3 机9 节点系统中完成本文所提出的基于广域测量技术的非线性变结构励磁控 制器的设计过程，通过仿真分析比较了基于广域测量技术的全局非线性变结构 励磁控制与基于局部测量信息的分散非线性变结构励磁控制的性能，验证了基 于广域测量技术的非线性变结构励磁器由于引入了参考机信息这一，。域量测量 而能够较好地提高多机电力系统的暂态稳定性。 3 、针对非线性励磁控制设计中运用局部线性化原理的不精确性和精确线性 化原理时模型的复杂性问题，采用基于广+ 域测量技术的观测线性化追踪目标控 制原理推导出了同步坐标系、参考机坐标系这两种不同坐标系下的多机电力系 统的观测线性化追踪目标励磁控制策略。 4 、在p s a s p 的3 机9 节点系统中完成本文所提出的基于广域测量技术的观 测线性化追踪目标励磁控制器的设计过程，通过仿真分析比较了基于广域测量 技术的观测线性化追踪目标励磁控制与非线性变结构励磁控制在改善和提高暂 态稳定性的差别，验证了基于广域测量技术的观测线性化追踪目标励磁控制器 能进一步改善了非线性励磁控制器的性能，提高了系统承受大扰动的能力和系 统的暂态稳定性。 p u 川1 人学坝i 学位论文( 2 0 0 5 ) 2 1 引言 第二章非线性励磁控制原理 作为一种传统控制，发电机的励磁控制是改善电力系统大干扰稳定性及动 态性能的最有效、最经济的手段之一，在电力系统稳定控制中一直发挥着关键 作用。同步发电机是一个典型的具有高度非线性特性的设备。当电力系统的运 行条件改变时，它的动态特性会有显著的改变。对于发电机的非线性励磁控制， 本文作者也进行了一定的研究1 2 0 “1 。 2 2 励磁系统的组成 一般的励磁系统的组成可以用图来表示【2 j ： 参 图31 同步发电机的励磁控制系统 f i g 3 1e x c i t a t i o nc o n t r o io fs y n c h r o n a lg e n e r a t o r 力网 ( 1 ) 主励磁系统为发电机的励磁绕组提供励磁电流： ( 2 ) 励磁调节器用于对励磁电流进行调节或控制： ( 3 ) 发电机端电压测量与负载补偿环节测量发电机的端电压并对发电机负 载电流进行补偿； p qj i f 大学坝 学位论义f 2 0 0 5 ) ( 4 ) 辅助调节器对励磁调节器输入辅助控制信号，最常用的辅助调节器是电 力系统稳定器( p s s ) ； ( 5 ) 保护和限幅环节用于确保机组的各种运行参数不越过其限值。 通常励磁控制所研究的就是励磁调节器的控制规律。 2 3 非线性励磁控制的主要研究方法 通常对非线性系统进行控制主要有两大类处理方法： 1 、直接应用非线性控制理论的结果，如l y a p u n o v 直接法、无源系统理论、 非线性日。控制、鲁棒控制、智能控制。 l y a p u n o v 直接法 用l y a p u n o v 直接法分析多机系统的暂态稳定性始于2 0 世纪6 0 年代中期， 它是针对非线性系统构造l y a p u n o v 能量函数，并通过所构造的l y a p u v 能量函 数判断系统暂态稳定性的方法，通过比较故障切除时刻的系统能量与故障后系 统的临界能量得出故障后系统是否稳定的结论。由于直接考虑r 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 2 3 选择k r a s o v s k i 型l y a p u n o v 函数推出了实用的非线性励磁控制器： 对于稳定的系统必存在多种l y a p u n o v 函数，但如何构造l y a p “n o v 函数却并 非易事；同时，l y a p u n o v 直接法由于其对模型的限制和计算结果的可靠性而不 适用于高阶的大型电力系统暂态稳定的研究。 无源系统理论 无源系统是一类考虑系统与外界有能量交换的动态系统，系统无源可以保 持系统的内部稳定，对于存在干扰的系统来说，为了使得系统内部稳定，可以 依靠无源理论来构造反馈控制器，使得相应的闭环系统无源而保持系统内部稳 定。从无源系统的角度看，l y a p u n o v 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f 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。文献 2 4 基于无源系统无源优化控制方法， 针对单机无穷大系统( s i i b ) 构造了非线性最优励磁控制器，仿真结果证明了该 州j 1 1 大学坝i 学位论丘= ( 2 0 0 5 ) 控制器的有效性。 非线性。控制 非线性h 。控制是2 0 世纪8 0 年代提出的一种鲁棒控制 里沦，其实质是干 扰抑制问题。h 。数学意义上是复频域上在右半平面解析有界的全体函数组成 的空间。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 。控制问题可归结为求解 h j i 不等式，但目前尚无有效的解析求解方法。这种控制理论可以有效地抑制 线性系统中的各种干扰对系统输出的影响。所以基于爿。控制理论的鲁棒控制 在电力系统控制器设计与分析中的应用越来越受到重视。文献 2 5 在相关假设 及4 个边界函数的限定下使用h 。控制进行了励磁控制器的设计 智能控制 电力系统的强非线性、时变性和某些不确定因素，常使建立精确模型有困 难。为了计及这些因素的影响，仅靠现有的基于状态方程的各种解析的非线性 和线性控制理论是无能为力的，必须将控制理论和人的经验及直觉推理相结合， 进行智能控制。研究表明，目前的自适应控制对有纯滞后、需要前馈补偿且动 态过程变化缓慢的系统，可做到效果较好，但对动态过程变化迅速的系统效果 欠佳，而且自适应控制其工况又处于不断的变化之中，运算速度即实时性问题 难以懈决以及还存在稳定性、鲁棒性问题；而基于模糊集合的模糊控制理论及 人工神经元网络途径等智能控制则必须建立在电力系统的模型基础上，且有关 的训练数据样本集不易从实际中获得。所以，最好将它们作为辅助控制手段， 与其他方法配合应用。 文献 2 6 将智能控制和系统辨识的方法与线性最优励磁控制相结合，提出 了一种新的多机电力系统神经网络实时最优励磁控制。所设计的控制器既保留 了单机系统l o e c 实现简单、控制效果好的优点，又可实现多机系统中的实时最 优励磁控制。 2 、先将非线性系统在某一邻域内进行反馈线性化，然后运用现代控制理论 的思想和方法进行控制器的设计”。 反馈线性化 反馈线性化技术是非线性控制理论的一种有效方法，包括微分几何的精确 线性化、直接反馈线性化( d f l ) 、逆系统方法等。 9 型! ! ) 叁兰坐! 。兰坐堕苎! ! 竺堕： 基于微分几何理论的反馈线性化方法：是通过局部微分同胚变换，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。对于仿劓 非线性系统，若系统的关系度r 等于系统的维数”，则一定可以构造出微分同肚 映射，通过合理地构造非线性反馈，实现系统的精确线性化。对于关系度小于” 和没有明确的输出的系统，通过构造一个虚拟的输出，同样有可能实现系统的 线性化。对于某些不能实现精确线性化，可采用零动态的设计方法，即通过反 馈实现系统的外部响应线性化，对于内部响应，则只要系统稳定。文献 2 8 利 用微分几何方法设计了非线性励磁控制器，在改善系统稳定性的同时，防止了 电压超调现象：文献 2 9 利用微分几何方法设计了非线性最优励磁控制器，同 时还证明了线性化后系统在l q r 原则下的最优控制等价于原非线性系统在准二 次性能指标下的最优控制。 d f l 方法：是1 9 8 1 年由中科院系统所的韩京清教授首先提出的，该方法不 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。针对一个非线性系统，若能通过非线性反馈的引入，使得闭环 系统成为具有线性表示形式的“伪线性系统，则可以采用常规的线性系统控 制方法设计系统控制。对励磁控制的研究表明，这种方法与微分几何方法具有 相同的控制规律”。1 。文献 3 1 则运用d f l 技术设计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态稳定性和故障后的电压调节性能。 逆系统方法：针对一个非线性系统，若能通过非线性反馈的引入，使得闭 环系统成为具有线性表示形式的伪线性系统，则可以采用常规的线性系统控制 方法设计系统控制规律，通过构造实际对象的口阶积分逆构成伪线性系统来达 到控制要求，它具有和d f l 一样与微分几何方法等价。已有将多变量的逆系统 方法用于大型汽轮发电机组的综合控制，同时考虑了励磁控制和汽门丌度控制， 以提高系统的综合性能口”。仿真结果表明，所设计的控制律可有效地提高发电 机的稳定性和电压精度。 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) 、变结构控制、自适应控制 相结合，则可以解决参数的鲁棒问题。 反馈线性化与鲁棒控制方法的结台 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 l n 动态转换为一个带有未知平衡点的线性不确定系统，从而获得一个非线性分散 励磁控制器”3 1 ；在所设计控制器的d f l 控制器中增加了一个p i 型电压伺服补偿 器，反馈增益通过鲁棒控制理论来选择，通过对单机系统的仿真证明了该控制 器的优良性能n ：利用精确线性化与线性h 。结合的设计方法，设计了励磁和 汽轮机调速控制器，并就其特性及作用效果进行了讨论【3 “。 反馈线性化与变结构方法的结合 变结构在电力系统的应用研究始于2 0 世纪7 0 年代中期，其出发点是针对 含有非线性系统在内的般系统，但x , 1 4 b - 线性系统变结构控制的难点在于切换 函数的选择比较困难。为此一般将原系统线性化然后再应用线性系统的变结构 控制理论。变结构控制的最大优点是滑动模态对内部参数变化和外部扰动作用 具有不变性或不灵敏性，响应速度快，鲁棒性好。其原理是利用切换控制将系 统的运动轨迹引导到一个由设计者所选择的切换面上，其上的运动是渐近稳定 的。通过提取系统运行特征，在对系统运行状态进行分析判断的基础上设计 了智能变结构励磁控制器，仿真表明酸控制器在提高系统稳定性方而有明显的 作用。 2 4 非线性励磁t 卒t i l 的基本原理 本文采用直接反馈线性化方法将非线性系统进行反馈线性化，然后结合线 性系统的变结构控制进行非线性励磁控制器的设计。下面具体介绍这两种方法 的原理。 2 4 1 直接反馈线性化的基本原理 针对一个非线性系统，若能通过非线性反馈的引入，使得闭环系统成为具 有线性表示形式的“伪”线性系统，则可以采用常规的线性系统控制方法设计 系统控制。对于由微分方程描述的非线性系统： y ( ”) + 口j ，( 剃) + + q - i - q o y = 厂b ( 川) ，y , u ( 月”，“( “，“，f ) ( 2 1 ) 其中：y 是状态变量，是控制变量，且h # t ，= 一m 称为系统的相对阶。 定义： v o ) = ，b “) ，少( “，弘“( ”，“( ”，“，f ) ( 2 2 ) p q 川人学f l ! ：! 。学位论文2 0 0 5 ) 则得到一个线性受控系统： y ( ”) + 口。一1 y ”一+ ，十d i y ( i j + a , y = 、，0 ) ( 2 - 3 ) 这就是直接反馈线性化的一般崽想。要将该思想应用到具体的控制工作中 去，首先需要知道对于任意v ( f ) ，符合条件( 22 ) 的控制“( f ) 是否存在；其次， 如果符合要求的控制“) 存在，整个反馈系统是否稳定。由隐函数定理可以知 道，如果满足条件： 可l。 磊丽) u ， 则茬芏作点的一个邻域内方程( 2 - 2 ) 存在唯一解： ” = g “) ，) ，y ，“) - - - u t ”，玑，) ( 2 - 4 ) 反馈( 2 - 4 ) 引入的隐动态与零动态有着同样的稳定条件。对于多输入多输 出系统，也有类似的结论。 利用b f l 方法，针对励磁控制律中的结构性参数，采用输出量的微分结果 来构造控制信号，推导的过程避免了复杂的数学推导。这种万法不仅适用于仿 射非线性系统，而且对非仿射形非线性系统及一类非光滑非线性系统均可适用。 常规的电力系统用a v r ( a u t o m a t i cv o lr a g er e g u l a t o r ) 来调节端电压，用 p s s 来稳定系统。若采用近似线性化的方法设计，对工作点的鲁棒性较差。为 了实现端电压调节和系统镇定的一致，需要采用端电压替代功角作为状态变量， 此时采用d f l 方法不能实现系统的精确线性化。但是系统的非线性部分是有界 的，将该部分作为系统的不确定项，可采用非线性鲁棒最优控制方法实现系统 的鲁棒控制。 2 4 2 变结构控制的基本原理 变结构控制在电力系统的非线性控制中得到了广泛的应用，如b a n g b a n g 控制。这种控制主要有两种形式：一种是在微分几何方法的基础上，对线性系 统采用线性变结构控制：另一种是在非线性模型上直接设计变结构控制规律“。 变结构控制方法( 滑动模态控制) 是一种有效的非线性控制方法，它具有 如下的优点： 控制系统的响应不依赖系统的结构和参数： 理论上可以应用到所有类型的菲线性系统： v - q 川人学坝i 学位论义( 2 0 0 5 ) 对比与其他的非线性控制方法容易实现： 对参数不确定性和外部扰动具有很好的鲁棒性。 当然，它也存在着一些缺点例如控制规律中存在着的高频抖动。近年来， 采用饱和的切换函数替换理想的切换函数等方法使这一问题得到r 一定程度的 解决。 在变结构控制系统中，控制规律是根据一个在状态空问中定义的超平面上 切换的非连续的函数。控制规律迫使处于任何初始条件下的系统状态按一定的 趋近率到达并保留在该超平面上，在超平面上系统的动态成为滑动动态。这罩 以通过非线性状态变换得到的非线性系统( 2 5 ) 为倒来介绍非线性变结构控制 的设计方法。 对于系统： f主t = z 2 2；( 2 - 5 ) i j 。= 口g ) + 卢b k 定义线性切换函数： s f z l = c 7 z ( 2 - 6 ) 其中c 7 = 【