现代控制技术在电力系统控制中的应用.doc

现代控制技术在电力系统控制中的应用(一) 关键词电力系统自动控制智能控制1引言电力系统是一个巨维数的典型动态大系统, 它具有强非线性、时变性且参数不确切可知, 并含有大量未建模动态部分。电力系统地域分布广阔, 大部分元件具有延迟、磁滞、饱和等等复杂的物理特性, 对这样的系统实现有效控制是极为困难的。但也正是由于问题的复杂性而使得现代控制理论得以在这一领域充分发挥其自身的优势。随着大功率电力电子器件的出现及微型计算机的发展, 先进的控制方法在电力系统控制中的应用研究已几乎遍及电力系统的所有领域,本文介绍了线性最优控制、自适应控制、变结构控制、微分几何控制、, 并提出了若干需要解决的问题。2线性最优控制在电力系统中的应用最优控制是现代控制理论的一个重要组成部分, 也是将最优化理论用于控制问题的一种体现。在远距离输电系统的发电机励磁控制、发电机组快速汽门控制、发电机组的综合控制、发电机制动电阻的最优时间控制等方面取得了一系列的研究成果和一系列新一代的电力装置。把最优励磁控制器、电液调速器及快速最优汽门控制三者的作用统一起来。经实验研究表明, 这一控制器具有好的动态品质和稳定极限。在多机系统中, 为了使不同地点的机组的综合控制器的技术目标相互配合, 可采用最优协联控制器。最优控制理论在水轮发电机制动电阻的最优时间控制方面也获得了成功的应用。电力系统线性最优控制器目前已在电力生产中获得了广泛的应用, 发挥着重要的作用。但应当指出, 由于这种控制器是针对电力系统的局部线性化模型来设计的, 在强非线性的电力系统中对大干扰的控制效果不理想。可以相信, 随着非线性最优控制理论的发展, 这一缺点将得到克服。3自适应控制在电力系统中的应用自适应控制的目标是使控制系统对过程参数的变化, 以及对未建模部分的动态过程不敏感。当过程动态变化时, 自适应控制系统试图感受这一变化并实时地调节控制器参数或控制策略。目前自适应研究的重点是研究参数漂移的补偿及自适应控制系统的鲁棒性。自适应控制系统主要有两大类即自校正控制系统和模型参考自适应系统。自校正控制需要对参数进行实时辨识并用估计参数代替真实的参数, 常用的辨识方法是递推最小二乘法, 广义最小二乘法和最大似然估计法等。如果估计出的全部参数或部分参数用于构造控制器而无需进行控制器的计算, 这种控制器被称为隐式自校正控制器。它的缺点是计算量过大, 从而限制了它的实际使用。大量的研究表明, 在电力系统控制的许多领域中自适应控制的控制效果优于固定参数的控制器。但应当指出, 由于电力系统的电磁暂态过程变化较快, 且其工况又处于不断的变化之中, 所谓最佳也只是某种工况下的最佳, 因而对自校正技术的实际应用而言必须解决运算速度这一问题, 而采用什么样的系统化手段来确定参考模型则是电力系统模型参考自适应控制需解决的问题。目前, 鲁棒自适应控制是自适应研究的热点。可以预见, 随着自适应理论研究的不断深入, 微型计算机的发展, 自适应控制在电力系统中应用将会越来越多, 控制效果也会越来越好。4变结构控制在电力系统中的应用如何对电力系统这一非线性大系统实现有效的降低处理, 如何在系统参数不精确可知的情况下使所设计的控制器具有简单的算法和较强的鲁棒性以及良好的动态品质, 是电力系统研究者关注的一个焦点。变结构控制理论在解决上述问题方面具有许多独特的优点, 而为电力系统提供了一种可资参考的控制方法, 有关这方面在电力系统自动发电、负荷频率控制、励磁控制、暂稳控制等方面取得了一批成果22 29 。从控制的目的来看, 变结构控制主要是解决系统的镇定问题, 即寻求控制使原点渐近稳定, 而许多课题都可以通过一定的变换使之成为这类调节器设计问题。此外, 电力系统由于其自身的特点, 在使用变结构方法时也遇到一些需解决的问题。如开关过程的延迟, 磁滞现象均可能引起高频振颤, 而这些振颤又对某些未建模部分起到激励作用, 给稳定性构成一定的威胁。但随着变结构理论的不断深入, 各种控制技术的相互补充39, 40 及上述问题的逐步解决,电力系统变结构控制特别是变结构分散控制终将走向实用。6微分几何控制在电力系统中的应用对于非线性控制问题, 目前大体上有两大类处理方法。一类是将非线性系统线性化, 而线性化方法有常见的局部线性化方法和大范围线性化方法两种, 前者不适合于大干扰情况;另一类方法是绕过分析而直接研究非线性控制的综合问题。就目前研究非线性控制系统所使用的数学手段而言主要有两种, 即微分几何方法和微分代数方法(传统的方法及变结构控制除外)。而八十年代进行了大量研究的对仿射型非线性控制系统实现大范围精确线性化无疑是一个极为重要的方法。微分几何方法用来研究非线性控制系统是现代数学发展的必然产物。意大利数学家A. Isido ri 曾预见性地指出:“正如五十年代引入拉氏变换和传递函数, 六十年代引入线性代数概念与方法分别给控制理论在单输入单输出及多变量线性系统方面所带来的重大变革一样, 微分几何方法引入非线性系统将会给控制理论带来突破性进展。”对于非线性系统线性化方法是期望对非线性系统建立起诸如可控性、可观性、标准型等和线性系统体系对应平行的体系。在微分几何控制中引入了“分布”的概念, 这一概念的引入便导出了诸如受控不变分布等极为重要的概念, 成功地使非线性系统平行推广线性系统的几何理论。同时也揭示了一些独特的非线性现象。微分几何控制与解耦控制有着极为重要的内部联系。从本质上讲, 一般的块解耦问题的解决标志着微分几何控制方法的产生。从实用角度讲微分几何控制的核心问题是反馈精确线性化, 它通过局部微分同胚变换, 对仿射型非线性系统在满足可控性、矢量场生成、对合性和凸性四个条件下, 将非线性系统化为线性控制问题。应当指出, 微分几何控制理论也有其固有的缺陷, 在涉及系统的可逆性质和在动态反馈下的结构性质时呈现病态。目前, 微分几何控制理论已有了很大的发展, 形成了自己的理论体系并进入到实用阶段。电力系统的微分几何控制研究始于八十年代初期。电力系统强非线性是诱发其研究微分几何控制的主要原因, 传统的局部线形化方法由于其对大干扰的不适用, 使所设计的控制器对工况不具备鲁棒性, 而大范围的微分几何控制则克服了这一缺点, 使控制器几乎对所有运行点都起作用。近十年来许多学者对电力系统微分几何控制进行了大量的研究并取得了许多有意义的成果, 已将微分几何控制应用于发电机励磁控制; 汽门开度控制; 交直流联合输电系统的非线性控制; 静止无功补偿器; 新型静止无功发生器; 电力系统稳定器等方面35 39 。卢强等人在文献35 中较全面地总结了电力系统的微分几何控制的基本方法, 并总结了该理论在电力系统多个方面的应用状况与控制器设计方法。文献37 应用微分几何控制理论, 提出了一种多机电力系统发电机励磁非线性反馈解耦控制器的设计方法, 并结合了相应的闭环非线性解析控制规律, 该研究所导出的控制律仅是该台发电机的状态量, 某些输出量和发电机参数的函数, 而与网络结构和参数以及其它发电机的状态和输出量无直接关系, 从而实现了发电机间的解耦控制。在文献39 中, 卢强等人提出了一种新的解耦非线性最优励磁控制器, 并从理论上证明了基于微分几何的非线性控制器在线性二次最优意义上与线性化系统最优控制是等价的, 是一种非线性最优控制。该文只利用当地信息进行了多机系统的最优励磁控制器设计, 其控制律与系统网络参数解耦。仿真证明该控制器适用于大运行范围及大干扰的情况。文献38 应用微分几何控制及零动态的设计方法, 提出了新型静止无功发生器的非线性控制规律。该文首次建立了新型静止无功发生器的动态方程和输出方程。该控制器的设计可以综合协调脉冲宽度控制角H和相角D 的反馈控制律, 反馈控制律只需反馈静止无功发生器装设点附近的局部信息, 达到了解耦控制的目的。仿真结果表明非线性控制的静止无功发生器不仅可有效地改善暂态稳定性和电压稳定性, 且增强了系统的带负载能力。特别应当指出的是, 由于我国著名电力系统及控制论专家卢强院士等人的不懈努力, 使我国在电力系统微分几何控制方面居国际领先水