【正文】 可靠性，而且可以因傳輸能力的提高而產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益。東北大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要電力系統(tǒng)非線性自適應(yīng)魯棒控制研究摘 要電力系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)非線性、多維、動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)。近年來，隨著微型計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代控制理論的不斷進(jìn)展，各種先進(jìn)的控制方法也在電力系統(tǒng)控制方面得到了廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)明的設(shè)計(jì)方法、優(yōu)良的設(shè)計(jì)策略使得所設(shè)計(jì)的相應(yīng)的控制方案更具廣泛的適用性。主要FACTS控制的系統(tǒng)模型均未忽略其本身的動(dòng)態(tài)過程。主要工作概括如下：（1）研究了一類具有嚴(yán)格反饋形式的非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒控制問題。針對(duì)帶勵(lì)磁控制的單機(jī)無窮大母線系統(tǒng)，分別在阻尼系數(shù)不能精確測(cè)量、以及系統(tǒng)兼有阻尼系數(shù)不能精確測(cè)量和受外部擾動(dòng)影響的情況下，首次使用自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計(jì)了非線性自適應(yīng)魯棒控制器及非線性L2增益干擾抑制控制器。然后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了討論，指出所得控制器獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，具有很強(qiáng)的魯棒性。研究結(jié)果表明所使用的設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用到勵(lì)磁、汽門以及FACTS之間的協(xié)調(diào)控制當(dāng)中。研究結(jié)果表明所使用的設(shè)計(jì)方法完全可以應(yīng)用到多機(jī)系統(tǒng)的勵(lì)磁、汽門以及FACTS控制當(dāng)中。 關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 勵(lì)磁控制 汽門控制 FACTS控制 參數(shù)不確定性 干擾抑制 魯棒穩(wěn)定性 backstepping方法 參數(shù)自適應(yīng)? 30 ?Study on the Nonlinear Adaptive Robust Control for Power SystemsAbstractElectric power systems are one of nonlinear, multidimensional, dynamic and large scale systems. With the developing of interconnection among powers system and using of some new types of devices, the power generation and transmission are made to be more efficient, but at the same time, the scales and plex nature of power systems increase also. Thereby some dynamic problems which could threaten the operation of power systems in safe, economical and stable mode are emerged, such as power systems oscillating in low frequency and second synchronization retortion of turbine and generator. Once power systems lose stability, the transient process is very quick, the whole system is likely to be spreaded if dealed with in improper ways, power failure in large scope and longer times may be caused more often than not, and then great loss and serious injury about national economy and peoples’ life are resulted in. The collapse and breakdown of systems may be caused also in most grievous cases. Under these circumstances, study and realization of appropriate stability control approaches, can not only enhance the systems operation reliability, but also produce direct economic benefits because of enhancement of transmission capacity. With the uninterrupted growth of puter and modern control theory of late years, all sorts of advanced control means also find broad application in power systems control. power systems performance are improved simultaneously，various channels are also provided for solving above problems by them。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定的意義對(duì)于電力系統(tǒng)，具有足夠的穩(wěn)定性是其正常運(yùn)行的前提。大干擾主要包括系統(tǒng)發(fā)生短路和斷線故障；切除或投入系統(tǒng)的主要元件，如發(fā)電機(jī)、變壓器及線路；負(fù)荷的突然變化等。因此，系統(tǒng)能否繼續(xù)保持同步運(yùn)行是系統(tǒng)穩(wěn)定與否的標(biāo)志。在這些情況下，研究和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的穩(wěn)定控制措施，不但可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而且可以因傳輸能力的提高而產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益[2]。在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方面，相繼出現(xiàn)了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)和線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器（LOEC），而后這些方法被應(yīng)用到電力系統(tǒng)其他各種控制設(shè)計(jì)中(如FACTS)。這些裝置在提高電網(wǎng)輸送能力，避免窩電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，以及防止事故擴(kuò)大等方面發(fā)揮了重要作用，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法一直也是和控制科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)的。如今，現(xiàn)代控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已發(fā)展成電力系統(tǒng)學(xué)科中一個(gè)引人注目的活躍的分支。由于工業(yè)發(fā)展要求設(shè)計(jì)滿足一定要求的各種控制器，于是出現(xiàn)了各種穩(wěn)定性判據(jù)，以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。由于大多數(shù)工程控制系統(tǒng)都是非線性的，如電力系統(tǒng)。但就在工程項(xiàng)目中實(shí)際而言，不少情況下，PID只能說是在湊合著用，用之是不得已而為之。數(shù)學(xué)是一種研究控制理論十分重要且無可替代的研究工具，但數(shù)學(xué)家遠(yuǎn)沒有給出用以解決當(dāng)今控制理論面臨挑戰(zhàn)的現(xiàn)成方法。在實(shí)際工程控制中，我們難以期望控制系統(tǒng)閉環(huán)后不進(jìn)行任何調(diào)整，系統(tǒng)性能就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 同時(shí)在工業(yè)過程、機(jī)電一體化、電力系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)、電力電子技術(shù)中應(yīng)用日益廣泛。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信和信息技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的不斷進(jìn)展，控制理論在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)電力系統(tǒng)研究對(duì)象的控制可以針對(duì)單機(jī)或多機(jī)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)可為單軸或雙軸同步發(fā)電機(jī)。而基于這種快速勵(lì)磁方式的控制策略的研究也取得了顯著成就。雙軸勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)是在轉(zhuǎn)子d、q軸上均裝設(shè)勵(lì)磁線圈的新型同步發(fā)電機(jī)。汽門控制分為在快關(guān)過程中控制中壓調(diào)節(jié)汽門及同時(shí)控制高、中壓調(diào)節(jié)汽門兩種。近二十年來，原動(dòng)機(jī)“調(diào)速”系統(tǒng)發(fā)生了相當(dāng)大的變化，電液式的“調(diào)速”系統(tǒng)取代了機(jī)械液壓式“調(diào)速”系統(tǒng)，其傳動(dòng)方式也進(jìn)行了重大改進(jìn)。水輪機(jī)水門調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)水、機(jī)、電的綜合控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)對(duì)象的特性十分復(fù)雜。近年來，已研制出以微處理機(jī)為基礎(chǔ)的自適應(yīng)式調(diào)速器，試圖保持水輪機(jī)調(diào)速器處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。 FACTS控制柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible Alternating Current Transmission System）是由美國(guó)電力科學(xué)研究院的（EPRI）N G Hingorani博士于1986年提出的[10]，用于描述基于大功率電力電子器件的控制器。隨著大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，F(xiàn)ACTS設(shè)備的制造及應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。可控硅勵(lì)磁始于60年代，如今已普遍采用。這些條件可概括為輸電網(wǎng)運(yùn)行的需要、來自直流輸電的競(jìng)爭(zhēng)壓力、電力電子技術(shù)和元器件的發(fā)展支持、已有FACTS技術(shù)產(chǎn)品的研制和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累等四個(gè)方面。另一方面，電力系統(tǒng)中振蕩(主要包括低頻振蕩與次同步振蕩(SSR))的存在極大地威脅著系統(tǒng)的安全運(yùn)行。但在某一頻率入下，線路感抗與串聯(lián)容抗相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電氣諧振。目前已知的屬于FACTS開發(fā)項(xiàng)目的具體裝置約有20多種，其原理、性能、與系統(tǒng)的連接方式等也多種多樣，一些已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，一些正處于工業(yè)示范階段，另一些尚處于設(shè)計(jì)測(cè)試階段[11], 一些在發(fā)、輸、。眾所周知，并聯(lián)補(bǔ)償裝置，如靜止無功補(bǔ)償器(SVC)，靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)等，其基本功能是控制系統(tǒng)的電壓。但應(yīng)當(dāng)指出，由于串聯(lián)補(bǔ)償方式是用來對(duì)系統(tǒng)的潮流加以控制，一旦補(bǔ)償裝置發(fā)生故障，有可能對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。裝設(shè)在輸電線路的中點(diǎn)，由于它正常運(yùn)行狀態(tài)下可等效為串聯(lián)在輸電線路上的容性電抗，故可有效減少輸電線路的等效電氣距離，使得遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)在大小干擾下的穩(wěn)定性均得以提高。由于ASVG具有控制特性好，可以在從感性到容性的整個(gè)范圍中進(jìn)行連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，特別是在欠壓條件下仍可有效地發(fā)出無功功率，在系統(tǒng)對(duì)稱運(yùn)行條件下所需儲(chǔ)能電容容量較小，從而可以減小裝置體積，瞬時(shí)過負(fù)荷容量大，諧波含量小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)得到了電力工業(yè)界越來越大的關(guān)注，美國(guó)和日本都已先后研制出多臺(tái)大容量的ASVG裝置，并已經(jīng)投入實(shí)際運(yùn)行。由于電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)僅會(huì)遭受小的負(fù)荷變化，所以線性模型足夠用于代表系統(tǒng)在運(yùn)行點(diǎn)周圍的動(dòng)態(tài)。文[17]應(yīng)用變結(jié)構(gòu)方法對(duì)負(fù)荷頻率控制進(jìn)行了研究。一個(gè)完整的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)應(yīng)從時(shí)間上、空間分布上互相協(xié)調(diào)，并能考慮和適應(yīng)各種不同類型的穩(wěn)定破壞問題。一般情況下，各個(gè)控制器單獨(dú)運(yùn)行時(shí)都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是進(jìn)一步的研究表明當(dāng)多個(gè)控制器共同作用時(shí)，目前大多數(shù)分散控制器都是孤立設(shè)計(jì)出來的，沒有慮及與系統(tǒng)其它部分的關(guān)聯(lián)作用和交互影響，結(jié)果只能改善局部控制性能，對(duì)系統(tǒng)其它部分的性能好處甚微，甚至可能由于各種控制器之間無法協(xié)調(diào)而造成系統(tǒng)的全局性能惡化；同時(shí)由于各個(gè)控制器的控制目標(biāo)不同，因此共同作用時(shí)可能會(huì)相互影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)档拖到y(tǒng)的穩(wěn)定性。 主要研究方法現(xiàn)代電力系統(tǒng)是具有多種運(yùn)行方式和干擾方式、既有連續(xù)控制又有斷續(xù)控制的多種控制器、分層和就地分散控制的非線性動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)。在系統(tǒng)規(guī)劃階段應(yīng)合理選擇發(fā)電廠廠址，采用合理的輸電方案以及配置相應(yīng)的保護(hù)和自動(dòng)裝置等。對(duì)電力系統(tǒng)采用模型的不同可采取不同的方法。如能采用其他線性化方法，例如偽線性化方法，尋找一個(gè)與平衡點(diǎn)無關(guān)的系統(tǒng)的切模型，根據(jù)此模型設(shè)計(jì)的控制能夠適合不同的平衡操作點(diǎn)。僅在考慮大干擾作用的暫態(tài)穩(wěn)定控制時(shí)才需考慮非線性影響。像勵(lì)磁頂值、開度限制和乒乓特性等電力系統(tǒng)中普遍存在的強(qiáng)非線性問題，用非線性變結(jié)構(gòu)控制、用李雅普諾夫函數(shù)法考慮控制量的限幅約束，使該問題的解決又向前推進(jìn)了一步。Lyapunov直接法主要是用于電力系統(tǒng)規(guī)劃，不適用于高階大型電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的研究。文[38]基于無源系統(tǒng)無源優(yōu)化控制方法，針對(duì)單機(jī)無窮大系統(tǒng)（SMIB）構(gòu)造了非線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器，仿真結(jié)果證明了該控制器的有效性；系統(tǒng)無源性是耗散性的特例,文[39]基于耗散系統(tǒng)理論進(jìn)行了電力系統(tǒng)低頻振蕩的研究及PSS的設(shè)計(jì)。由該方法設(shè)計(jì)的控制器不僅能有效處理系統(tǒng)模型的不確定性問題，而且能充分減弱外界干擾對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。為避開求解HJI不等式的困難，文[41～43]針對(duì)H∞領(lǐng)域中的非線性L2增益干擾抑制問題，通過對(duì)耗散不等式的遞推設(shè)計(jì)，分別構(gòu)造出勵(lì)磁系統(tǒng)、靜止移相器及ASVG的存儲(chǔ)函數(shù)，從而得到非線性H∞控制器；文[44]針對(duì)含有未知參數(shù)的勵(lì)磁系統(tǒng)，同樣基于遞推方法構(gòu)造出全系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出分散自適應(yīng)控制器，該控制器中的所有變量都是局部可測(cè)的。若自適應(yīng)控制算法不很復(fù)雜，在線計(jì)算量不大，則可望解決實(shí)時(shí)性問題。該設(shè)計(jì)途徑主要著眼于被控對(duì)象對(duì)控制器“功能”的需求，而不要求建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。電力系統(tǒng)智能控制還有大量基礎(chǔ)問題需要研究，例如：為實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的協(xié)調(diào)必須解決不同性能指標(biāo) (如提高暫穩(wěn)、靜穩(wěn) )的合理量化問題；ANN模型和算法優(yōu)化問題；智能控制分支理論方法的協(xié)調(diào)集成研究等?；谖⒎謳缀卫碚摰姆答伨€性化方法是通過局部微分同坯變換，找到非線性反饋，在非線性反饋的作用下，將非線性系統(tǒng)映射為線性系統(tǒng)[45]。對(duì)勵(lì)磁控制的研究表明，這種方法與微分幾何方法具有相同的控制規(guī)律[53]。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制律可有效地提高發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和電壓精度。文[69，70] 使用DFL設(shè)計(jì)控制器的過程中考慮了輸電線路感抗的變化，分別應(yīng)用魯棒控制和自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)了勵(lì)磁控制器；文[71]運(yùn)用精確反饋線性化和基于Lyapunov的魯棒控制方法，將非線性電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換為一個(gè)帶有未知平衡點(diǎn)的線性不確定系統(tǒng)，從而獲得一個(gè)非線性分散勵(lì)磁控制器；文[72]提出了在設(shè)計(jì)反饋線性化勵(lì)磁控制器的過程中，考慮反映網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)參數(shù)的不確定性所涉及的魯棒性問題；文[73]在所設(shè)計(jì)控制器的DFL控制器中增加了一個(gè)PI型電壓伺服補(bǔ)償器，反饋增益通過魯棒控制理論來選擇，通過單機(jī)系統(tǒng)仿真證明了該控制器的優(yōu)良性能；文[74]給予局部第i個(gè)發(fā)電機(jī)帶有不確定性的DFL補(bǔ)償模型進(jìn)行了控制器的設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明該控制器獨(dú)立于系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)和故障條件，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和電壓調(diào)節(jié)有明顯改善；文[75，76]使用了精確線性化與線性H∞相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，其中文[76]設(shè)計(jì)了勵(lì)磁和汽輪機(jī)調(diào)速控制器，并就其特性及作用效果進(jìn)行了討論。變結(jié)構(gòu)控制的最大優(yōu)點(diǎn)是滑動(dòng)模態(tài)對(duì)內(nèi)部參數(shù)變化和外部擾動(dòng)作用具有不變性或不靈敏性，響應(yīng)速度快，魯棒性好。在進(jìn)行不確定系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制時(shí)通常有三種方法可供選擇，一是以滑動(dòng)模態(tài)為目的變結(jié)構(gòu)控制，二是以Lyapunov方法為基礎(chǔ)的變結(jié)構(gòu)控制[32]，三是以超穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)的變結(jié)構(gòu)控制，另外變結(jié)構(gòu)控制還可以實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的分散及分層控制。3). 在控制器的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者很少考慮控制量的有界約束問題。其