【正文】 設(shè)計 (論文 )完成時間： 2021 年 6 月 23 日 設(shè)計 (論文 )答辯時間： 2021 年 6 月 24 日 四、參考資料及文獻 1 商國才 .電力系統(tǒng)自動化 .天津大學出版社 ,1999 2 盧強 ,孫元章 .電力系統(tǒng)非線性控制 .科學出版社 ,1993 3 姜玉憲等 .控制系統(tǒng)仿真 .北航出版社 ,1998 4 歐陽黎明 .MATLAB 控制系統(tǒng)設(shè)計 .國防工業(yè)出版社 ,2021 5 商國才 .發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)數(shù)字仿真 .華電教材科 ,1989 6 熊光楞等 .控制系統(tǒng)仿真與模型處理 .科學出版社 ,1993 7 韓璞 ,朱希彥 .自動控制系統(tǒng)數(shù)字仿真 .中國電力出版社 ,1996 8 黃道平 .MATLAB 與控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及 ,2021 9 歐陽黎明 .MATLAB 程序設(shè)計與應(yīng)用 ． 高等教育出版社 ,2021 10 陳在平 .控制系統(tǒng)計算機仿真與 CAD MATLAB 語言應(yīng)用 .天津大學出版社 ,2021 11 吳天明 .MATLAB 電力系統(tǒng)設(shè)計與分析 .國防工業(yè)出版社 ,2021 五、附錄 華北 電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對國民經(jīng)濟建設(shè)有十分重要的意義，而改善與提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于控制。有關(guān)這方面的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，但仍有許多問題有待于解決。計算機仿真結(jié)果表明這種勵磁控制器既能夠提高電壓精度，又能夠提高電力系統(tǒng)抗干擾的能力，具有非常好的控制效果。這種大電力系統(tǒng)在取得較大技術(shù)經(jīng)濟效益的同時，也使得電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性問題變得更為嚴峻。因此，研究如何提高與改善電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，是電力系統(tǒng)運行與控制中首要的問題。它不僅節(jié)約投資、而且在正常運行中能夠起到其他措施起不到的減小電壓波動及頻率波動、改善動態(tài)品質(zhì)以及提高系統(tǒng)抗干擾能力的作用 [2][3]！ 1． 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 發(fā)電機勵磁方式在 70 年代以前為單變量反饋方式 (比例式控制方式， PID 方式 )，反饋量為電壓偏差。 80 年代的線性最優(yōu)勵磁控制（ LOEC）采用電壓偏差，轉(zhuǎn)速 (或頻率 )偏差以及有功功率偏差作反饋變量。這種在某一特定狀態(tài) X0下被近似線性化的數(shù)學模型只是在實際運行狀態(tài)十分接近X0時才較準確。由于力系統(tǒng)是強非線性系統(tǒng)，當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生較大變化時，這些控制器的效果難以令人滿意。通過設(shè)計非線性勵磁控制器來研究其控制效果。在電力系 統(tǒng)中專門為同步發(fā)電機供應(yīng)勵磁電流的有關(guān)機械設(shè)備，稱為同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)。 勵磁控制器通過檢測同步發(fā)電機的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)量，按指定的控制規(guī)律對勵磁功率單元發(fā)出控制信號，控制勵磁功率單元的輸出，實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)的控制功能。而那時半導體尚未誕生或尚未成熟，直流勵磁機所配用的勵磁調(diào)節(jié)器也只能是電磁式勵磁調(diào)節(jié)器。這種計算機勵磁調(diào)節(jié)器和不同的勵磁功率單元相配用，產(chǎn)生了一些不同原理不同名稱的勵磁系統(tǒng)。 2． 1． 4 勵磁系統(tǒng)的主要任務(wù) 1） 維持發(fā)電機極端或系統(tǒng)中某一點的電壓水平。這時，調(diào)節(jié)每一發(fā)電機的勵磁電流可使發(fā)電機的無功功率得到合理的分配。 4） 提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。 6） 改善自同期或發(fā)電機失磁運行時電力系統(tǒng)的運行條件。由于水輪發(fā)電機都裝有強行減磁裝置，可在機組突然減負荷時減少勵磁電流，可防止電壓過度升 高。 3） 具有足夠的強勵能力。 2． 2 發(fā)電機勵磁控制方式 從勵磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律來看，大體經(jīng)歷四個發(fā)展階段 [5]：單變量控制階段，多變量控制階段，非線性控制階段，智能控制階段。隨之，就誕生了 PID 調(diào)節(jié)方式， 它華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 在一定程度上緩和了單反饋量勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)按系統(tǒng)穩(wěn)定性與按穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度對調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)要求之間的矛盾，它就相當于一臺可自動改變增益的比例式調(diào)節(jié)器。為了得到盡可能好的控制效果，所引的鎮(zhèn)定參量不是直接進行反饋于另一反饋量 Vt? 相加，而是經(jīng)過一定的校正環(huán)節(jié)后再與反饋量 Vt? 相加，目前所采用的附加鎮(zhèn)定參量種類有轉(zhuǎn)速 Δω，發(fā)電機端電壓的頻率 Δf,發(fā)電機電磁功率 ΔPe 等。它是基于電力系統(tǒng)狀態(tài)變量的線性組合，這種控制方式具有以下優(yōu)點：第一，可直接根據(jù)解析結(jié)果整定控制器的最優(yōu)參數(shù)。第四，可使系統(tǒng)獲得高的微動態(tài)穩(wěn)定極限。 電力系統(tǒng)是一個大非線性系統(tǒng)，它具有強非線性 、時變性，對于非線性系統(tǒng)，為了進一步提高電力系統(tǒng)在大干擾下的穩(wěn)定性，采用非線性控制勢在必行。因此，勵磁 控制器的速度對于自適應(yīng)控制來說是非常重要的。對于大規(guī)模非線性系統(tǒng)，例如電 力系統(tǒng)， ANN 方法有著其固有的優(yōu)點： ① ANN 是以并行方式處理信息，這樣可獲得極高的信息處理速度。 ANN 勵磁控制器的一個較大的問題就是學習過程相當煩瑣和復雜。 以拉氏變換和多項式為基礎(chǔ)以描述系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)為工具的 PID 勵磁控制方式，形式上簡單可靠，其電壓調(diào)節(jié)性能優(yōu)異，能有效的抑制故障后的電壓波動。設(shè)計中考慮了電壓調(diào)節(jié)信道對動態(tài)穩(wěn)定性的不利影響， PSS參數(shù)是在有了電壓調(diào)節(jié)作用下確定的。并且在線形最優(yōu)勵磁控制設(shè)計中，采用以某一性能指針為最小要求，求得控制參數(shù)，而沒有考慮也無法考慮當系統(tǒng)運行方式發(fā)生變化時改變參數(shù)，因而而有較差的魯棒性。但由于控制規(guī)則的確定很大程度上依賴于經(jīng)驗值，并且控制參數(shù)的確定沒有完整的理論依靠，適時性較低，這就限制了人工智能控制在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。 控制理論發(fā)展到現(xiàn)在面臨著一系列的挑戰(zhàn)。 2） 多個孤立平衡點：一個線性系統(tǒng)只會有一個孤立的平衡點，也就是說系統(tǒng)只會有一個孤立的和初始狀態(tài)無關(guān)的穩(wěn)定工作點，但是非線性系統(tǒng)可能會有多個孤立的平衡點，根據(jù)不同的初始條件，系統(tǒng)的狀態(tài)可能會被不同的孤立平衡點所吸引。 4） 分頻諧波，諧波，或殆周期振蕩：一個穩(wěn)定的線性系統(tǒng)在周期輸入的驅(qū)動下會產(chǎn)生一個同樣頻率的輸出?；煦鐮顟B(tài)的一個最基本的特征就 是系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡對于初始狀態(tài)極端的敏感。很多的專家和學者都把精力投 入到該方向中來，同時也出現(xiàn)了一大批相關(guān)的文獻和書籍來記錄這一段時間以來的進展情況，一些新的非線性系統(tǒng)的關(guān)于穩(wěn)定性、最優(yōu)性以及不確定性等概念也被相繼提出來描述非線性系統(tǒng)中不斷遇到的各種新華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 情況，同時針對一些有某些特性的系統(tǒng)，也有很多新的結(jié)構(gòu)性的控制器設(shè)計方案被提出來穩(wěn)定整個系統(tǒng)。 2） 仿射非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)的壓縮形式可以表示為 1( ( ) ) ( ( ) ) ( )( ) ( )miiiX f X t g X t tY t h t?????? （ 3— 1） 這里 nxR? 為狀態(tài)向量， i? 為控制量， ()fX 和 ()igX為 n 維函數(shù)向量。 5 ）李括號：給定兩個向量場 12( ) [ , ]Tnf X f f f? 和 12( ) [ , ]Tng X g g g? 以[ ( ), ( )]f X g X 或 fadg 表示的按以下運算 [ , ]f gff g a d g f gXX??? ? ? （ 3— 7） 得出一個新的向量場定義為 ()gX 對于 ()fX 的李括號。 3． 2． 2 非線性基本理論 1) 關(guān)系度 n?? 的單輸入單輸出仿射非線性系統(tǒng)的線性化 關(guān)系度 n?? 的情況下，所選定的坐標變換為 121()()()fnnfz h Xz L h Xz L h X???? （ 3— 11） 或可以寫成 ()ZX?? ，此處要求 ()X? 為局部微分同坯，則以新的坐標系 Z 描述的動態(tài)系統(tǒng)為 12231( ) ( )nnnzzzzzzz a X b X ??????? （ 3— 12） 1()XZ??? 輸出方程為 1()y h x z?? （ 3— 13） 式中的前 1n? 個方程都是被線性化了的，且不顯含控制量 ? 只有最后一個顯含控制量 ?華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 的方程是非線性的。 ② 向量場集合 22{ ( ) , ( ) , ( ) , , ( ) }nf f fD g X ad g X ad g X ad g X?? 在 0XX? 處是對合的。其關(guān)系度 n?? 。非線性控制的核心是將原系統(tǒng)經(jīng)過選定的坐標變換后，在所得到的新的可控的線性系統(tǒng)上求出非線性反 饋。因此，實用的非線性勵磁控制器必須在原有基礎(chǔ)上進行改進，使之滿足電壓調(diào)節(jié)精度的要求。文獻 [8]基于微分幾何方法給出了電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機非線性勵磁控制規(guī)律的解析表達式。大部分同步發(fā)電機非線性控制器都是基于發(fā)電機三階簡化模型 ( ,qE ?? )，此時，選擇轉(zhuǎn)子相對角為控制目標同步發(fā)電機可以實現(xiàn)輸入對狀態(tài)的精確線性化；若選發(fā)電機端電壓為控制目標，同步發(fā)電機只可以實現(xiàn)輸入對輸出部分精確線性化。研究表明，基 于五階模型設(shè)計的控制器比基于三階簡化模型設(shè)計的控制器具有更大的穩(wěn)定運行范圍。但是，其控制量的計算時間、測量參量的延時對系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的影響。文獻 [18]提出一種改進的非線性勵磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：即保留電壓反饋信號以保證電壓調(diào)節(jié)精度，非線性反饋補償作為一個附加控制，既保證了電壓調(diào)節(jié)精度水平，又能夠利用非線性控制的優(yōu)越性來改善系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性。文獻 [20]用 DFL方法設(shè)計了多機電力系統(tǒng)的解耦非線性勵磁控制器。隨著廣域測量技術(shù)的深入研究運用，基于廣域測量的全局非線性勵磁由于引進某些全局信息，可進一步提高系統(tǒng)承受大干擾的能力 [21]。 非線性控制在 90 年代有了一個突破， backstepping 方法的出現(xiàn)，一種 非線性系統(tǒng)的遞歸控制律設(shè)計方案。它可以通過選擇合適的微分同坯坐標變換和非線性反饋，將原來的仿射非線性系統(tǒng)變換為線性系統(tǒng)。這種控制策略與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時變化的開關(guān)特性。同時在實際系統(tǒng)中由于切換裝置不可避免地存在慣性，變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在不同的控制邏輯中來回切換，導致實際滑動模態(tài)不是準確地發(fā)生在切換面上，容易引起系統(tǒng)劇烈抖動，從而成為它在實際應(yīng)用中的一大障礙。 4． 2． 4 高增益觀測器 在很多非線性設(shè)計方案中，都假定系統(tǒng)的所有狀態(tài)都是可用的，然后 再來設(shè)計狀態(tài)反饋控制律。然后我們通過用高增益觀測器提供的狀態(tài) x 的估計值來替代狀態(tài)來設(shè)計輸出反饋控制律。 4． 3 非線性勵磁控制器設(shè)計 電力系統(tǒng)是由許多環(huán)節(jié)與單元組成，各個環(huán)節(jié)與單元又具有復雜的動力學特征。 4． 3． 1 同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程 根據(jù)牛頓運動力學第二定律，可以寫出發(fā)電機轉(zhuǎn)子角、加速度與作用在發(fā)電機組上的轉(zhuǎn)矩關(guān)系為： 華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 m e DJ M M M? ? ? ? （ 4— 1） 這里 ： ? 為發(fā)電機轉(zhuǎn)子角加速度 ； mM 為作用在發(fā)電機組主軸上的原動機機械轉(zhuǎn)矩 eM 為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，是制動性的 DM 為與轉(zhuǎn)矩變化成正比的阻尼轉(zhuǎn)矩 J 為發(fā)電機組轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)慣量 其中角加速度可以用發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角 ? 來表示如下： 22dddt dt??? ?? 在建立電力系統(tǒng)數(shù)學模型時，從實際考慮，一般不考慮采用矩的量，而把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為功率。經(jīng)變換（ 2— 14）可變換為： 39。039。0dT 發(fā)電機勵磁繞組暫態(tài)時間常數(shù) dI 轉(zhuǎn)子直軸電流 qI 轉(zhuǎn)子交軸電流 qx 轉(zhuǎn)子交軸電抗 39。 39。 華北電力大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 5 非線性勵磁控制器的 MATLAB 仿真 5． 1 仿真環(huán)境 Simulink 是 MATLAB 提供的主要工具之一，也是目前在動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等方面應(yīng)用最廣泛的工具之一 [22][23]。在 Simulink 出現(xiàn)后，由于它提供了