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電力系統(tǒng)非線性自適應(yīng)魯棒控制研究博士學(xué)位論文-預(yù)覽頁

2025-07-21 15:14 上一頁面

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【正文】 designed using adaptive backstepping method, respectively. It is also pointed out that these design methods can be applied to the control of SVC.Key words power systems, nonlinear systems, excitation control, steam valve control, FACTS control, parameter uncertainty, disturbance attenuation, robust stability, backstepping method, parameter adaptive第一章 緒 論 電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制發(fā)展概況現(xiàn)代電力系統(tǒng)迅速發(fā)展,以大機(jī)組、大電網(wǎng)、超高壓、長距離、重負(fù)荷、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)、交直流聯(lián)合輸電和新型負(fù)荷(電力機(jī)車等整流型負(fù)荷)為特點,是一個典型的強(qiáng)非線性、多維、動態(tài)大系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定包括功角穩(wěn)定,即同步運行穩(wěn)定性,包括轉(zhuǎn)子在大或小擾動下爬行失步問題及振蕩失步問題,前者主要由于同步力矩不足,后者主要由于阻尼力矩不足,電壓穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定。國際上對于穩(wěn)定的分類尚不統(tǒng)一,但按照電力系統(tǒng)遭受干擾后的過渡過程,一般將穩(wěn)定分為靜態(tài)穩(wěn)定(小干擾下的穩(wěn)定問題,不計調(diào)節(jié)器動態(tài)作用)、動態(tài)穩(wěn)定(計及調(diào)節(jié)器動態(tài)作用)和暫態(tài)穩(wěn)定(大擾動下時間約為1秒的第一搖擺穩(wěn)定性及時間約為幾秒左右的多搖擺穩(wěn)定性的統(tǒng)稱)。電力系統(tǒng)一旦失去穩(wěn)定,其暫態(tài)過程極快(以秒計),處理不當(dāng)可能很快波及全系統(tǒng),往往造成大范圍、較長時間停電,給國民經(jīng)濟(jì)和人民生活造成巨大損失和嚴(yán)重危害,在最嚴(yán)重的情況下,則可能使電力系統(tǒng)崩潰和瓦解。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)與方法的發(fā)展發(fā)電廠和電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制理論與電廠和電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模是緊密相聯(lián)系的。隨著電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)加快,電力系統(tǒng)中靜態(tài)穩(wěn)定問題和功率振蕩問題已逐步得到緩解,提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性已成為電力系統(tǒng)控制的主要任務(wù)[3]。全國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故,在70年代年平均約 20次,80年代年平均 ,90年代下降到年平均約 4次[4]。余耀南早在1970年就把線性最優(yōu)控制理論引入電力系統(tǒng)[5]。從盧強(qiáng)院士的《輸電系統(tǒng)最優(yōu)控制》到《電力系統(tǒng)非線性控制》[7],每一次控制理論的進(jìn)步都給其實際應(yīng)用注入了新的活力。古典控制理論的特點是從輸出量與輸入量的關(guān)系方面來研究問題的,但只適用于常系數(shù)、線性、單輸入單輸出的系統(tǒng)。在分析它的大干擾穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)(系統(tǒng)在遭受某種程度的干擾后,發(fā)電機(jī)組振蕩次數(shù)、過渡時間及主要狀態(tài)量的超調(diào)量),就不宜把它作為線性系統(tǒng)處理,否則控制效果就不能令人滿意。特別對不斷出現(xiàn)的復(fù)雜系統(tǒng)控制問題,談不上有既實用又簡便的方法。在這方面控制理論學(xué)家與數(shù)學(xué)家的區(qū)別在于前者是針對控制問題尋求或創(chuàng)立數(shù)學(xué)方法,而后者是對現(xiàn)成的數(shù)學(xué)方法尋求在控制上的應(yīng)用,雖然這兩者并不是完全可以分清的。既然頻域方法和狀態(tài)空間方法是在軍火研制和宇航競賽的迫切需求中發(fā)展完善的,則非線性控制方法也會在這種工業(yè)實際控制中得到洗禮。不管是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),還是新興產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,無不與先進(jìn)控制技術(shù)的采用密切相關(guān)。 將先進(jìn)控制技術(shù) (例如最優(yōu)、自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、魯棒與智能控制,以及分岔與混沌控制等 )引入該類領(lǐng)域,以改善其穩(wěn)定性、快速性、抗干擾與參數(shù)攝動能力、跟蹤性能等,它們在提高電力系統(tǒng)性能、改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、促進(jìn)電力系統(tǒng)安全優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)運行的同時,也為解決上述問題提供了強(qiáng)有力的工具。 電力系統(tǒng)的主要控制部件Fig. The main control ponents of power systems 勵磁控制勵磁控制的主要任務(wù)是維持發(fā)電機(jī)或其他控制點的電壓在給定水平上和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。在對電力系統(tǒng)非線性勵磁控制的研究中,單軸發(fā)電機(jī)模型多以狀態(tài)變量構(gòu)成的微分方程,即經(jīng)典三階簡化模型為主。通過調(diào)節(jié)d、q軸的勵磁電流,使合成電勢可取任意角度,從而可改變感應(yīng)電勢的相位角控制發(fā)電機(jī)的輸出功率,有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,防止失步。采用可靠的汽門控制方法,不僅不會損壞供汽系統(tǒng)和汽輪機(jī)的可靠性,通常比機(jī)組停機(jī)方案更可取。在此基礎(chǔ)之上,通過水(汽)門對原動機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制,可以顯著改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平,其效果并不遜色于勵磁控制[7]。壓力引水系統(tǒng)有較大的水流慣性,它使得水輪機(jī)水力矩不能立即響應(yīng)負(fù)荷力矩的變化;水輪機(jī)具有明顯的非線性特性以及水輪發(fā)電機(jī)組有較大的轉(zhuǎn)動慣性,這些都對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)有很大的影響,也給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、過渡過程分析以及調(diào)速器參數(shù)整定帶來了一定的困難。但是,上述各種調(diào)速器都是基于水輪發(fā)電機(jī)組的近似線性化模型設(shè)計的,不能考慮水門調(diào)節(jié)的非線性特性.難以適應(yīng)電力系統(tǒng)在動態(tài)過程中的最佳調(diào)節(jié)。依靠這樣的控制器,可以提高電網(wǎng)的功率傳輸能力,并使系統(tǒng)潮流更可控,即使直接影響交流功率傳輸?shù)娜齻€主要參數(shù)(電壓、相角、阻抗)按系統(tǒng)的需要迅速調(diào)整。在大功率汞弧整流器問世不久,1954年在瑞典即投入了世界第一條HVDC?;诰чl管的SVC始于70年代,到80年代后期全世界SVC已逾20Gvar。 主要輸電型FACTS控制器功能示意圖Fig. Function block of primary transmission type FACTS controllerFACTS的效果主要體現(xiàn)在提高了輸電網(wǎng)潮流流向的控制能力以及輸電線輸送能力兩個方面。低頻振蕩通常發(fā)生在重負(fù)荷、長傳輸線系統(tǒng)。而當(dāng)發(fā)電機(jī)某一軸系固有頻率與電氣諧振頻率之和接近工頻時,則可能由于機(jī)械、電氣振蕩的相互耦合作用而引發(fā)軸系扭振,即次同步振蕩,其頻率約為10至40赫。目前的主要有:靜止無功補(bǔ)償器(SVC)、可控硅控制的串聯(lián)補(bǔ)償器(TCSC)、新型靜止無功發(fā)生器(ASVG或STATCOM)、可控硅制動電阻(TCBR)、可控硅控制的移相器(TCPS)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)以及高壓直流輸電(HVDC)等。由于其安裝十分靈活,所以適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和較短的輸電線路的補(bǔ)償。SVC的基本功能是從電網(wǎng)吸收或向電網(wǎng)輸送可連續(xù)調(diào)節(jié)的無功功率,以維持裝設(shè)點的電壓穩(wěn)定,并有利于電網(wǎng)的無功規(guī)律平衡。先進(jìn)的靜止無功發(fā)生器(ASVG/STATCOM)作為FACTS器件中最重要的設(shè)備之一,由于其采用了全控型大功率電力電子器件,可大大地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度并改善功率因數(shù),因此較之傳統(tǒng)的無源參數(shù)控制型的補(bǔ)償裝置(SVC等)具有更為優(yōu)越的性能。 TCPS可以改變兩系統(tǒng)間的相角,從而可以控制傳輸線上的有功或無功,因此可以用于優(yōu)化系統(tǒng)潮流。一個單控制區(qū)域的系統(tǒng)動態(tài)一般以所形成的線性模型為主。 協(xié)調(diào)/綜合控制協(xié)調(diào)控制是提高穩(wěn)定水平和輸送功率的基礎(chǔ),也是效果價格比較高的措施。電力系統(tǒng)運行歷史上由于控制對策協(xié)調(diào)問題被忽略而釀成大事故的教訓(xùn)是不少的,必須引以為戒。例如PSS是為了抑制系統(tǒng)的低頻振蕩,但當(dāng)多個PSS共同作用而參數(shù)不合理時,可能反而降低系統(tǒng)的阻尼系數(shù),出現(xiàn)新的、更大范圍的低頻振蕩。被測量和控制的狀態(tài)量在空間分布上可以相距上千公里,動態(tài)過程的時間分布可以由數(shù)十毫秒到數(shù)十分鐘。在運行管理方面,控制中心對運行方式的良好安排也有助于保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行;在線動態(tài)安全評價,通過對發(fā)生預(yù)想事故后系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,可以為在線進(jìn)行預(yù)防性控制提供依據(jù)。 基于電力系統(tǒng)線性模型的研究對于電力系統(tǒng)的線性模型,可以應(yīng)用各種成熟的線性系統(tǒng)理論,如極點配置、線性最優(yōu)(LQR)、線性二次高斯方法(LQG)、變結(jié)構(gòu)方法、線性H∞控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等來進(jìn)行控制器的設(shè)計.這里的線性模型是指將非線性模型在某一點處作泰勒展開即進(jìn)行局部線性化而得到的。文[22~24]基于H∞最優(yōu)控制設(shè)計了具有較強(qiáng)魯棒性的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS);文[25,26]考慮了系統(tǒng)參數(shù)不確定性,應(yīng)用LQG及降低靈敏度方法分別進(jìn)行了單機(jī)及多機(jī)系統(tǒng)的AVR和PSS的協(xié)調(diào)控制;文[27]使用結(jié)構(gòu)奇異值方法(綜合)設(shè)計了SVC魯棒控制器,仿真表明該控制器提供了快速穩(wěn)定的電壓調(diào)節(jié);而文[28]則基于H∞混合靈敏度優(yōu)化控制進(jìn)行了SVC魯棒控制器的設(shè)計;文[29]運用基于H∞優(yōu)化技術(shù)的模型匹配魯棒性方法,設(shè)計了TCSC阻尼控制器,該方法簡化了權(quán)重矩陣的選擇。分散最優(yōu)控制是通過系統(tǒng)非線性模型校核來適應(yīng)非線性影響的。通常對非線性系統(tǒng)進(jìn)行控制主要有兩大類處理方法:(1)直接應(yīng)用非線性控制理論的結(jié)果,如Lyapunov直接法、無源系統(tǒng)理論、非線性H∞控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制等;i)Lyapunov直接法。ii)無源系統(tǒng)理論。iii) 非線性H∞控制。非線性H∞控制的問題可以歸結(jié)為求解HJI不等式,但目前尚無有效的解析求解方法。 V) 智能控制。而基于模糊理論及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等智能控制必須建立在電力系統(tǒng)的模型基礎(chǔ)上,而且有關(guān)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本不易從實際中獲得。從而給控制器 (律 )的應(yīng)用帶來了方便。(2)先將非線性系統(tǒng)在某一鄰域內(nèi)進(jìn)行反饋線性化,然后運用現(xiàn)代控制理論的知識進(jìn)行控制器的設(shè)計。盧強(qiáng)院士在將微分幾何應(yīng)用于電力系統(tǒng)方面作了許多開拓性的工作[7].文[9]使用微分幾何中的零動態(tài)方法進(jìn)行了水門非線性控制器的設(shè)計;文[46] 使用同樣方法進(jìn)行了汽門非線性控制器的設(shè)計;文[47]使用微分幾何方法設(shè)計了非線性勵磁控制器,在改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時,防止了電壓超調(diào)現(xiàn)象,但電壓調(diào)節(jié)采用的是局部線性化技術(shù);文[48]以發(fā)電機(jī)端電壓偏差為控制目標(biāo)設(shè)計的勵磁控制器能有效抑制機(jī)械功率對發(fā)電機(jī)端電壓的擾動;文[49]使用微分幾何方法設(shè)計了非線性最優(yōu)勵磁控制器,還證明了線性化后系統(tǒng)在LQR原則下的最優(yōu)控制等價與原非線性系統(tǒng)在準(zhǔn)二次性能指標(biāo)下的最優(yōu)控制。文[53]應(yīng)用DFL設(shè)計了非線性勵磁控制器,設(shè)計中考慮了電壓調(diào)節(jié)精度的要求;文[54]應(yīng)用DFL方法設(shè)計了新型的非線性狀態(tài)反饋電壓控制器;文[55]所設(shè)計的非線性勵磁控制器包括DFL補(bǔ)償器和非線性電壓鎮(zhèn)定器,仿真證明了該控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善;文[56~59]用類似方法研究了勵磁和移相器的協(xié)調(diào)控制,勵磁和動態(tài)制動電阻的協(xié)調(diào)控制,超導(dǎo)儲能裝置,勵磁和SVC的協(xié)調(diào)控制;文[60,61]使用DFL技術(shù)分別設(shè)計了對水門、TCSC的非線性控制器;文[62,63]用DFL方法設(shè)計了多機(jī)電力系統(tǒng)的解耦非線性勵磁控制器;[64]運用DFL技術(shù)設(shè)計了新型變結(jié)構(gòu)勵磁和綜合控制器,仿真表明該控制器提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和故障后的電壓調(diào)節(jié)性能。反饋線性化方法的缺點是對系統(tǒng)參數(shù)必須精確可知,因而不具備對參數(shù)和模型變化的魯棒性。iii) 反饋線性化與變結(jié)構(gòu)方法的結(jié)合。因此變結(jié)構(gòu)控制主要是解決系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題。文[77~79]首先對非線性勵磁系統(tǒng)進(jìn)行線性化,然后結(jié)合變結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行了單機(jī)和多機(jī)系統(tǒng)控制器設(shè)計;文[80]通過提取系統(tǒng)運行特征,對系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行分析判斷的基礎(chǔ)上設(shè)計了TCSC智能變結(jié)構(gòu)控制器;文[81]使用變結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)控制,提出了一種變結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)汽門控制器,該控制器不僅改善了系統(tǒng)動態(tài)性能,在提高大干擾穩(wěn)方面也有明顯作用。電力系統(tǒng)在遭受大干擾之后的暫態(tài)過程中,系統(tǒng)各狀態(tài)的變化幅度大,控制量很容易達(dá)到飽和狀態(tài),因此在控制策略中考慮控制量的約束是一個現(xiàn)實問題。這一章分為兩個部分展開討論。作為第二章結(jié)果的推廣,第三章研究了勵磁系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒控制問題。第四章研究了主汽門開度的的非線性魯棒控制問題。第五章在第四章的基礎(chǔ)上,首先研究了中間再熱汽輪發(fā)電機(jī)組汽門開度的全程非線性控制問題,即同時調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)汽門和快關(guān)汽門的情形。研究結(jié)果表明第二章的結(jié)果也可以推廣到勵磁、汽門以及FACTS的協(xié)調(diào)控制當(dāng)中。研究結(jié)果表明第二章的結(jié)果完全可以推廣到多機(jī)系統(tǒng)的勵磁、汽門以及FACTS控制當(dāng)中。設(shè)計過程及仿真結(jié)果表明該類控制器不僅能保證閉環(huán)誤差系統(tǒng)狀態(tài)收斂,而且能夠抑制干擾對系統(tǒng)輸出的影響。同時,根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的要求及本人在論文完成過程中所遇所想,提出了未來亟待解決的問題,并對未來工作進(jìn)行了展望。而對于系統(tǒng)中的參數(shù)不確定性,文[75]在對電力系統(tǒng)的非線性模型進(jìn)行反饋線性化的基礎(chǔ)上,應(yīng)用魯棒控制理論進(jìn)行了控制器的設(shè)計。本章針對帶有常參數(shù)不確定性及外部擾動的系統(tǒng),利用自適應(yīng)backstepping方法設(shè)計了非線性魯棒控制器。這樣的控制器不僅能保證系統(tǒng)狀態(tài)有界,而且能夠達(dá)到跟蹤誤差收斂于零的目的。為實現(xiàn)對系統(tǒng)()的魯棒鎮(zhèn)定,可分以下兩步。若已知,可令,從而得到反饋控制律。 一類非線性系統(tǒng)的魯棒控制魯棒控制理論所要研究的問題可分為兩方面:控制系統(tǒng)的魯棒性分析和控制律綜合。 () () () ()其中 為系統(tǒng)狀態(tài)向量;是未知常參數(shù)向量;為屬于L2空間的未知干擾函數(shù);、為已知的非線性函數(shù),為已知的非線性向量值函數(shù),; 為調(diào)節(jié)輸出,和是非負(fù)的權(quán)重系數(shù),它們表示和之間的加權(quán)比重;為控制輸入。則系統(tǒng)()的所有解是全局一致有界的且滿足;另外,如果是正定的,則平衡點是全局一致漸近穩(wěn)定的。第一步:對于系統(tǒng)(),將看作虛擬控制,取鎮(zhèn)定函數(shù)為一設(shè)計常數(shù);令,則系統(tǒng)()可表示為 ()取第一個存貯函數(shù)為 (),則其時間導(dǎo)數(shù)。定義函數(shù),同時注意到記,則注意到,則為使,最終可選擇反饋控制律 ()參數(shù)替換律 () 主要結(jié)果 對于系統(tǒng)(),若,則在反饋控制律()及參數(shù)替換律()下,閉環(huán)誤差系統(tǒng)()漸近穩(wěn)定,且系統(tǒng)對干擾到調(diào)節(jié)輸出具有L2增益。根據(jù)、以及、的定義可知,、也將收斂于零,亦狀態(tài)有界。由仿真結(jié)果可以注意到,系統(tǒng)對所加干擾并不敏感,保持了較好的穩(wěn)定特性。由于該控制器的設(shè)計綜合考慮了系統(tǒng)所受的內(nèi)外擾動,因此該控制器不僅能保證系統(tǒng)狀態(tài)有界,而且能夠抑制干擾對系統(tǒng)輸出的
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