【正文】 s show that the design methods can be applied into the control of excitation, steamvalve and FACTS in multimachine systems. (6) The study results are applied into FACTS control of power systems. Based on the threeorder robust models, of single machineinfinite bus system with TCSC, STATCOM and parallel AC/DC power systems, under the conditions which systems have constant parameter uncertainty and external disturbances, the nonlinear adaptive robust controllers are 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(zhǎng)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(diǎn)，是一個(gè)典型的強(qiáng)非線性、多維、動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)。然后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析，討論了控制器的實(shí)現(xiàn)問題。它們?cè)谔岣唠娏ο到y(tǒng)性能的同時(shí)，也為解決上述問題提供了各種各樣的途徑。所考慮的電力系統(tǒng)模型均為更貼近實(shí)際的非線性魯棒模型。其次，作為綜合協(xié)調(diào)控制的例子，研究了勵(lì)磁汽門綜合控制的非線性魯棒控制問題。穩(wěn)定實(shí)際是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，主要是指電力系統(tǒng)受到的大/小干擾引起同步電機(jī)電壓相角的再調(diào)整，進(jìn)而造成系統(tǒng)發(fā)電和負(fù)荷之間的不平衡，從而建立起一個(gè)新運(yùn)行狀態(tài)的過程。我國(guó)電力系統(tǒng)中安全穩(wěn)定控制技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用較早，50年代起即普遍應(yīng)用的低頻減載和后來應(yīng)用于某些電網(wǎng)的穩(wěn)定控制，曾對(duì)保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起了重要作用。從50年代末到60年代起，由于航天、航空、航海的發(fā)展，要求有更快、更精、更可靠的控制方法，這就導(dǎo)致控制理論的新一輪發(fā)展高潮，出現(xiàn)了基于狀態(tài)空間描述的控制理論。 在控制理論的應(yīng)用方面，控制理論越來越緊密的與其他相關(guān)學(xué)科和新興產(chǎn)業(yè)相交叉、滲透、融合與應(yīng)用。雖然模型階數(shù)越高，對(duì)發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)行為的模擬就越詳細(xì)，但同時(shí)復(fù)雜程度也相應(yīng)增加。早期的水輪機(jī)水門調(diào)節(jié)方式是根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速的偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)。盡管目前在FACTS的定義和范疇方面看法不一，但在電力系統(tǒng)中廣泛采用電力電子技術(shù)的趨勢(shì)則是不爭(zhēng)的事實(shí)。而對(duì)其控制規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)研究則是理論工作者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。用于電氣制動(dòng)的TCBR一般被安裝在發(fā)電機(jī)端用以吸收當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的過剩暫態(tài)能量，保持電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，如何減小各控制器之間的相互影響，解決各控制器之間的協(xié)調(diào)問題，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性將會(huì)受到更多的關(guān)注。文[30]討論了應(yīng)用LQG方法設(shè)計(jì)魯棒TCSC控制器的過程；文[31]對(duì)一個(gè)互聯(lián)電力系統(tǒng)使用部分輸出反饋提出了修改的最優(yōu)控制器，該方法避免了權(quán)重矩陣選擇的困難，可將機(jī)電和勵(lì)磁方式轉(zhuǎn)移到一個(gè)預(yù)先指定的垂直帶。非線性H∞控制是80年代提出的一種魯棒控制理論。大量的實(shí)際應(yīng)用已證明了無模型控制器的良好品質(zhì)。若與魯棒控制（包括H∞控制）、變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制相結(jié)合，則可以解決參數(shù)魯棒問題?；诖耍疚膶⑾冗M(jìn)的控制方法─backstepping方法引入電力系統(tǒng)，并就其如何進(jìn)行電力系統(tǒng)的魯棒控制器的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行討論。其次，作為綜合協(xié)調(diào)控制的例子，研究了勵(lì)磁與汽門的綜合控制的非線性魯棒控制問題。第二章 一類非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒backstepping設(shè)計(jì) 引言對(duì)于電力系統(tǒng)等一類強(qiáng)非線性、多維、動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)，其在運(yùn)行中不可避免地受到干擾的影響；同時(shí)由于所建模型的不準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)所用控制對(duì)象參數(shù)的誤差或控制器量測(cè)部件的誤差等也都將對(duì)系統(tǒng)形成廣義的干擾[41]。第一步：考慮（），將看作虛擬控制，設(shè)計(jì)鎮(zhèn)定函數(shù)，形成Lyapunov函數(shù)。 非線性自適應(yīng)魯棒控制器的設(shè)計(jì)對(duì)于含有不確定參數(shù)及外部干擾的系統(tǒng)（），下面應(yīng)用自適應(yīng)backstepping方法進(jìn)行非線性魯棒控制器的設(shè)計(jì)。從仿真過程還可以注意到的值越小，系統(tǒng)的參數(shù)自適應(yīng)及干擾抑制效果越好，但太小的值將增大控制器增益，從而限制了控制器的實(shí)用。則第三步：增廣（）式形成下面的存貯函數(shù) ()其中為估計(jì)誤差；為自適應(yīng)增益矩陣, ；。backstepping方法有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：1）通過反向設(shè)計(jì)使控制V函數(shù)和控制器的設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化；2）可以控制相對(duì)階為的非線性系統(tǒng)，消除了經(jīng)典無源性設(shè)計(jì)中相對(duì)階為1的限制。backstepping方法作為一種非線性控制的設(shè)計(jì)工具[83]，由Kokotovic等人于1991年首次提出后，由于其設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)明且能有效處理系統(tǒng)參數(shù)不確定性，近來引起許多理論工作者的極大關(guān)注[84,85]。設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)輸出的影響，同時(shí)所得控制器是分散的，且獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。在這兩部分中，都分別包括模型描述及控制器的設(shè)計(jì)步驟，最后給出了控制器及自適應(yīng)參數(shù)替換律的具體形式，并指出得出的結(jié)果可應(yīng)用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。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?；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]。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。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。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。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。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。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。 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。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。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。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。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。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。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。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。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)。通過理論分析及仿真證明所得控制器確實(shí)具有優(yōu)良的性能。所得控制器是分散的，且獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。標(biāo)志系統(tǒng)穩(wěn)定與否的主要狀態(tài)量是主要機(jī)組之間及機(jī)組與無窮大系統(tǒng)間的相對(duì)角度及相對(duì)速度，若（為包括0的有限常數(shù)，是系統(tǒng)中機(jī)組的標(biāo)號(hào)），則系統(tǒng)穩(wěn)定。現(xiàn)有的開發(fā)應(yīng)用工作雖已取得不少成績(jī)，但產(chǎn)品的性能和質(zhì)量還不能完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，特別是復(fù)雜電力系統(tǒng)的要求，目前很多產(chǎn)品尚處于初創(chuàng)階段，不夠成熟，所施加的控制方法比較簡(jiǎn)單，因而有必要開發(fā)新的高性能的控制系統(tǒng)。但一個(gè)客觀事實(shí)是：許多工程技術(shù)中出現(xiàn)的復(fù)雜控制問題，至今仍缺乏好的方法去解決，工程界雖不滿意PID調(diào)節(jié)器的精度及性能，但許多工業(yè)過程仍因循應(yīng)用PID，可能仍占有百分之九十的現(xiàn)場(chǎng)份額。對(duì)于改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制方法研究，過去一直集中在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制與調(diào)速控制方面。 汽門/水門控制汽門控制，是快速關(guān)閉汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽門，降低汽輪機(jī)出力，以增加故障切除后機(jī)組制動(dòng)能量，從而保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的有效措施。90年代初研制的“MCS－98全數(shù)字式水門非線性控制器”，已應(yīng)用到丹江水電站的水門控制中[9]。只靠發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率不能平衡電力系統(tǒng)的無功需求，必須進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。而作為二者相結(jié)合的串并聯(lián)補(bǔ)償裝置，如統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)，則可以在準(zhǔn)確控制系統(tǒng)電壓的同時(shí)對(duì)輸電線路上的有功與無功潮流進(jìn)行雙向控制。 文[13]提出了基于黎卡提公式的魯棒負(fù)荷頻率控制器，該控制器確保全系統(tǒng)對(duì)容許不確定性的漸進(jìn)穩(wěn)定；文[14]進(jìn)行了類似研究；文[15］將魯棒控制用于處理小參數(shù)不確定性，自適應(yīng)控制用于處理大參數(shù)不確定性，所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)一步提高了參數(shù)不確定性的范圍；文[16]基于結(jié)構(gòu)奇異值框架設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的局部控制器。如何保證和提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是從多個(gè)方面進(jìn)行考慮的。用反饋線性化及用微分幾何法處理平滑非線性（如正弦非線性）均行之有效，而且已經(jīng)證明在簡(jiǎn)單系統(tǒng)中兩者的控制器解析表達(dá)是相同的。iv)遞推方法。反饋線性化技術(shù)是一種全局線性化，如微分幾何的精確線性化、直接反饋線性化（DFL）及逆系統(tǒng)方法等。為此可將原系統(tǒng)線性化，然后應(yīng)用線性系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制理論。其次，將非線性L2增益干擾抑制理論融合到自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計(jì)步驟中，針對(duì)帶有常參數(shù)不確定性及外部擾動(dòng)的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了非線性L2增益干擾抑制魯棒控制器。針對(duì)帶有常參數(shù)不確定及外部擾動(dòng)的多機(jī)勵(lì)磁與汽門控制系統(tǒng)，利用自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計(jì)了非線性L2增益干擾抑制控制器。雖然將該方法與魯棒控制方法結(jié)合可望解決參數(shù)不確定性問題，但最終所設(shè)計(jì)的控制器針對(duì)的畢竟是線性化后的系統(tǒng)，對(duì)原系統(tǒng)是否具強(qiáng)魯棒性則有待進(jìn)一步探討。因此閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng) 的平衡點(diǎn)是全局穩(wěn)定的，并且當(dāng) 。將看作虛擬控制，取新的鎮(zhèn)定函數(shù)其中為參數(shù)的估計(jì)值。 系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)曲線Fig Responding curves of the system states 不同值下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線Fig. Responding curves of the system under different values of 結(jié)論本章利用自適應(yīng)backstepping方法設(shè)計(jì)了非線性自適應(yīng)魯棒控制器。設(shè)計(jì)過程可以轉(zhuǎn)化為通過構(gòu)造存貯函數(shù)使系統(tǒng)滿足對(duì)供給率的耗散系統(tǒng)問題，即使下式 ()在任意時(shí)成立。引進(jìn)誤差變量。因此在這類系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)過程中如何有效地處理外部及內(nèi)部擾動(dòng)是一個(gè)值得研究的課題。兩個(gè)問題都是在帶有常參數(shù)不確定及外部擾動(dòng)的四階魯棒模型的基礎(chǔ)上，利用自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計(jì)了非線性L2增益干擾抑制控制器。 本文的主要工作本文針對(duì)電力系統(tǒng)的非線性模型，采用自適應(yīng)backstepping方法，研究了電力系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定控制問題。ii) 反饋線性化與魯棒控制方法的結(jié)合。但該項(xiàng)研究目前仍然處于起步階段。其實(shí)質(zhì)是干擾抑制問題。 基于電力系統(tǒng)非線性模型的設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行調(diào)節(jié)及小干擾穩(wěn)定控制不必考慮非線性特性，用線性化模型及線性最優(yōu)控制和多機(jī)系統(tǒng)分散最優(yōu)控制設(shè)計(jì)控制器已足夠。如勵(lì)磁汽門的綜合控制、勵(lì)磁與各種FACTS裝置的協(xié)調(diào)控制及FACTS裝置間的協(xié)調(diào)控制等[19～21]。 幾種FACTS裝置對(duì)穩(wěn)定性的影響[10, 11]Table Influence of FACTS devices on Stability措施靜態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定阻尼低頻振蕩阻尼次同步振蕩SVC/ASVG*******TCSC**********TCPS*******UPFC**********HVDC*******注：* 影響小，** 影響中，*** 影響大 負(fù)荷頻率控制電力系統(tǒng)的負(fù)荷是經(jīng)常變化的，為確保功率傳輸?shù)馁|(zhì)量，有必要依靠系統(tǒng)頻率對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)荷進(jìn)行控制。 在發(fā)、輸、配電系統(tǒng)中應(yīng)用或研究的一些電力電子裝置Fig. Some powerelectronic devices applied or studied in power generation, transmission a