【文章內容簡介】 諾 夫第二穩(wěn)定性理論應用到電力系統(tǒng)控制中，通過構造反映機組運行規(guī)律的李雅普諾夫函數并以其為最小目標進行設計。這些方法直接考慮系統(tǒng)的非線性特性，原理簡單，易于掌握。其中推導了以同步發(fā)電機機端電壓、功角 (轉子運行角 )和轉速等作為變量的非線性狀態(tài)方程，構造出一個能反映機組運行規(guī)律的 LyaPunov 函數，并根據 LyaPunov 漸進穩(wěn)定原理設計發(fā)電機組的勵磁控制規(guī)律。用大范圍線性化方法將非線性系統(tǒng)轉化為線性系統(tǒng)，然后利用線性系統(tǒng)的 Lyapunov 方法進行設計。但是使用這種方法有一個較大《 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實驗 》 畢 業(yè)設計說明書 第 15 頁 （ 共 49 頁） 的局限就是李雅普諾夫函數不容易得到， 尤其是對于復雜系統(tǒng)，當系統(tǒng)數學模型超過三階時，尋找李雅普諾夫函數非常困難。 b)基于微分幾何數學方法 基于微分幾何方法屬于反饋線性化方法的一種，它通過合理的坐標變換找到非線性反饋規(guī)律，引入虛擬控制量將非線性系統(tǒng)映射為一個線性系統(tǒng)，使非線性系統(tǒng)在一定范圍內實現精確線性化，線性控制理論所有的方法都可以直接加以利用，從而把非線性系統(tǒng)的分析與設計轉化為線性系統(tǒng)的分析與設計問題。 近年來，許多學者將微分幾何方法引入到發(fā)電機非線性勵磁控制規(guī)律的設計中，取得了較為滿意的控制效果。該方法的缺點是數學過程復雜、不直觀，不易為 工程技術人員所掌握。 直接反饋線性化方法是另一種使非線性系統(tǒng)實現線性化的方法，與微分幾何法相比，這種方法數學過程非常簡單，不需要進行復雜的坐標變換和數學推導，直接便可得到線性化的結果。通過變化系統(tǒng)的狀態(tài)方程，使非線性因素和控制量集中出現在某一高階微分方程中，通過虛擬控制輸入量的建立，直接找到非線性補償規(guī)律，從而使原非線性系統(tǒng)達到線性化的目的。該方法的優(yōu)點是數學過程簡單，物理概念清晰，且適用于所有非線性系統(tǒng)，易于工程應用。缺點是運用該方法設計的控制器與網絡參數有關，因此無法保證對網絡變化的魯棒性。用解析的方法 證明直接反饋線性化方法和微分幾何法可以得到完全相同的非線性勵磁控制規(guī)律。 上述應用于電力系統(tǒng)的微分幾何方法，直接線性化和逆系統(tǒng)方法實質上都是一種反饋線性化的方法。它們把非線性的電力系統(tǒng)控制問題，采用各種方法，線性化成線性系統(tǒng)，再利用線性控制理論加以分析與設計，克服了采用單點線性化模型產生的不足，對發(fā)電機運行點的變化和系統(tǒng)網絡結構的改變具有較好的適應能力。 c)非線性變結構和魯棒控制設計方法 八十年代以來，變結構控制開始應用于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁控制器的設計中，研究表明其能有效地解決電力系統(tǒng)控制的魯棒性問題 。 《 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實驗 》 畢 業(yè)設計說明書 第 16 頁 （ 共 49 頁） 但目前這些方法還存在一些問題，如滑動模態(tài)的到達條件比較嚴格，開關邏輯函數的設計比較困難等。特別是變結構控制的抖動問題嚴重影響了它的廣泛應用。 魯棒勵磁控制的主要目的是通過一種設計方法來保證得到的控制器在預定的參數和結構擾動下仍然能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。目前，己有大量的文獻報導了以滑模變結構控制、 H? 控制和 ? 綜合理論為代表的魯棒控制理論在發(fā)電機勵磁控制器設計中的應用。研究表明，它們具有良好的針對參數攝 動、非線性項和不確定的魯棒性，有很樂觀的應用前景。但該設計方法有其不足之處，如控制理論本身有待進一步完善，而且在應用于發(fā)電機勵磁控制設計時，在模型和實現上還有許多實際問題需要進一步研究。 智能控制方法 隨著智能控制理論的迅速發(fā)展，模糊邏輯勵磁控制、基于規(guī)則 (專家系統(tǒng) )的勵磁控制、人工神經網絡勵磁控制、基于迭代學習算法的勵磁控制等許多先進控制策略被廣泛地應用到發(fā)電機勵磁控制中。在人工智能應用于勵磁控制時，并不需要被控對象精確的數學模型，其控制效果是由控制規(guī)則及其對系統(tǒng)運行變化的適應能力決定的。近年來 ，模糊控制技術得到了越來越多的重視，模糊控制不依賴對象的數學模型，魯棒性好，簡單實用，可以離線形成控制表存儲在控制器中，可以很好地滿足勵磁控制系統(tǒng)快速反應的要求，因而在發(fā)電機勵磁控制器的設計上受到關注，并取得了一定的實際效果。 大型同步發(fā)電機勵磁控制研究長期以來是一個非?；钴S的領域，成為各種控制理論和方法的“試金石” ,經過多年的探索，在理論和實踐上 ,都已取得了豐碩的成果；而在目前和將來 ,隨著電網規(guī)模的不斷擴大及其對安全穩(wěn)定性水平要求的提高，以及控制理論的推陳出新 ,這一領域的研究將 繼續(xù)深入發(fā)展。作者認為，在當前 ,應該對此《 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實驗 》 畢 業(yè)設計說明書 第 17 頁 （ 共 49 頁） 進行一些實事求是和“承上啟下”的分析和小結，以明確：哪些問題已得到了比較圓滿的解決，不需要再花精力去研究了哪些關鍵問題還沒有得到滿意的解答，是今后研究的著力點；哪些問題仍然模糊不清，亟待明確 。而哪些問題乃細枝末節(jié)，不必沉溺于其中等等，將是大有裨益的事。誠然 ,想完成這件有益的事并非一兩個研究組發(fā)表一兩篇文章所能勝任的。需要不同學派同仁各抒己見、集思廣益，方能奏效。文章嘗試對大型發(fā)電機組勵磁控制發(fā)展的歷史和現狀作一簡要概括，并從工程角度對已經比較好地解決了的問題、尚存在的 問題以及未來大致走向發(fā)表拙見?！耙闪x相與析”，僅供廣大電力科研人員特別是長期從事勵磁控制研究的學者參考。 現代大型同步發(fā)電機勵磁控制的主要目標包括：高精度的電壓調節(jié)功能 。機組無功功率分配功能；提供適當的人工阻尼和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和傳輸功率的功能，其中穩(wěn)定性主要指功角穩(wěn)定性 (包括靜態(tài)、暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性 )和電壓穩(wěn)定性。勵磁控制設計需要解決的關鍵問題有： ；； —— 包括可微非線性和不可微強非線性 (如控制限幅 )的處理及機端電壓的處理問 題； ,即分散與解耦控制問題； ； 調問題； ； ，勵磁控制器對不同運行點、運行方式和擾動模式的適應能力和優(yōu)化程度； ,包括閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性等。 關于同步發(fā)電機勵磁控制，還有一些關鍵的問題迄今沒有得到很好地解決，它們是進一步研究的重點所在。多機系統(tǒng)中的“強”非線性問題 ,即考慮控制限幅、飽和、切換以及各種實際約束 (如端電壓約束 )條件下的控制系統(tǒng)綜合和分析問題?，F有的 絕大多數非線性勵磁控制所針對的只是常規(guī)非線性 (或稱為光滑可逆非線性 )問題，而對工程實際中廣泛存在的強非線性“視而不見”，或者只是做事后的定性校驗；針對單機無窮大電力系統(tǒng)提出了一種考慮輸入限幅和機組端電壓約束的分段 LQ 勵磁控制策略 ,而對于一般情況的多機電力系統(tǒng)尚需要進行更深入的研究。將針對大型電力系統(tǒng)任意信息模式下的協(xié)調控制理論和針對小型孤立系統(tǒng)的魯棒自適應設計方法結合起來，解決大系統(tǒng)下考慮參數和結構不確定性的魯棒自適應勵磁控制問題?！?可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實驗 》 畢 業(yè)設計說明書 第 18 頁 （ 共 49 頁） 多目標協(xié)調問題。由于控制手段增多，調節(jié)系統(tǒng)的側重點和能力各異，因此有必要從整 體出發(fā)。規(guī)劃不同控制手段之間的協(xié)調工作方式，以解決電力系統(tǒng)的多目標控制問題。動態(tài)協(xié)調控制問題。目前的協(xié)調控制設計大多僅停留在離線規(guī)劃水平，較少考慮系統(tǒng)運行方式和網絡拓撲變化對協(xié)調控制策略的要求，進一步的研究應該考慮控制器之間的在線動態(tài)協(xié)調問題。電力工業(yè)市場化運行機制對系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制、包括機組勵磁控制的新要求基于 GPS 的多機系統(tǒng)勵磁優(yōu)化協(xié)調控制的研究 勵磁控制器是同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的重要部件。 20 世紀 50 年代以來，磁放大器出現后，常被用用直流勵磁機系統(tǒng)。 20 世紀 60 年代初期，隨著半導體技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)開 始采用由半導體元件組成的半導體勵磁調節(jié)器。到 20 世紀 70 年代初期，半導體勵磁調節(jié)器已獲得廣泛應用。 勵磁控制理論的發(fā)展與自動控制理論本身的發(fā)展是息息相關的，控制理論總的發(fā)展趨勢是由單變量到多變量，由線性到非線性，再到智能化控制。同樣，勵磁控制方式的發(fā)展也經歷了一條與之相應的道路。 勵磁控制發(fā)展的第一階段可稱之為古典勵磁控制方式。在這一階段，勵磁控制首先從單機系統(tǒng)的分析和設計開始，提出了按發(fā)電機端電壓偏差進行比例式調節(jié)的單輸入 —— 單輸出地勵磁控制方式，即比例調節(jié)方式。由于比例調節(jié)方式不能很好滿足大電力系統(tǒng)對抑 制震蕩、提高靜態(tài)穩(wěn)定極限以及穩(wěn)態(tài)電壓調節(jié)精度等方面要求，于是便 發(fā)展 到按 發(fā)電 機端 電壓 偏差 的比 例 — 積分 — 微分 — 調節(jié) 的 PID（ ProportionalIntergralDifferential）調節(jié)方式。這兩種調節(jié)方式都是基于線性傳遞函數數學模型上的單變量設計方法。 美國學者 和 采用古典控制理論中的相位補償原理，于1969 年提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輔助勵磁控制策略，從而形成了“ AVR+PSS”結構的勵磁控制器。這一控制方式至今仍被廣泛使用。 隨著現代控制理論和實踐的發(fā)展 ，研究方法和工具得到了不斷的改進。 20 世紀70 年代，作為現代控制理論分枝的狀態(tài)空間法獲得了迅速發(fā)展，建立了完整的控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述方法以及多維空間中的算子理論。 《 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實驗 》 畢 業(yè)設計說明書 第 19 頁 （ 共 49 頁） 加拿大學者余耀南先生在 20 世紀 70 年代首先提出將最優(yōu)控制理論應用到電力系統(tǒng)中。國內則是清華大學盧強教授等首先建立和完善了線性最優(yōu)勵磁控制器（ Linear Optimal Excitation Controller， LOEC）的理論體系，并與天津電氣研究所共同研制出了第一臺基于線性最優(yōu)勵磁控制理論的模擬式 LOEC 裝置。但是應當指出，這種勵磁控制器是 針對電力系統(tǒng)局部線性化模型來設計的，這樣設計出的勵磁控制器能保證在運行點附近具有良好的控制性能，當偏離運行點時，控制性能就會變差。 迄今為止，線性最優(yōu)勵磁控制器已進入實用階段，成為兼有 AVR 和 PSS 功能，可供大型發(fā)電機組優(yōu)選的勵磁控制方案之一。 我國微機勵磁控制器的研制和開發(fā)工作開展的較早。第一臺投入現場運行的微機勵磁控制器是電力部南京自動化研究所研制的 WLT1 型勵磁調節(jié)器。清華大學分別與哈爾濱電機廠和北京重型電機廠合作，研制了全數字式勵磁控制器。中國電力科學研究院與南京自動化設備廠合作研制的微機自動勵磁 控制器。華中科技大學先后與東方電機股份有限公司和葛洲壩電廠能達通用電氣有限公司合作，開發(fā)了線性最優(yōu)和自適應最優(yōu)微機勵磁控制器。此外，廣州電器科學研究所、長江水利委員會陸管局自動化研究所、武漢洪山電工技術研究所、河北工業(yè)大學、福州大學以及武漢華工大電力技術研究所等科研生產單位也在微機勵磁控制器的研究方面開展了相關工作。 綜上所述，十幾年來，我國在微機勵磁控制器的研究開發(fā)領域取得了豐碩的成果，這些離不開各大專院校，科研院所的共同努力，同時也離不開諸如池覃、映秀灣、烏溪江、葛洲壩等電廠的創(chuàng)新精神和大力支持，各地中 試所也為微機勵磁控制器的推廣應用做出了重要貢獻。 國外微機勵磁控制器進入實用也是在 20 世紀 80 年代， 1989 年 7 月日本東芝公司在日本投入了雙微機系統(tǒng)的數字式勵磁調節(jié)器；加拿大通用電氣公司（ CGE）于1990 年也開發(fā)出微機勵磁調節(jié)器；瑞士 ABB 公司開發(fā)了 UNITROLD 型微機勵磁調節(jié)器。此外奧地利 ELIN 公司、德國 SIEMENS 公司和英國的 GEC 公司等也都相繼生產出微機勵磁調節(jié)器。這些大公司均有很強的科研開發(fā)能力。其中有很多公司如《 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實驗 》 畢 業(yè)設計說明書 第 20 頁 （ 共 49 頁） 瑞士 ABB、加拿大 CGE、奧地利 ELIN、英國 GEC 的產品在我國的大中型發(fā)電廠 得到應用。這些微機勵磁控制器大多采用 PID+PSS 控制，各種控制限制功能較完善，裝置整體制造水平高。 從整體上看，我國在微機勵磁控制系統(tǒng)的控制算法的研究處在國際前列，所開發(fā)的微機勵磁控制裝置的功能也非常強大，但裝置所選用的元器件的可靠性以及生產制造工藝水平與國外相比尚存在一定差距。 《 可控勵磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實驗 》 畢 業(yè)設計說明書 第 21 頁 （ 共 49 頁） 第二章 勵磁系統(tǒng)的過勵限制 過勵限制的主要特性 勵磁系統(tǒng)和有刷交流勵磁機勵磁系統(tǒng)采用發(fā)電機磁場電流作為過勵限制的控制量 ,無刷交流勵磁機勵磁系統(tǒng)采用勵磁機勵磁電流作為過勵限制 的 控制量。 過勵反時限特性函數類型與發(fā)電機磁場過電流特性函數類型一致。因勵磁機飽和難以與發(fā)電機磁場過電流特性匹配時宜采用非函數形式的多點表述反時限特性。 隱極式同步發(fā)電機轉子過電流特性表達式如下： 2(I 1)t =33 .75