【文章內(nèi)容簡介】 多機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)分散控制。文獻(xiàn)將李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)控制中，通過構(gòu)造反映機(jī)組運(yùn)行 規(guī)律的李雅普諾夫函數(shù)并以其為最小目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(dǎo)了以同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、功角 (轉(zhuǎn)子運(yùn)行角 )和轉(zhuǎn)速等作為變量的非線性狀態(tài)方程，構(gòu)造出一個(gè)能反映機(jī)組運(yùn)行規(guī)律的 LyaPunov 函數(shù)，并根據(jù) LyaPunov 漸進(jìn)穩(wěn)定原理設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制規(guī)律。用大范圍線性化方法將非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)，然后利用線性系統(tǒng)的 Lyapunov 方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是使用這種方法有一個(gè)較大《 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 （ 共 49 頁） 的局限就是李雅普諾夫函數(shù)不容易得到，尤其是對于復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型超過三階時(shí)，尋找李雅普諾 夫函數(shù)非常困難。 b)基于微分幾何數(shù)學(xué)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(biāo)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(gè)線性系統(tǒng)，使非線性系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。 近年來，許多學(xué)者將微分幾何方法引入到發(fā)電機(jī)非線性勵(lì)磁控制規(guī)律的設(shè)計(jì)中，取得了較為滿意的控制效果。該方法的缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)過程復(fù)雜、不直觀，不易為工程技術(shù)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(shí)現(xiàn)線性化的方法，與微分幾何法相比，這種方法數(shù)學(xué)過程非常簡單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，直接便可得到線性化的結(jié)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(xiàn)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(bǔ)償規(guī)律，從而使原非線性系統(tǒng)達(dá)到線性化的目的。該方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)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(yīng)用。缺點(diǎn)是運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)的控制器與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有關(guān)，因此無法保證對網(wǎng)絡(luò)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(lì)磁控制規(guī)律。 上述應(yīng)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(shí)質(zhì)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(shè)計(jì)，克服了采用單點(diǎn)線性化模型產(chǎn)生的不足，對發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的變化和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變具有較好的適應(yīng)能力。 c)非線性變結(jié)構(gòu)和魯棒控制設(shè)計(jì)方法 八十年代以來，變結(jié)構(gòu)控制開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)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(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dòng)模態(tài)的到達(dá)條件比較 嚴(yán)格，開關(guān)邏輯函數(shù)的設(shè)計(jì)比較困難等。特別是變結(jié)構(gòu)控制的抖動(dòng)問題嚴(yán)重影響了它的廣泛應(yīng)用。 魯棒勵(lì)磁控制的主要目的是通過一種設(shè)計(jì)方法來保證得到的控制器在預(yù)定的參數(shù)和結(jié)構(gòu)擾動(dòng)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(xiàn)報(bào)導(dǎo)了以滑模變結(jié)構(gòu)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(jī)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。研究表明，它們具有良好的針對參數(shù)攝動(dòng)、非線性項(xiàng)和不確定的魯棒性，有很樂觀的應(yīng)用前景。但該設(shè)計(jì)方法 有其不足之處，如控制理論本身有待進(jìn)一步完善，而且在應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)時(shí)，在模型和實(shí)現(xiàn)上還有許多實(shí)際問題需要進(jìn)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(lì)磁控制、基于規(guī)則 (專家系統(tǒng) )的勵(lì)磁控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勵(lì)磁控制、基于迭代學(xué)習(xí)算法的勵(lì)磁控制等許多先進(jìn)控制策略被廣泛地應(yīng)用到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制中。在人工智能應(yīng)用于勵(lì)磁控制時(shí)，并不需要被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，其控制效果是由控制規(guī)則及其對系統(tǒng)運(yùn)行變化的適應(yīng)能力決定的。近年來，模糊控制技術(shù)得到了越來越多的重視，模糊控制不依賴對象的數(shù)學(xué)模型，魯棒性好，簡單實(shí)用，可以離線形成控制表存儲(chǔ)在控制器中，可以很好地滿足勵(lì)磁控制系統(tǒng)快速反應(yīng)的要求，因而在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)上受到關(guān)注，并取得了一定的實(shí)際效果。 國外研究及發(fā)展?fàn)顩r 大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制研究長期以來是一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，成為各種控制理論和方法的“試金石” ,經(jīng)過多年的探索，在理論和實(shí)踐上 ,都已取得了豐碩的成果；而在目前和將來 ,隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)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(lǐng)域的研究將繼續(xù)深入發(fā)展。作者認(rèn)為，在當(dāng)前 ,應(yīng)該對此《 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 17 頁 （ 共 49 頁） 進(jìn)行一些實(shí)事求是和“承 上啟下”的分析和小結(jié)，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(guān)鍵問題還沒有得到滿意的解答，是今后研究的著力點(diǎn)；哪些問題仍然模糊不清，亟待明確 。而哪些問題乃細(xì)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(gè)研究組發(fā)表一兩篇文章所能勝任的。需要不同學(xué)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(jī)組勵(lì)磁控制發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀作一簡要概括，并從工程角度對已經(jīng)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(lì)磁控制研究的學(xué)者參考。 現(xiàn)代大型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的主要目標(biāo)包括：高精度的電壓調(diào)節(jié)功能 。機(jī)組無功功率分配功能；提供適當(dāng)?shù)娜斯ぷ枘岷吞岣呦到y(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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 )和電壓穩(wěn)定性。勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問題有： ；； —— 包括可微非線性和不可微強(qiáng)非線性 (如控制限幅 )的處理及機(jī)端電壓的處理問題； ,即分散與解耦控制問題； ； 調(diào)問題； ； ，勵(lì)磁控制器對不同運(yùn)行點(diǎn)、運(yùn)行方式和擾動(dòng)模式的適應(yīng)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(guān)于同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制，還有一些關(guān)鍵的問題迄今沒有得到很好地解決，它們是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)所在。多機(jī)系統(tǒng)中的“強(qiáng)”非線性問題 ,即考慮控制限幅、飽和、切換以及各種實(shí)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。現(xiàn)有的絕大多數(shù)非線性勵(lì)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(shí)際中廣泛存在的強(qiáng)非線性“視而不見”，或者只是做事后的定性校驗(yàn)；針對單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)提出了一種考慮輸入限幅和機(jī)組端電壓約束的分段 LQ 勵(lì)磁控制策略 ,而對于一般情況的多機(jī)電力系統(tǒng)尚需要進(jìn)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(diào)控制理論和針對小型孤立系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來，解決大系統(tǒng)下考慮參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定性的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制問題?！?可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 18 頁 （ 共 49 頁） 多目標(biāo)協(xié)調(diào)問題。由于控制手段增多，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)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(diào)工作方式，以解決電力系統(tǒng)的多 目標(biāo)控制問題。動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問題。目前的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)大多僅停留在離線規(guī)劃水平，較少考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜f(xié)調(diào)控制策略的要求，進(jìn)一步的研究應(yīng)該考慮控制器之間的在線動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問題。電力工業(yè)市場化運(yùn)行機(jī)制對系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制、包括機(jī)組勵(lì)磁控制的新要求基于 GPS 的多機(jī)系統(tǒng)勵(lì)磁優(yōu)化協(xié)調(diào)控制的研究 勵(lì)磁控制器是同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要部件。 20 世紀(jì) 50 年代以來，磁放大器出現(xiàn)后，常被用用直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。 20 世紀(jì) 60 年代初期，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)開始采用由半導(dǎo)體元件組成的半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。到 20 世紀(jì) 70 年代初 期，半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已獲得廣泛應(yīng)用。 勵(lì)磁控制理論的發(fā)展與自動(dòng)控制理論本身的發(fā)展是息息相關(guān)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(lì)磁控制方式的發(fā)展也經(jīng)歷了一條與之相應(yīng)的道路。 勵(lì)磁控制發(fā)展的第一階段可稱之為古典勵(lì)磁控制方式。在這一階段，勵(lì)磁控制首先從單機(jī)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)開始，提出了按發(fā)電機(jī)端電壓偏差進(jìn)行比例式調(diào)節(jié)的單輸入 —— 單輸出地勵(lì)磁控制方式，即比例調(diào)節(jié)方式。由于比例調(diào)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(diào)節(jié)精度等方面要求，于是便 發(fā)展到按發(fā)電機(jī)端電壓偏差的比例 — 積分 — 微分 — 調(diào)節(jié)的 PID（ ProportionalIntergralDifferential）調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)方式都是基于線性傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型上的單變量設(shè)計(jì)方法。 美國學(xué)者 和 采用古典控制理論中的相位補(bǔ)償原理，于1969 年提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輔助勵(lì)磁控制策略，從而形成了“ AVR+PSS”結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁控制器。這一控制方式至今仍被廣泛使用。 隨著現(xiàn)代控制理論和實(shí)踐的發(fā)展，研究方法和工具得到了不斷的改進(jìn)。 20 世紀(jì)70 年代，作為現(xiàn)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(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 （ 共 49 頁） 加拿大學(xué)者余耀南先生在 20 世紀(jì) 70 年代首先提出將最優(yōu)控制理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。國內(nèi)則是清華大學(xué)盧強(qiáng)教授等首先建立和完善了線性最優(yōu)勵(lì)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(tái)基于線性最優(yōu)勵(lì)磁控制理論的模擬式 LOEC 裝置。但是應(yīng)當(dāng)指出，這種勵(lì)磁控制器是針對電力系統(tǒng)局部線性化模型來設(shè)計(jì)的，這樣設(shè)計(jì)出的勵(lì)磁控制器能保 證在運(yùn)行點(diǎn)附近具有良好的控制性能，當(dāng)偏離運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，控制性能就會(huì)變差。 迄今為止，線性最優(yōu)勵(lì)磁控制器已進(jìn)入實(shí)用階段，成為兼有 AVR 和 PSS 功能，可供大型發(fā)電機(jī)組優(yōu)選的勵(lì)磁控制方案之一。 我國微機(jī)勵(lì)磁控制器的研制和開發(fā)工作開展的較早。第一臺(tái)投入現(xiàn)場運(yùn)行的微機(jī)勵(lì)磁控制器是電力部南京自動(dòng)化研究所研制的 WLT1 型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。清華大學(xué)分別與哈爾濱電機(jī)廠和北京重型電機(jī)廠合作，研制了全數(shù)字式勵(lì)磁控制器。中國電力科學(xué)研究院與南京自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁控制器。華中科技大學(xué)先后與東方電機(jī)股份有限公司和葛洲壩電廠能達(dá) 通用電氣有限公司合作，開發(fā)了線性最優(yōu)和自適應(yīng)最優(yōu)微機(jī)勵(lì)磁控制器。此外，廣州電器科學(xué)研究所、長江水利委員會(huì)陸管局自動(dòng)化研究所、武漢洪山電工技術(shù)研究所、河北工業(yè)大學(xué)、福州大學(xué)以及武漢華工大電力技術(shù)研究所等科研生產(chǎn)單位也在微機(jī)勵(lì)磁控制器的研究方面開展了相關(guān)工作。 綜上所述，十幾年來，我國在微機(jī)勵(lì)磁控制器的研究開發(fā)領(lǐng)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(shí)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(jī)勵(lì)磁控制器的推廣應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。 國外微機(jī)勵(lì)磁 控制器進(jìn)入實(shí)用也是在 20 世紀(jì) 80 年代， 1989 年 7 月日本東芝公司在日本投入了雙微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器；加拿大通用電氣公司（ CGE）于1990 年也開發(fā)出微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器；瑞士 ABB 公司開發(fā)了 UNITROLD 型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)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(chǎn)出微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。這些大公司均有很強(qiáng)的科研開發(fā)能力。其中有很多公司如《 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(chǎn)品在我國的大中型發(fā)電廠得到應(yīng)用。這些微機(jī)勵(lì)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(jī)勵(lì)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(jī)勵(lì)磁控制裝置的功能也非常強(qiáng)大，但裝置所選用的元器件的可靠性以及生產(chǎn)制造工藝水平與國外相比尚存在一定差距。 《 可控勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn) 》 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 21 頁 （ 共 49 頁） 第二章 勵(lì)磁系統(tǒng)的過勵(lì)限制 過勵(lì)限制的主要特性 勵(lì)磁系統(tǒng)和有刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)磁場電流作為過勵(lì)限制的控制量 ,無刷交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流作為過勵(lì)限制 的控制量。 過勵(lì)反時(shí)限特性函數(shù)類型與發(fā)電機(jī)磁場過電流特性函數(shù)類型 一致。因勵(lì)磁機(jī)飽和難以與發(fā)電機(jī)磁場過電流特性匹配時(shí)宜采用非函數(shù)形式的多點(diǎn)表述反時(shí)限特性。 隱極式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流特性表達(dá)式如下： 2(I