【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)學(xué)模型描述而采取的一種簡單實(shí)用的控制方法，但對增益 K 的調(diào)整卻出現(xiàn)了矛盾。要使閉環(huán)系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，必須將增益 K 的值限制在一定范圍，而要提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度就得使增益 K 大于某一值，有時(shí)這二者是無法滿足的。隨之，就誕生了 PID 調(diào)節(jié)方式，它在一定程度上緩和了對單反饋量的勵磁調(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(dāng)于一臺可自動改變增益的比例式調(diào)節(jié)器。 蹉蘗 蹉蘗 6 蹉蘗 基于現(xiàn)代控制理論的多變量控制方式 蹉蘗 為了進(jìn)一步改善與提高電力系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)與 小干擾穩(wěn)定性，多變量反饋的勵磁控制方式便逐步發(fā)展起來。具有代表性的方法就是增加了 PSS環(huán)節(jié)的 PID 勵磁控制和 LOEC 線性最優(yōu)勵磁控制。所謂 PSS 的控制方式，實(shí)際上是采用雙狀態(tài)變量的反饋控制方式，就是在勵磁調(diào)節(jié)器中除了用狀態(tài)量 ? Vt 作為反饋量外再引入一附加鎮(zhèn)定參量。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(jìn)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 ? w，發(fā)電機(jī)端電壓的頻率 ? f，發(fā)電機(jī)電磁功率 ? pe。 PSS環(huán)節(jié)的存在，在其參數(shù)設(shè)計(jì)和選取得比較合適的條件下，可使原有的 PID控制系統(tǒng)主導(dǎo)特征值左移，起到改善電力系統(tǒng)阻尼特性和小干擾穩(wěn)定性的作用。 蹉蘗 為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及動態(tài)品質(zhì)，科學(xué)工作者提出了線性最優(yōu)勵磁控制方式，簡稱 LOEC。 該控制方式由于考慮了電力系統(tǒng)多個(gè)控制目標(biāo)的綜合，并采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)，因而具有更好的動態(tài)性能，在魯棒性和適應(yīng)性上也有很大的改善。彌補(bǔ)了 PSS 控制方式的不足之處。最優(yōu)控制理論的主要特點(diǎn)是 :不是建立在傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，而是建立在空間狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，是基于系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法 。適用于多控制量的系統(tǒng) 。可以根據(jù)被控對象的實(shí)際要求，用解析的方法得出最優(yōu)控制規(guī)律，以保證要求的性能指標(biāo)達(dá)到極值 。不局限于常系數(shù)線性系統(tǒng)，而亦適用于時(shí)變的線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及離散系統(tǒng)等。描述發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動方程是一系列非線性方程，線性最優(yōu)控制將這些 非線性方程在時(shí)域內(nèi)逐點(diǎn)線性化，計(jì)算出最優(yōu)控制規(guī)律。控制效果與 PSS 相比，可提高發(fā)電機(jī)的靜穩(wěn) 20%，提高暫穩(wěn) 30%。其局限性之一是線性化的結(jié)果與實(shí)際的非線性方程有一定的偏離；其二是當(dāng)電力系統(tǒng)的接線方式發(fā)生變化，其描述系統(tǒng)的狀態(tài)方程將和實(shí)際的系統(tǒng)出現(xiàn)偏差而導(dǎo)致控制性能出現(xiàn)微小的下降。但這種控制規(guī)律比起 PID+PSS 仍然具有明顯的優(yōu)勢。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(diǎn) :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)。第二，系統(tǒng)在偏離設(shè)計(jì)的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下的動態(tài)響應(yīng)與設(shè)計(jì)的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)下的動 態(tài)響應(yīng)之間相差甚微。第三，最優(yōu)勵磁控制規(guī)律是全部狀態(tài)量的最優(yōu)線性組合。這種組合能夠保證系統(tǒng)在過渡過程中各狀態(tài)量對其穩(wěn)態(tài)值的平方誤差的積分最小，故其控制效果不受振蕩頻率的影響。第四，可使系統(tǒng)獲得高的微動態(tài)穩(wěn)定極限。 蹉蘗 但是， LOEC 勵磁控制方式也存在一些不足，首先由于設(shè)計(jì)是基于平衡點(diǎn)處的近似線性化模型，因而當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離所設(shè)計(jì)的平衡點(diǎn)時(shí)或在系統(tǒng)受大干擾引起的暫態(tài)過程中，不能夠保證具有很好的控制特性，即對系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)變化的魯棒性得不到保證。 蹉蘗 蹉蘗 7 蹉蘗 其次所設(shè)計(jì)的控制器和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)，對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力也無法 得到保證。再次在多機(jī)系統(tǒng)線性最優(yōu)分散協(xié)調(diào)勵磁控制中，由于只能獲取有限的狀態(tài)變量，因此只能獲得相對次最優(yōu)的控制效果。最后，與 AVR/PSS 式勵磁控制器相比，往往缺少足夠高的電壓反饋增益。 蹉蘗 非線性多變量勵磁控制方式 蹉蘗 由于電力系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)非線性和結(jié)構(gòu)多變的系統(tǒng)，大多數(shù)實(shí)際工程控制系統(tǒng)也都是非線性系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)的問題最后要用非線性的控制理論來解決。隨著非線性控制理論的發(fā)展，如微分幾何法、直接反饋線性化法，李雅普諾夫函數(shù)法，變結(jié)構(gòu)控制、逆系統(tǒng)法等等，各種非線性勵磁控制方式也迅速發(fā)展起來。 蹉蘗 a)李雅普諾夫方法 蹉蘗 李雅普諾夫 (LyaPunov)穩(wěn)定性定理是關(guān)于運(yùn)動穩(wěn)定性問題的一般理論和方法，提出一個(gè)多世紀(jì)以來，大量學(xué)者圍繞其應(yīng)用作了系統(tǒng)的研究。該方法以李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)，通過構(gòu)造能反映機(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)。它的特點(diǎn)是直接考慮系統(tǒng)的非線性特性從而進(jìn)行控制。將李雅普諾夫函數(shù)法運(yùn)用到單機(jī)無窮大系統(tǒng)勵磁控制器的設(shè)計(jì)，并取得了較為滿意的結(jié)果。另外，該方法具有原理簡單易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是 LyaPunov 函數(shù)不容易找到。且在多機(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。 蹉蘗 b)基于微分幾何數(shù)學(xué)方法 蹉蘗 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。 蹉蘗 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。 蹉蘗 蹉蘗 8 蹉蘗 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磁控制規(guī)律。 蹉蘗 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。 蹉蘗 c)非線性變結(jié)構(gòu)和魯棒控制設(shè)計(jì)方法 蹉蘗 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。 蹉蘗 但目前這些方法還存在一些問題，如滑動模態(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)控制的抖動問題嚴(yán)重影響了它的廣泛應(yīng)用。 蹉蘗 魯棒勵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、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。 蹉蘗 智能控制方法 蹉蘗 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(jīng)網(wǎng)絡(luò)勵磁控制、基于迭代學(xué)習(xí)算法的勵磁控制等許多先進(jìn)控制策略被廣泛地應(yīng)用到發(fā)電機(jī)勵磁控制中。在人工智能應(yīng)用于勵磁控制時(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在控制器中，可以很好地滿足勵磁控制系統(tǒng)快速反應(yīng)的要求，因而在發(fā)電機(jī)勵磁控制器的設(shè)計(jì)上受到關(guān)注，并取得了蹉蘗 9 蹉蘗 一定的實(shí)際效果。 蹉蘗 蹉蘗 國外研究及發(fā)展?fàn)顩r 蹉蘗 大型同步發(fā)電機(jī)勵磁控制研究長期以來是一個(gè)非常活躍的領(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磁控制研究的學(xué)者參考。 蹉蘗 現(xiàn)代大型同步發(fā)電機(jī)勵磁控制的主要目標(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)和動態(tài)穩(wěn)定性 )和電壓穩(wěn)定性。勵磁控制設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問題有： 計(jì)所需的多機(jī)系統(tǒng)降階動態(tài)等值問題； ； 性問題 —— 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； ； 協(xié)調(diào)問題； ； ，勵磁控制器對不同運(yùn)行點(diǎn)、運(yùn)行方式和擾動模式的適應(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。 蹉蘗 關(guān)于同步發(fā)電機(jī)勵磁控制，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?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)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(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)蹉蘗 10 蹉蘗 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)勵磁控制問題。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)組勵磁控制的新要求基于 GPS 的多機(jī)系統(tǒng)勵磁優(yōu)化協(xié)調(diào)控制的研究 蹉蘗 勵磁控制器是同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(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)體勵磁調(diào)節(jié)器。到 20 世紀(jì) 70 年代初期，半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器已獲得廣泛應(yīng)用。 蹉蘗 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(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，勵磁控制方式的發(fā)展也經(jīng)歷了一條與之相應(yīng)的道路。 蹉蘗 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(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。 蹉蘗 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)定器的輔助勵磁控制策略，從而形成了“ AVR+PSS”結(jié)構(gòu)的勵磁控制器。這一控制方式至今仍被廣泛使用。 蹉蘗 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