【文章內(nèi)容簡介】 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。工業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)裝置的大型化和復(fù)雜化，工業(yè)企業(yè)管理與控制的一體化，對控制理論提出了新的課題，必須開辟對大型復(fù)雜系統(tǒng)控制這一重要研究方向，尋求適應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高的新的控制律的設(shè)計理論與方法。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的突飛猛進(jìn)，對自動化技術(shù)的要求愈來愈高。在實際工程控制中，我們難以期望控制系統(tǒng)閉環(huán)后不進(jìn)行任何調(diào)整，系統(tǒng)性能就能達(dá)到設(shè)計要求。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。 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。前者如控制與管理、控制與規(guī)劃決策、控制與信息處理、控制與人工智能等；后者如控制與交通、控制與通信、控制與生物技術(shù)等。 同時在工業(yè)過程、機(jī)電一體化、電力系統(tǒng)、電氣傳動、電力電子技術(shù)中應(yīng)用日益廣泛。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)。因而從上述意義上來看，控制理論的發(fā)展正面臨新的機(jī)遇。對于改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制方法研究，過去一直集中在發(fā)電機(jī)的勵磁控制與調(diào)速控制方面。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。 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(yùn)行的同時，也為解決上述問題提供了強(qiáng)有力的工具。 發(fā)電單元的主要控制部件[8]，水輪機(jī)或汽輪機(jī)將水力或蒸汽力轉(zhuǎn)換為機(jī)械力，調(diào)速器控制原動機(jī)的水力或蒸汽力，發(fā)電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，而勵磁機(jī)和電壓調(diào)節(jié)器控制電力的輸出，同時調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)又都可以控制電力系統(tǒng)穩(wěn)定，所以將調(diào)速器稱為水門或汽門開度控制器則更為合適。由于這些部件對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定有顯著影響，各種控制理論的應(yīng)用研究顯然與這些部件有關(guān)。對電力系統(tǒng)研究對象的控制可以針對單機(jī)或多機(jī)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)可為單軸或雙軸同步發(fā)電機(jī)。 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(yùn)行的穩(wěn)定性。長期以來，發(fā)電機(jī)勵磁控制作為改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的易于實現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)、有效措施，一直受到廣大電力工作者的關(guān)注。由于應(yīng)用可控硅自并勵方式的靜止勵磁與具有旋轉(zhuǎn)機(jī)的勵磁方式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、造價低廉、調(diào)節(jié)快速等優(yōu)點[7]，因此近年來被電力系統(tǒng)廣泛采用。而基于這種快速勵磁方式的控制策略的研究也取得了顯著成就。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。雖然模型階數(shù)越高，對發(fā)電機(jī)動態(tài)行為的模擬就越詳細(xì)，但同時復(fù)雜程度也相應(yīng)增加。研究表明，三階簡化模型完全可以滿足對電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究的需要[8]。雙軸勵磁同步發(fā)電機(jī)是在轉(zhuǎn)子d、q軸上均裝設(shè)勵磁線圈的新型同步發(fā)電機(jī)。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。但它也存在造價較高，不是很經(jīng)濟(jì)的缺點。 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)組制動能量，從而保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的有效措施。汽門控制分為在快關(guān)過程中控制中壓調(diào)節(jié)汽門及同時控制高、中壓調(diào)節(jié)汽門兩種。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。根據(jù)多年的電廠接入系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果，一般情況下，除電廠出線始端發(fā)生三相短路必須采取切機(jī)減出力措施外，其它的單一故障，通過采取快關(guān)汽門措施，可達(dá)到電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行目的。當(dāng)然，汽門控制也不能解決所有的系統(tǒng)穩(wěn)定問題，與其它措施配合使用效果更好。近二十年來，原動機(jī)“調(diào)速”系統(tǒng)發(fā)生了相當(dāng)大的變化，電液式的“調(diào)速”系統(tǒng)取代了機(jī)械液壓式“調(diào)速”系統(tǒng)，其傳動方式也進(jìn)行了重大改進(jìn)。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]。對電力系統(tǒng)汽門的非線性控制，一般針對以狀態(tài)變量構(gòu)成的三階系統(tǒng)模型進(jìn)行研究。水輪發(fā)電機(jī)水門調(diào)節(jié)的基本任務(wù)是，當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化或系統(tǒng)遭受到干擾，水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速將出現(xiàn)偏差時，可通過水門調(diào)節(jié)器相應(yīng)地改變水輪機(jī)的流量，使改變后的水輪機(jī)水力矩與發(fā)電機(jī)負(fù)荷阻力矩達(dá)成新的平衡，以維持機(jī)組轉(zhuǎn)速（或頻率）在規(guī)定的范圍以內(nèi)。水輪機(jī)水門調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個水、機(jī)、電的綜合控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)對象的特性十分復(fù)雜。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。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)。隨著控制理論及電子技術(shù)的發(fā)展，研制了PI調(diào)節(jié)和PID調(diào)節(jié)器。近年來，已研制出以微處理機(jī)為基礎(chǔ)的自適應(yīng)式調(diào)速器，試圖保持水輪機(jī)調(diào)速器處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。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)。從水輪發(fā)電機(jī)組的非線性模型出發(fā)，對其控制規(guī)律進(jìn)行研究，從而得到水門非線性調(diào)節(jié)規(guī)律則十分必要。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]。 FACTS控制柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible Alternating Current Transmission System）是由美國電力科學(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。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。[10]，系統(tǒng)間輸送的有功功率由圖中的方程所確定。FACTS設(shè)備可影響這些參數(shù)中的一個或多個。隨著大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，F(xiàn)ACTS設(shè)備的制造及應(yīng)用得到了長足發(fā)展。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。 1972年第一條基于晶閘管的直流輸電線路投運(yùn)。迄今世界上運(yùn)行的HVDC已逾30條?？煽毓鑴畲攀加?0年代，如今已普遍采用。基于晶閘管的SVC始于70年代，到80年代后期全世界SVC已逾20Gvar。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)的趨勢則是不爭的事實。當(dāng)然，F(xiàn)ACTS技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展也是有一定背景的條件。這些條件可概括為輸電網(wǎng)運(yùn)行的需要、來自直流輸電的競爭壓力、電力電子技術(shù)和元器件的發(fā)展支持、已有FACTS技術(shù)產(chǎn)品的研制和運(yùn)行經(jīng)驗的積累等四個方面。 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。同時，電力系統(tǒng)需要的無功功率也比有功功率大，若綜合有功發(fā)電最大負(fù)荷為100%，則無功總需要約為120140%，它包括負(fù)荷的無功功率和線路、變壓器的無功損耗。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。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。低頻振蕩通常發(fā)生在重負(fù)荷、長傳輸線系統(tǒng)。由于機(jī)組群與它們的自然機(jī)電振蕩頻率的不同，使得系統(tǒng)在某種狀況下發(fā)生低頻振蕩，其振蕩頻率約為每分鐘1至5次。串聯(lián)補(bǔ)償提高了功率的傳輸能力。但在某一頻率入下，線路感抗與串聯(lián)容抗相等時，會產(chǎn)生電氣諧振。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。FACTS的出現(xiàn)無疑也為動態(tài)無功功率補(bǔ)償及抑制振蕩提供了新的有效手段。FACTS設(shè)備近年來發(fā)展十分迅速，所包含的器件種類不斷增加。目前已知的屬于FACTS開發(fā)項目的具體裝置約有20多種，其原理、性能、與系統(tǒng)的連接方式等也多種多樣，一些已進(jìn)入實際應(yīng)用，一些正處于工業(yè)示范階段，另一些尚處于設(shè)計測試階段[11], 一些在發(fā)、輸、。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。而對其控制規(guī)律進(jìn)行設(shè)計研究則是理論工作者關(guān)注的熱點之一。 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 and distribution systemsFACTS控制器按其與被控交流輸電系統(tǒng)的連接方式大體可分為并聯(lián)連接、串聯(lián)連接和串并聯(lián)連接三類控制器。眾所周知，并聯(lián)補(bǔ)償裝置，如靜止無功補(bǔ)償器(SVC)，靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)等，其基本功能是控制系統(tǒng)的電壓。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。串聯(lián)補(bǔ)償裝置，如可控串補(bǔ)(TCSC)，靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)等，則主要用于控制系統(tǒng)的潮流。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)電壓的同時對輸電線路上的有功與無功潮流進(jìn)行雙向控制。但應(yīng)當(dāng)指出，由于串聯(lián)補(bǔ)償方式是用來對系統(tǒng)的潮流加以控制，一旦補(bǔ)償裝置發(fā)生故障，有可能對電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。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。此外，當(dāng)系統(tǒng)遭受干擾或發(fā)生故障時，通過調(diào)節(jié)輸出無功功率，SVC可以起到穩(wěn)定系統(tǒng)的作用?？煽卮?lián)補(bǔ)償器(TCSC)具有潮流控制、阻尼線路功率振蕩、提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和抑制次同步振蕩(SSR)等多種功能，因此，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力很大。裝設(shè)在輸電線路的中點，由于它正常運(yùn)行狀態(tài)下可等效為串聯(lián)在輸電線路上的容性電抗，故可有效減少輸電線路的等效電氣距離，使得遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)在大小干擾下的穩(wěn)定性均得以提高。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。它在某種控制規(guī)律下，可根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)狀態(tài)，快速地調(diào)節(jié)變流器的輸出電壓的幅度和相位，從而控制系統(tǒng)潮流[12]。除了起到電壓支撐和無功補(bǔ)償作用外，ASVG對于提高線路最大傳輸功率、增強(qiáng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能、阻尼扭振以及改善電能質(zhì)量等都有良好的效果。由于ASVG具有控制特性好，可以在從感性到容性的整個范圍中進(jìn)行連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，特別是在欠壓條件下仍可有效地發(fā)出無功功率，在系統(tǒng)對稱運(yùn)行條件下所需儲能電容容量較小，從而可以減小裝置體積，瞬時過負(fù)荷容量大，諧波含量小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點得到了電力工業(yè)界越來越大的關(guān)注，美國和日本都已先后研制出多臺大容量的ASVG裝置，并已經(jīng)投入實際運(yùn)行。 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。用于電氣制動的TCBR一般被安裝在發(fā)電機(jī)端用以吸收當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時的過剩暫態(tài)能量，保持電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 幾種FACTS裝置對穩(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)頻率對發(fā)電機(jī)負(fù)荷進(jìn)行控制。由于電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時僅會遭受小的負(fù)荷變化，所以線性模型足夠用于代表系統(tǒng)在運(yùn)行點周圍的動態(tài)。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。這里的狀態(tài)向量分別代表頻率偏差增量 ，發(fā)電機(jī)有功輸出增量變化，調(diào)節(jié)器閥門位置增量變化、及電壓角度增量變化。 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)計了簡單的局部控制器。文[17]應(yīng)用變結(jié)構(gòu)方法對負(fù)荷頻率控制進(jìn)行了研究。 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。它們可以在不切機(jī)的情況下，從根本上提高機(jī)組與電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平。這里的協(xié)調(diào)控制有兩方面的含義：其一為多目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制，即提高靜穩(wěn)與改善暫穩(wěn)之間的協(xié)調(diào)，如功角穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定；其二為同一地區(qū)的多種控制器以及不同地區(qū)控制器間的協(xié)調(diào)控制，乃至發(fā)展成為集中控制系統(tǒng)。一個完整的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)應(yīng)從時間上、空間分布上互相協(xié)調(diào)，并能考慮和適應(yīng)各種不同類型的穩(wěn)定破壞問題。電力系統(tǒng)運(yùn)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：由于串聯(lián)電容補(bǔ)償