【文章內容簡介】 方面控制理論學家與數學家的區(qū)別在于前者是針對控制問題尋求或創(chuàng)立數學方法，而后者是對現成的數學方法尋求在控制上的應用，雖然這兩者并不是完全可以分清的。工業(yè)生產和技術裝置的大型化和復雜化，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，必須開辟對大型復雜系統(tǒng)控制這一重要研究方向，尋求適應生產技術水平不斷提高的新的控制律的設計理論與方法。當前科學技術的飛速發(fā)展，工業(yè)生產的突飛猛進，對自動化技術的要求愈來愈高。在實際工程控制中，我們難以期望控制系統(tǒng)閉環(huán)后不進行任何調整，系統(tǒng)性能就能達到設計要求。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。 在控制理論的應用方面，控制理論越來越緊密的與其他相關學科和新興產業(yè)相交叉、滲透、融合與應用。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、控制與生物技術等。 同時在工業(yè)過程、機電一體化、電力系統(tǒng)、電氣傳動、電力電子技術中應用日益廣泛。不管是傳統(tǒng)產業(yè)，還是新興產業(yè)的技術進步，無不與先進控制技術的采用密切相關。因而從上述意義上來看，控制理論的發(fā)展正面臨新的機遇。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)電機的勵磁控制與調速控制方面。隨著現代科學技術的發(fā)展特別是微電子技術、電力電子技術、計算機技術、通信和信息技術以及現代控制理論的不斷進展，控制理論在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用。 將先進控制技術 (例如最優(yōu)、自適應、滑模變結構、魯棒與智能控制，以及分岔與混沌控制等 )引入該類領域，以改善其穩(wěn)定性、快速性、抗干擾與參數攝動能力、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、促進電力系統(tǒng)安全優(yōu)質經濟運行的同時，也為解決上述問題提供了強有力的工具。 發(fā)電單元的主要控制部件[8]，水輪機或汽輪機將水力或蒸汽力轉換為機械力，調速器控制原動機的水力或蒸汽力，發(fā)電機進行機電能量的轉換，而勵磁機和電壓調節(jié)器控制電力的輸出，同時調速器及勵磁系統(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，各種控制理論的應用研究顯然與這些部件有關。對電力系統(tǒng)研究對象的控制可以針對單機或多機系統(tǒng)，發(fā)電機可為單軸或雙軸同步發(fā)電機。 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是維持發(fā)電機或其他控制點的電壓在給定水平上和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。長期以來，發(fā)電機勵磁控制作為改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的易于實現、經濟、有效措施，一直受到廣大電力工作者的關注。由于應用可控硅自并勵方式的靜止勵磁與具有旋轉機的勵磁方式相比，具有結構簡單、可靠性高、造價低廉、調節(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)電機模型多以狀態(tài)變量構成的微分方程，即經典三階簡化模型為主。雖然模型階數越高，對發(fā)電機動態(tài)行為的模擬就越詳細，但同時復雜程度也相應增加。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)電機是在轉子d、q軸上均裝設勵磁線圈的新型同步發(fā)電機。通過調節(jié)d、q軸的勵磁電流，使合成電勢可取任意角度，從而可改變感應電勢的相位角控制發(fā)電機的輸出功率，有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止失步。但它也存在造價較高，不是很經濟的缺點。 汽門/水門控制汽門控制，是快速關閉汽輪機的調節(jié)汽門，降低汽輪機出力，以增加故障切除后機組制動能量，從而保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有效措施。汽門控制分為在快關過程中控制中壓調節(jié)汽門及同時控制高、中壓調節(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)和汽輪機的可靠性，通常比機組停機方案更可取。根據多年的電廠接入系統(tǒng)設計結果，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減出力措施外，其它的單一故障，通過采取快關汽門措施，可達到電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行目的。當然，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“調速”系統(tǒng)發(fā)生了相當大的變化，電液式的“調速”系統(tǒng)取代了機械液壓式“調速”系統(tǒng)，其傳動方式也進行了重大改進。在此基礎之上，通過水（汽）門對原動機轉矩的控制，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)變量構成的三階系統(tǒng)模型進行研究。水輪發(fā)電機水門調節(jié)的基本任務是，當電力系統(tǒng)負荷發(fā)生變化或系統(tǒng)遭受到干擾，水輪發(fā)電機組轉速將出現偏差時，可通過水門調節(jié)器相應地改變水輪機的流量，使改變后的水輪機水力矩與發(fā)電機負荷阻力矩達成新的平衡，以維持機組轉速（或頻率）在規(guī)定的范圍以內。水輪機水門調節(jié)系統(tǒng)是一個水、機、電的綜合控制系統(tǒng)，調節(jié)對象的特性十分復雜。壓力引水系統(tǒng)有較大的水流慣性，它使得水輪機水力矩不能立即響應負荷力矩的變化；水輪機具有明顯的非線性特性以及水輪發(fā)電機組有較大的轉動慣性，這些都對水輪機調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和調節(jié)品質有很大的影響，也給調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、過渡過程分析以及調速器參數整定帶來了一定的困難。早期的水輪機水門調節(jié)方式是根據機組轉速的偏差進行比例調節(jié)。隨著控制理論及電子技術的發(fā)展，研制了PI調節(jié)和PID調節(jié)器。近年來，已研制出以微處理機為基礎的自適應式調速器，試圖保持水輪機調速器處于最佳運行狀態(tài)。但是，上述各種調速器都是基于水輪發(fā)電機組的近似線性化模型設計的，不能考慮水門調節(jié)的非線性特性．難以適應電力系統(tǒng)在動態(tài)過程中的最佳調節(jié)。從水輪發(fā)電機組的非線性模型出發(fā)，對其控制規(guī)律進行研究，從而得到水門非線性調節(jié)規(guī)律則十分必要。90年代初研制的“MCS－98全數字式水門非線性控制器”，已應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的三個主要參數（電壓、相角、阻抗）按系統(tǒng)的需要迅速調整。[10]，系統(tǒng)間輸送的有功功率由圖中的方程所確定。FACTS設備可影響這些參數中的一個或多個。隨著大功率半導體器件的發(fā)展，FACTS設備的制造及應用得到了長足發(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。迄今世界上運行的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的趨勢則是不爭的事實。當然，FACTS技術的產生和發(fā)展也是有一定背景的條件。這些條件可概括為輸電網運行的需要、來自直流輸電的競爭壓力、電力電子技術和元器件的發(fā)展支持、已有FACTS技術產品的研制和運行經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的效果主要體現在提高了輸電網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)電最大負荷為100%，則無功總需要約為120140%，它包括負荷的無功功率和線路、變壓器的無功損耗。只靠發(fā)電機發(fā)出的無功功率不能平衡電力系統(tǒng)的無功需求，必須進行無功功率補償。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)的安全運行。低頻振蕩通常發(fā)生在重負荷、長傳輸線系統(tǒng)。由于機組群與它們的自然機電振蕩頻率的不同，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，會產生電氣諧振。而當發(fā)電機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的出現無疑也為動態(tài)無功功率補償及抑制振蕩提供了新的有效手段。FACTS設備近年來發(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，一些已進入實際應用，一些正處于工業(yè)示范階段，另一些尚處于設計測試階段[11], 一些在發(fā)、輸、。目前的主要有：靜止無功補償器（SVC）、可控硅控制的串聯(lián)補償器（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)律進行設計研究則是理論工作者關注的熱點之一。 在發(fā)、輸、配電系統(tǒng)中應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)補償裝置，如靜止無功補償器(SVC)，靜止同步補償器(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，所以適用于網絡結構和較短的輸電線路的補償。串聯(lián)補償裝置，如可控串補(TCSC)，靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC)等，則主要用于控制系統(tǒng)的潮流。而作為二者相結合的串并聯(lián)補償裝置，如統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)，則可以在準確控制系統(tǒng)電壓的同時對輸電線路上的有功與無功潮流進行雙向控制。但應當指出，由于串聯(lián)補償方式是用來對系統(tǒng)的潮流加以控制，一旦補償裝置發(fā)生故障，有可能對電力系統(tǒng)產生嚴重的影響。SVC的基本功能是從電網吸收或向電網輸送可連續(xù)調節(jié)的無功功率，以維持裝設點的電壓穩(wěn)定，并有利于電網的無功規(guī)律平衡。此外，當系統(tǒng)遭受干擾或發(fā)生故障時，通過調節(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)中的應用潛力很大。裝設在輸電線路的中點，由于它正常運行狀態(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。先進的靜止無功發(fā)生器(ASVG/STATCOM)作為FACTS器件中最重要的設備之一，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)的響應速度并改善功率因數，因此較之傳統(tǒng)的無源參數控制型的補償裝置（SVC等）具有更為優(yōu)越的性能。它在某種控制規(guī)律下，可根據系統(tǒng)的參數狀態(tài)，快速地調節(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償作用外，ASVG對于提高線路最大傳輸功率、增強系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能、阻尼扭振以及改善電能質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行連續(xù)的無功調節(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，瞬時過負荷容量大，諧波含量小，響應速度快等優(yōu)點得到了電力工業(yè)界越來越大的關注，美國和日本都已先后研制出多臺大容量的ASVG裝置，并已經投入實際運行。 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)電機端用以吸收當系統(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 負荷頻率控制電力系統(tǒng)的負荷是經常變化的，為確保功率傳輸的質量，有必要依靠系統(tǒng)頻率對發(fā)電機負荷進行控制。由于電力系統(tǒng)在正常運行時僅會遭受小的負荷變化，所以線性模型足夠用于代表系統(tǒng)在運行點周圍的動態(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)電機有功輸出增量變化，調節(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穩(wěn)定；文[14]進行了類似研究；文[15］將魯棒控制用于處理小參數不確定性，自適應控制用于處理大參數不確定性，所設計的控制器進一步提高了參數不確定性的范圍；文[16]基于結構奇異值框架設計了簡單的局部控制器。文[17]應用變結構方法對負荷頻率控制進行了研究。 協(xié)調/綜合控制協(xié)調控制是提高穩(wěn)定水平和輸送功率的基礎，也是效果價格比較高的措施。它們可以在不切機的情況下，從根本上提高機組與電網的穩(wěn)定運行水平。這里的協(xié)調控制有兩方面的含義：其一為多目標的協(xié)調控制，即提高靜穩(wěn)與改善暫穩(wěn)之間的協(xié)調，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)應從時間上、空間分布上互相協(xié)調，并能考慮和適應各種不同類型的穩(wěn)定破壞問題。電力系統(tǒng)運行歷史上由于控制對策協(xié)調問題被忽略而釀成大事故的教訓是不少的，必須引以為戒。例如：由于串聯(lián)電容補償