【正文】 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師簽名 審批人簽字 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )題目 非線性勵磁控制器設(shè)計 年 月 日 一 、畢業(yè)設(shè)計 (論文 )主要內(nèi)容 查閱文獻(xiàn)，撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報告。 翻譯一篇相關(guān)外文文獻(xiàn) 。 搭建非線性勵磁控制器的仿真模型并進(jìn)行仿真。 撰寫論文。 學(xué)習(xí)、掌握電力系統(tǒng)勵磁控制的相關(guān)理論 。 掌握非線性理論在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中的應(yīng)用 。 完成不少于 3000 字的外文文獻(xiàn)翻譯。 三、設(shè)計 (論文 )進(jìn)度 序號 設(shè)計項目名稱 完成時間 備注 1 查閱資料 第 8 周 2 撰寫開題報告 第 9 周 3 總體方案設(shè)計 第 1011 周 4 編程、調(diào)試 第 1215 周 5 撰寫論文與準(zhǔn)備答辯 第 1618 周 6 設(shè)計 (論文 )完成時間： 2021 年 6 月 23 日 設(shè)計 (論文 )答辯時間： 2021 年 6 月 24 日 四、參考資料及文獻(xiàn) 1 商國才 .電力系統(tǒng)自動化 .天津大學(xué)出版社 ,1999 2 盧強 ,孫元章 .電力系統(tǒng)非線性控制 .科學(xué)出版社 ,1993 3 姜玉憲等 .控制系統(tǒng)仿真 .北航出版社 ,1998 4 歐陽黎明 .MATLAB 控制系統(tǒng)設(shè)計 .國防工業(yè)出版社 ,2021 5 商國才 .發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)數(shù)字仿真 .華電教材科 ,1989 6 熊光楞等 .控制系統(tǒng)仿真與模型處理 .科學(xué)出版社 ,1993 7 韓璞 ,朱希彥 .自動控制系統(tǒng)數(shù)字仿真 .中國電力出版社 ,1996 8 黃道平 .MATLAB 與控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及 ,2021 9 歐陽黎明 .MATLAB 程序設(shè)計與應(yīng)用 ． 高等教育出版社 ,2021 10 陳在平 .控制系統(tǒng)計算機仿真與 CAD MATLAB 語言應(yīng)用 .天津大學(xué)出版社 ,2021 11 吳天明 .MATLAB 電力系統(tǒng)設(shè)計與分析 .國防工業(yè)出版社 ,2021 五、附錄 華北 電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘 要 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有十分重要的意義，而改善與提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于控制。然而由于電力系統(tǒng)是非線性的動態(tài)大系統(tǒng)，并存在各種不確定因素，所以已有的各種勵磁控制方法還存在著不同的局限性。有關(guān)這方面的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，但仍有許多問題有待于解決。運用微分幾何法設(shè)計了一種非線性勵磁控制器。計算機仿真結(jié)果表明這種勵磁控制器既能夠提高電壓精度，又能夠提高電力系統(tǒng)抗干擾的能力，具有非常好的控制效果。 nonlinear system。這種大電力系統(tǒng)在取得較大技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的同時，也使得電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性問題變得更為嚴(yán)峻。例如 1977 年 7 月，美國紐約電網(wǎng)系統(tǒng)瓦解，造成紐約全市停電 25 小時，影響 900 萬戶居民的供電，據(jù)保守估計，這次停電所帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失約 億美元； 1978年 12 月法國電網(wǎng)瓦解，造成法國本土四分之三的地區(qū)停電，其經(jīng)濟(jì)損失至少與 50 年經(jīng)濟(jì)調(diào)度工作取得的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)；而 2021 年 8 月發(fā)生在美國東北部和加拿大部分地區(qū)的大面積停電事故，最長停電時間達(dá)到 4 天，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐暮娇蘸完懧方煌ā⒄５目蒲?、生產(chǎn)和居民生活，造成了每天多達(dá) 300 億美元的經(jīng)濟(jì)損失?? 近 20 年來，我國各大電力系統(tǒng)和一些省網(wǎng)的穩(wěn)定性遭到破壞的事故也時有發(fā)生： 1972 年 7 月華中電網(wǎng)、 1973年 7 月東北電網(wǎng)、 1989 年 1 月華東電網(wǎng)、 1990 年 2 月 電網(wǎng)、 1990 年 7 月西北電網(wǎng)、1994 年 5 月南方電網(wǎng)都曾發(fā)生過大的停電事故。因此，研究如何提高與改善電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，是電力系統(tǒng)運行與控制中首要的問題。目前，普遍應(yīng)用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要措施大致有發(fā)電機勵磁控制、靜態(tài)電壓控制、電 氣制動控制、快速汽門控制以及快速切機切負(fù)荷控制等。它不僅節(jié)約投資、而且在正常運行中能夠起到其他措施起不到的減小電壓波動及頻率波動、改善動態(tài)品質(zhì)以及提高系統(tǒng)抗干擾能力的作用 [2][3]！ 1． 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 發(fā)電機勵磁方式在 70 年代以前為單變量反饋方式 (比例式控制方式， PID 方式 )，反饋量為電壓偏差。發(fā)電機頻率偏差 Δf 或發(fā)電機有功功率偏差 ΔP。 80 年代的線性最優(yōu)勵磁控制（ LOEC）采用電壓偏差，轉(zhuǎn)速 (或頻率 )偏差以及有功功率偏差作反饋變量。以上方式對提高小干擾穩(wěn)定性有顯著效果。這種在某一特定狀態(tài) X0下被近似線性化的數(shù)學(xué)模型只是在實際運行狀態(tài)十分接近X0時才較準(zhǔn)確。 控制理論及其應(yīng)用是單變量 — 多變量，線性 — 非線性這樣的發(fā)展趨勢。由于力系統(tǒng)是強非線性系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生較大變化時，這些控制器的效果難以令人滿意。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 本文主要內(nèi)容如下： 1）對勵磁方式及勵磁控制方式發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行概述。通過設(shè)計非線性勵磁控制器來研究其控制效果。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng) 2． 1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)介紹 2． 1． 1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的概念 同步發(fā)電機是將旋轉(zhuǎn)形式的機械功率轉(zhuǎn)換為三相電功率的機器設(shè)備。在電力系 統(tǒng)中專門為同步發(fā)電機供應(yīng)勵磁電流的有關(guān)機械設(shè)備，稱為同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)。為了改善勵磁系統(tǒng)的運行特性，提高其反事故能力，必須在勵磁系統(tǒng)中增加必要的自動控制與自動調(diào)節(jié)設(shè)備，該設(shè)備就是勵磁控制器。 勵磁控制器通過檢測同步發(fā)電機的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)量，按指定的控制規(guī)律對勵磁功率單元發(fā)出控制信號，控制勵磁功率單元的輸出，實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)的控制功能。 2． 1． 3 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的發(fā)展 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)經(jīng)歷了一個由初級到高級的發(fā)展歷程。而那時半導(dǎo)體尚未誕生或尚未成熟，直流勵磁機所配用的勵磁調(diào)節(jié)器也只能是電磁式勵磁調(diào)節(jié)器。半導(dǎo)體勵磁調(diào)節(jié)器與直流勵磁機和交流勵磁機配用就誕生了半導(dǎo)體直流勵磁系統(tǒng)和半導(dǎo)體交流勵磁系統(tǒng)。這種計算機勵磁調(diào)節(jié)器和不同的勵磁功率單元相配用，產(chǎn)生了一些不同原理不同名稱的勵磁系統(tǒng)。如自勵交 流勵磁機和靜止可控硅整流電路相配用就產(chǎn)生了“自勵交流勵磁機靜華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 止可控硅勵磁系統(tǒng)”。 2． 1． 4 勵磁系統(tǒng)的主要任務(wù) 1） 維持發(fā)電機極端或系統(tǒng)中某一點的電壓水平。 2） 并列運行發(fā)電機間無功功率的合理分配。這時，調(diào)節(jié)每一發(fā)電機的勵磁電流可使發(fā)電機的無功功率得到合理的分配。靈敏而又快速的調(diào)節(jié)裝置可以大大提高運行的穩(wěn)定性和輸電線的傳輸能力。 4） 提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。 5） 加速短路 切除后的電壓恢復(fù)過程和改善異步電動機的啟動條件。 6） 改善自同期或發(fā)電機失磁運行時電力系統(tǒng)的運行條件。 7） 防止水輪發(fā)電機突然甩負(fù)荷時的電壓升高。由于水輪發(fā)電機都裝有強行減磁裝置，可在機組突然減負(fù)荷時減少勵磁電流，可防止電壓過度升 高。 2． 1． 5 對勵磁系統(tǒng)的基本要求 1） 具有十分高的可靠性。 3） 具有足夠的強勵能力。 5） 保證發(fā)電機電壓有足夠的調(diào)節(jié)范圍。 2． 2 發(fā)電機勵磁控制方式 從勵磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律來看，大體經(jīng)歷四個發(fā)展階段 [5]：單變量控制階段，多變量控制階段，非線性控制階段，智能控制階段。運用古典控制理論建立按 Vt? 的比例進(jìn)行的勵磁調(diào)節(jié)無法對控制對象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型描述，對增益 K 的調(diào)整出現(xiàn)了矛盾。隨之，就誕生了 PID 調(diào)節(jié)方式， 它華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 在一定程度上緩和了單反饋量勵磁調(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。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）。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 Δω，發(fā)電機端電壓的頻率 Δf,發(fā)電機電磁功率 ΔPe 等。 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。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：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。第四，可使系統(tǒng)獲得高的微動態(tài)穩(wěn)定極限。如 PSS 控制方式，甚至還可能起相反作用，使得對電力系統(tǒng)大干擾穩(wěn)定性反為不利。 電力系統(tǒng)是一個大非線性系統(tǒng)，它具有強非線性 、時變性，對于非線性系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)在大干擾下的穩(wěn)定性，采用非線性控制勢在必行。 2． 2． 4 智能勵磁控制 在發(fā)電機勵磁控制方面，人工智能也取得了豐碩成果。因此，勵磁 控制器的速度對于自適應(yīng)控制來說是非常重要的。在原有輔助信號的 PSS 基礎(chǔ)上再引入一個模糊輔助信號，模糊邏輯控制輸入信號取自發(fā)電機每個瞬間速度偏差及加速度偏差，經(jīng)模糊推理算出注入勵磁回路的阻尼信息，確定輸出是正或負(fù)，以及幅值大小，并與原有的 PSS 信號一起加入到勵磁控制系統(tǒng)中。對于大規(guī)模非線性系統(tǒng)，例如電 力系統(tǒng)， ANN 方法有著其固有的優(yōu)點： ① ANN 是以并行方式處理信息，這樣可獲得極高的信息處理速度。 ③ 可以通過使用樣本訓(xùn)練 ANN。 ANN 勵磁控制器的一個較大的問題就是學(xué)習(xí)過程相當(dāng)煩瑣和復(fù)雜。 雖然人工智能在勵磁控制領(lǐng)域的研究非 常活躍，但只是仍停留在理論研究試驗階段，距實際應(yīng)用還需要大量工作要做。 以拉氏變換和多項式為基礎(chǔ)以描述系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)為工具的 PID 勵磁控制方式，形式上簡單可靠，其電壓調(diào)節(jié)性能優(yōu)異，能有效的抑制故障后的電壓波動。因此，這種單變量控制理 論設(shè)計的勵磁控制方式很難有效的改善電力系統(tǒng)的阻尼特性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。設(shè)計中考慮了電壓調(diào)節(jié)信道對動態(tài)穩(wěn)定性的不利影響， PSS參數(shù)是在有了電壓調(diào)節(jié)作用下確定的。并且由于其在設(shè)計和參數(shù)整定上的問題以及設(shè)計方法決定了其不能對多機系統(tǒng)見相互作用進(jìn)行協(xié)調(diào)，所有這些都限制了 PSS 發(fā)揮其最佳效果。并且在線形最優(yōu)勵磁控制設(shè)計中，采用以某一性能指針為最小要求，求得控制參數(shù)，而沒有考慮也無法考慮當(dāng)系統(tǒng)運行方式發(fā)生變化時改變參數(shù)，因而而有較差的魯棒性。 在人工智能應(yīng)用于勵磁控制時 ，并不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，其控制效果是由控制規(guī)則及其對系統(tǒng)運行的自適應(yīng)能力決定的。但由于控制規(guī)則的確定很大程度上依賴于經(jīng)驗值，并且控制參數(shù)的確定沒有完整的理論依靠，適時性較低，這就限制了人工智能控制在電力系統(tǒng)的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工業(yè)對控制系統(tǒng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的線性反饋控制已經(jīng)很難滿足各種實際需求。 控制理論發(fā)展到現(xiàn)在面臨著一系列的挑戰(zhàn)。而且線性系統(tǒng)的動態(tài)特性已不足以解釋許多常見的非線性現(xiàn)象。 2） 多個孤立平衡點：一個線性系統(tǒng)只會有一個孤立的平衡點，也就是說系統(tǒng)只會有一個孤立的和初始狀態(tài)無關(guān)的穩(wěn)定工作點，但是非線性系統(tǒng)可能會有多個孤立的平衡點，根據(jù)不同的初始條件，系統(tǒng)的狀態(tài)可能會被不同的孤立平衡點所吸引。 3） 極限環(huán)：對于一個線性時不變系統(tǒng)，當(dāng)其在虛軸上有一對特征值的話，系統(tǒng)將有一個連續(xù)的周期解，此時若系統(tǒng)中出現(xiàn)小的參數(shù)擾動將引起特征值的實部不為零而使周期解不復(fù)存在。 4） 分頻諧波，諧波，或殆周期振蕩：一個穩(wěn)定的線性系統(tǒng)在周期輸入的驅(qū)動下會產(chǎn)生一個同樣頻率的輸出。 5） 混沌：一個非線性系統(tǒng)可能有一個非常復(fù)雜的穩(wěn)定狀態(tài)行為，既不是平衡點，也不是周期振蕩或者殆周期振蕩。混沌狀態(tài)的一個最基本的特征就 是系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡對于初始狀態(tài)極端的敏感。 近幾十年來非線性控制己經(jīng)成為控制領(lǐng)域的熱點話題，受到了國內(nèi)外控制界的普遍重視。很多的專家和學(xué)者都把精力投 入到該方向中來，同時也出現(xiàn)了一大批相關(guān)的文獻(xiàn)和書籍來記錄這一段時間以來的進(jìn)展情況，一些新的非線性系統(tǒng)的關(guān)于穩(wěn)定性、最優(yōu)性以及不確定性等概念也被相繼提出來描述非線性系統(tǒng)中不斷遇到的各種新華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 情況，同時針對一些有某些特性的系統(tǒng)，也有很多新的結(jié)構(gòu)性的控制器設(shè)計方案被提出來穩(wěn)定整個系統(tǒng)。但是總的來說，由于非線性控制系統(tǒng)本身所包含的現(xiàn)象十分復(fù)雜，非線性控制系統(tǒng)的分析與綜合問題要比線性系統(tǒng)困難和復(fù)雜的