n o n l i n e a re x c i t a t i o np r e d i c t i v ec o n t r o lo ft h ep o w e r s y s t e m a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea d v a n c e m e n to fs o c i e t ya n dt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t h e s c a l eo fp o w e rs y s t e mi sb i g g e r , s e v e r a lw i d er a n g ea c c i d e n t so fp o w e rs y s t e m o c c u r r e di nt h ep a s tf e wy e a r s t h e r e f o r et h es u b j e c t so fi m p r o v ea n d 倒t l a n c et h e s t a b i l i t yo f t h ep o w e rs y s t e mh a v er e c e i v e dag r e a td e a lo f a t t e n t i o n r e s e a r c h e r sh a v e d o n em u c hw o r k sa n dg o tm a n ya c c o m p l i s h m e n t s t h ep a p e ra p p l i e st h ep r e d i c t i v e c o n t r o lt h e o r yi n t ot h en o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o ld e s i g no f t h eo n em a c h i n e - i n f i n i t y b u ss y s t e ma n dt h em u l t i m a c h i n ep o w e rs y s t e m , a n dp r o p o s e san e wn o n l i n e a r e x c i t a t i o nc o n t r 0 1l a w 1 1 倫m a i nw o r k sa n dt h er e s u l t sa l ef o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ep a p e rg a i n san e wm o d e lo ft h eo n em a c h i n e i n f i n i t yb u ss y s t e m b a s e do nt h et y p i c a lg e n e r a t o rm o d e l c o m b i n i n gw i t hp r o j e c t , t h es t a t ev a r i a b l eo f t h en e wm o d e li s 叱，只，西j t h e n , t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r da na m e l i o r a t i v ed e s i g no f t h et s ec o n t r o ll a w i no r d e rt ov 耐匆t h ev a l i do ft h ec o n t r o ll a w , t h ep a p e r c o m p a r e si tw i t ht h et s ec o n t r o ll a wa n dt h ei n t e g r a ll i n e a ro p t i m a lc o n t r o ll a w u n d e rt h ed i s t u r b a n c eo f m a c h i n ep o w e r ， b a s e do nt h et y p i c a lg e n e r a t o rm o d e l ，t h ep a p e ra l s o 洶an e wm o d e lo ft h e m u l t i - m a c h i n ep o w e rs y s t e mw i t ht h es t a t ev a r i a b l e k ，己，匆j t h e n , t h r e ed i f f e r e n t k i n d so ft h en o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l a w sa r ee s t a b l i s h e do nt h en e wm o d e l 1 1 1 e f u t u r ei n f o r m a t i o no ft h es t a t ev a r i a b l e si su s e di nt h el a t e rc o n t r o ll a w sa n dl a y so u t t h es t r o n g p o i n t t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ea n d e r s e ns y s t e ms i m u l a t em o d e lu s i n g m a t l a b t h ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mi ss e tu pb yt h ea n d e r s e ns y s t e ms i m u l a t e m o d e la n dt h en o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o ll a w i no r d e rt ov e r i f yt h ev a l i do ft h e c o n t r o ll a w , t h ep a p e re x p e r i m e n t st h ed i s t u r b a n c eo fm a c h i n ep o w e ra n ds h o r t c i r c u i t k e yw o r d s ：o n em a c h i n e i n f i n i t yb u ss y s t e m ；m u l t i m a c h i n ep o w e rs y s t e m ； n o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l ；p r e d i c t i v ec o n t r o l ；t a r g e ts t a t ee q u a t i o n ( t s e ) n 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解廣西大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 廣西大學(xué)擁有在著作權(quán)法規(guī)定范圍內(nèi)學(xué)位論文的使用權(quán)，其中包 括：( 1 ) 已獲學(xué)位的研究生必須按學(xué)校規(guī)定提交學(xué)位論文，學(xué)校可以 采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存研究生上交的學(xué)位論文；( 2 ) 為 教學(xué)和科研目的，學(xué)?？梢詫⒐_的學(xué)位論文作為資料在圖書館、資 料室等場所供校內(nèi)師生閱讀，或在校園網(wǎng)上供校內(nèi)師生瀏覽部分內(nèi) 容。 本人保證遵守上述規(guī)定。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 作者簽名： 日期： 華乏左 z ! 孕：6 ：蘭2 導(dǎo)師簽名： 日期： 一叢刪 電力r j 筑的葛 成蚓：瓤調(diào)控d 1 1 引言 第1 章緒論 現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個具有統(tǒng)一性、同時性和廣域性特點(diǎn)的極端復(fù)雜的龐大 系統(tǒng)。由于大范圍的區(qū)域性、全國性以及跨國性的電網(wǎng)互聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu) 化配置，能夠大大提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，因而成為各國電力系統(tǒng)發(fā) 展的必然趨勢。然而隨著大型電力系統(tǒng)互聯(lián)的發(fā)展，確保這樣一個系統(tǒng)的穩(wěn)定 安全運(yùn)行的確是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。近年來一些大范圍的電力系統(tǒng)崩 潰的事件( 如2 0 0 3 年8 月1 4 日的美加大停電) 時有發(fā)生，使國民經(jīng)濟(jì)遭受極大損 失的同時也給人民生活帶來嚴(yán)重危害。因此，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來越受到人 們的重視，改善與提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性迫在眉睫。 一個大規(guī)模電力系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行即可靠供電必須保持完整并能承受各 種干擾。系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行應(yīng)使系統(tǒng)能夠承受更多可能的故障而不損失負(fù)荷( 連 接到故障元件的負(fù)荷除外) ，能在最不利的可能故障情況下不致產(chǎn)生不可控的、 廣泛的連鎖反應(yīng)式的停電。因?yàn)橐坏┫到y(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞，就有可能造成一 個或數(shù)個大區(qū)域停電，使它們一時陷于癱瘓和混亂，嚴(yán)重者甚至危及全國，后 果極其嚴(yán)重。 發(fā)電機(jī)的勵磁控制是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性有效而經(jīng)濟(jì)的措施之一。勵磁控 制系統(tǒng)的基本功能是維持電壓穩(wěn)定，使發(fā)電機(jī)端電壓保持在允許水平上，進(jìn)而 保證發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。正因?yàn)?如此，勵磁控制的發(fā)展無論是在理論上還是在實(shí)際上都引起了人們的高度關(guān)注。 目前同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的研究工作主要呈現(xiàn)兩種趨勢，一是強(qiáng)調(diào)研究主 勵磁系統(tǒng)本身，即勵磁方式的改進(jìn)；另一方面則突出了勵磁控制策略的改進(jìn)。 近幾十年來，人們對勵磁控制規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，目的在于充分挖掘勵磁系 統(tǒng)對提高穩(wěn)定性地潛力，比如p i d + p s s ，線性最優(yōu)勵磁控制，自適應(yīng)勵磁控制，智 能勵磁控制，非線性勵磁控制( n e c ) 等，取得了很多的成果，其中非線性勵磁控制 因其改善電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性的卓越表現(xiàn)而備受青睬。特別是隨 著人們對非線性多變量控制方式的探討不斷深入，非線性勵磁控制研究碩果累 累，出現(xiàn)了基于微分幾何法的非線性勵磁控制方式，基于大范圍直接線性化方 電力秉艦的j e 線性童n 時控村 法的非線性勵磁控制方式，基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的非線性勵磁控制方式， 基于變結(jié)構(gòu)控制方法的非線性勵磁控制方式，等等。 1 2 勵磁控制的發(fā)展與現(xiàn)狀 近半個世紀(jì)以來，同步發(fā)電機(jī)勵磁控制一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)， 勵磁控制技術(shù)以控制理論為依托也已經(jīng)取得了可喜的研究成果。幾乎所有先進(jìn) 的控制理論，如線性最優(yōu)、非線性最優(yōu)、魯捧控制、人工智能等，都被引入到 勵磁控制的研究中去，可以說勵磁控制技術(shù)的每一次突破都是以控制理論的發(fā) 展為契機(jī)的。控制理論及其應(yīng)用總的提高和發(fā)展趨勢是由單變量到多變量，由 線性到非線性，最后成為完全智能化的控制方式，勵磁控制也經(jīng)歷了一條與之 完全相適應(yīng)的發(fā)展過程。從4 0 年代至今，勵磁控制方式大體經(jīng)歷了3 個階段，即 基于線性傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型的p i d 控制方式、基于線性狀態(tài)空間模型的線性最優(yōu) 控制方式、基于反饋線性化的非線性控制方式。 1 2 1p l d 控制方式 2 0 世紀(jì)3 0 年代到5 0 年代，古典控制理論發(fā)展到了成熟階段。它主要采用傳 遞函數(shù)來描述控制系統(tǒng)，運(yùn)用拉氏變換和代數(shù)多項(xiàng)式對線性定常系統(tǒng)進(jìn)行研究。 在該理論的指導(dǎo)下，勵磁控制提出了按發(fā)電機(jī)端電壓偏差礦的比例一積分一微 分( p i d ) 調(diào)節(jié)方式，并運(yùn)用古典控制理論中頻率響應(yīng)法或根軌跡法來確定傳遞 函數(shù)中各個增益的合適參數(shù)范圍 p i d 調(diào)節(jié)方式，雖然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，但卻不能有效地 改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)與提高系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。實(shí)踐表明，當(dāng)p i d 勵磁調(diào)節(jié)器投入 運(yùn)行后，會減少系統(tǒng)的阻尼轉(zhuǎn)矩，即在一定條件下會使系統(tǒng)出現(xiàn)低頻振蕩。 1 2 2 線性最優(yōu)控制方式 2 0 世紀(jì)6 0 年代末，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和逐漸成熟，為電力系統(tǒng)多變量控制 開拓了新的有效途徑。7 0 年代初國際上一些專家提出了基于線性狀態(tài)空問模型 的線性最優(yōu)勵磁控制方式，簡稱l o e c ( l i n e a ro p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r o l l e r ) ， 并成為了將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的典型代表。 l o e c 是將發(fā)電機(jī)的多個輸出量偏差按最優(yōu)反饋系數(shù)疊加而形成控制量，它 2 廣西大攀碩士學(xué)位刊 文 電力鼻藏的非線甥：，噩潮控口 可以有效改善電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，將系統(tǒng)的靜穩(wěn)極限提高至線路的功率 傳輸極限。這種方式彌補(bǔ)t p s s 控制方式的不足之處，然而將線性最優(yōu)控制原理 用于多機(jī)電力系統(tǒng)勵磁控制器的設(shè)計時，理論上不能保證最優(yōu)，也不能保證全局 穩(wěn)定，即得不到分散的最優(yōu)控制規(guī)律，只能得到分散的次優(yōu)控制方案。 9 0 年代提出了面向多機(jī)系統(tǒng)的線性最優(yōu)勵磁控制，并稱之為電力系統(tǒng)最優(yōu) 分散協(xié)調(diào)控制。其主要思想是系統(tǒng)所有發(fā)電機(jī)只需反饋本地輸出量，就可以保 證全局穩(wěn)定且達(dá)到二次性能指標(biāo)為最優(yōu)。這種方法實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)所有發(fā)電機(jī)動 態(tài)行為之間的協(xié)調(diào)，和以往基于單機(jī)無窮大系統(tǒng)設(shè)計勵磁規(guī)律相比，無疑是質(zhì) 的飛躍。但是，這種勵磁規(guī)律的求取，需要求鰓高維l e v i n e - - - a t l a n s 方程組或 r i c c a t i 方程組，在應(yīng)用于實(shí)際電力系統(tǒng)時，設(shè)計計算量繁瑣。因此，也只能用 于局部或少數(shù)機(jī)組的分散協(xié)調(diào)設(shè)計。除此之外，線性最優(yōu)控制規(guī)律設(shè)計時，如 何確定加權(quán)矩陣，仍然是一個難題。 總結(jié)：p i d 勵磁調(diào)節(jié)器和l o e c 存在一個共同的問題，那就是勵磁控制器設(shè)計 所依據(jù)的是電力系統(tǒng)在某一特定狀態(tài)下近似線性化的數(shù)學(xué)模型，而電力系統(tǒng)是 典型的非線性系統(tǒng)，因此，當(dāng)電力系統(tǒng)遭受大擾動使實(shí)際狀態(tài)點(diǎn)偏離設(shè)計所選 的平衡點(diǎn)較遠(yuǎn)、產(chǎn)生較大幅值的振蕩時，按照近似線性化的數(shù)學(xué)模型設(shè)計的勵 磁控制器，其控制效果將很難令人滿意。 1 2 3 非線性控制方式 近年來，非線性控制系統(tǒng)研究方法的逐步建立，促使非線性勵磁控制的研 究方興未艾，特別是針對一些特定非線性系統(tǒng)控制問題的研究( 如針對仿射非 線性系統(tǒng)的微分幾何方法) 取得了令人矚目的成就，己得出了非常豐富的分析 結(jié)果和獨(dú)特的設(shè)計方法，應(yīng)用較多的非線性勵磁控制方式如下： 1 2 3 。1基于微分幾何法的非線性勵磁控制方式 2 0 世紀(jì)9 0 年代，盧強(qiáng)將非線性控制理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，基于微分幾何 理論，采用非線性映射手段，最終得到了多機(jī)電力系統(tǒng)非線性勵磁控制規(guī)律。 這種控制規(guī)律具有以下顯著特點(diǎn)： 第一，控制規(guī)律是分散的。即第i 臺發(fā)電機(jī)勵磁控制量“，只與該臺發(fā)電機(jī)本 身的輸出量：有功功率只、無功功率q 。、機(jī)端電壓圪和轉(zhuǎn)速q 有關(guān)，而與其他 廣酉大掣閆l 士掌位論文電力，：靛的j 線性蠢測控制 機(jī)組的狀態(tài)量或輸出量無直接關(guān)系。 第二，控制規(guī)律獨(dú)立于輸電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，即第f 臺機(jī)組的控制量只與本臺機(jī)組 參數(shù)：轉(zhuǎn)動慣量日，轉(zhuǎn)子繞組時間常數(shù)乃o f ，d 軸電抗及d 軸暫態(tài)電抗也有 關(guān)，其中不顯含輸電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。這就使得按照這種控制規(guī)律設(shè)計的控制器，對 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變，有完全的適應(yīng)能力，有完全的魯棒性。 以上所述非線性控制規(guī)律的兩大優(yōu)點(diǎn)，是世界各國電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制領(lǐng) 域的科學(xué)與技術(shù)工作者們長期以來所期望得到并為之不斷探索的。至此，多機(jī) 電力系統(tǒng)控制決策的分散性和對于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)結(jié)構(gòu)變化魯棒性的問題，得到了圓 滿的解決。 1 2 3 2 基于大范圍直接線性化方法的非線性勵磁控制方式 將大范圍直接線性化方法應(yīng)用到非線性勵磁控制器的設(shè)計中，可以利用線 性控制理論直接得到非線性反饋補(bǔ)償，抵消系統(tǒng)的非線性因素，從而實(shí)現(xiàn)了線 性化。這種方法的數(shù)學(xué)過程簡明，適合于工程應(yīng)用，但是該方法仍然是建立在 線性化理論基礎(chǔ)上的，并要對系統(tǒng)的非線性因素進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，將那些在一 定條件下對改善系統(tǒng)穩(wěn)定性起著好作用的非線性因素保留在系統(tǒng)中，即在非線 性反饋規(guī)律中不予補(bǔ)償，因此，該設(shè)計方法缺乏普遍性。 1 2 3 3 基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的非線性勵磁控制方式 李雅普諾夫直接法分析電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是近年來研究的熱門課題，暫 態(tài)能量概念的提出更進(jìn)一步貼近電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析問題的實(shí)質(zhì)，系統(tǒng)暫態(tài)能 量函數(shù)表明，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，無論故障類型，地點(diǎn)如何，實(shí)質(zhì)上都是 在系統(tǒng)中產(chǎn)生了一部分暫態(tài)能量，造成了系統(tǒng)功率的不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩甚 至瓦解。勵磁控制的目的就是要盡快地平衡或阻尼掉這部分能量，使系統(tǒng)盡快 地恢復(fù)到正常穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。但是，該方法需要針對具體的求解問題，構(gòu)造適 當(dāng)?shù)睦钛牌罩Z夫函數(shù)，而李雅普諾夫函數(shù)的構(gòu)造至今沒有找到一般性方法，因 此李雅普諾夫方法的應(yīng)用推廣還存在著較大的難度。 1 2 3 4 基于變結(jié)構(gòu)控制方法的非線性勵磁控制方式 變結(jié)構(gòu)控制方法由于其滑動模態(tài)具有對干擾和攝動的不變性，從8 0 年代開 始逐漸受到人們的關(guān)注。變結(jié)構(gòu)最優(yōu)勵磁控制器實(shí)現(xiàn)了對不確定動態(tài)系統(tǒng)的變 4 廣西大茸壤士掌位論文 電力j 喊的j 翻i 性，互調(diào)控i 結(jié)構(gòu)控制，目前，應(yīng)用該方法的難點(diǎn)在于選擇各個子控制器的參數(shù)和確定開關(guān) 邏輯，這方面仍然沒有較成熟的方法。 隨著對勵磁控制技術(shù)的不斷研究探索，智能控制和魯棒控制的思想精髓也 開始用于設(shè)計勵磁控制器。但是，勵磁控制目標(biāo)的多重性，不同發(fā)電機(jī)的勵磁 調(diào)節(jié)回路之間的耦合性，電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，使勵磁控制至今還是一個具有挑 戰(zhàn)性的難題，其研究仍然任重而道遠(yuǎn)。 1 3 預(yù)測控制的發(fā)展與現(xiàn)狀以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 1 3 1 預(yù)測控制的發(fā)展與現(xiàn)狀 預(yù)測控制( p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 的產(chǎn)生，首先是工業(yè)實(shí)踐向控制理論提 出的挑戰(zhàn)。6 0 年代初形成的現(xiàn)代控制理論，在航天，航空等領(lǐng)域獲得了巨大的 成就，但是，當(dāng)人們把該理論應(yīng)用于工業(yè)實(shí)踐時，卻發(fā)現(xiàn)這種經(jīng)典的理論與控 制實(shí)踐之間還存在著巨大的差距。7 0 年代，隨著系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)控制、魯棒 控制等理論的進(jìn)一步發(fā)展，預(yù)測控制綜合各種理論，以計算機(jī)技術(shù)為平臺，如 雨后春筍般迅速發(fā)展起來，成為控制領(lǐng)域的一朵奇葩! 預(yù)測控制技術(shù)最初由r i c h a l e t 和c u t l e r 等人提出，經(jīng)過2 0 多年的深入研究 和發(fā)展，其理論和方法日臻完善，并在工程實(shí)際中取得了廣泛的應(yīng)用，其基本原 理可以概括為：基于信息處理功能的預(yù)測模型、基于有限時域的滾動優(yōu)化策略 和靈活有效的反饋校正機(jī)制。 預(yù)測控制的基本算法有動態(tài)矩陣控制( d m c ) ，模型算法控制( m a c ) 和廣 義預(yù)測控制( g p c ) 。 1 3 1 1 動態(tài)矩陣控制( d m c ) d m c 算法是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法，它適用于漸進(jìn)穩(wěn)定的線 性對象。對于弱非線性對象，可在工作點(diǎn)處首先線性化；對于不穩(wěn)定對象，可 先用常規(guī)p i d 控制使其穩(wěn)定，然后再使用d m c 算法。 1 3 1 2 模型算法控制( m a c ) 7 模型算法控制( m a c ) 又稱模型預(yù)測啟發(fā)控制( m p h c ) ，是r i e h a l e t 在脈沖 響應(yīng)模型基礎(chǔ)上于1 9 7 9 年提出的，與d m c 相同，也是適用于漸進(jìn)穩(wěn)定的線性對 l 力系統(tǒng)的j 縫佳j 舅潮控囊l 象。 基于非參數(shù)模型的d 礬c 和m a c 具有易于獲取模型、算法簡單和理論分析相 對容易等優(yōu)點(diǎn)。然而這類算法存在兩個致命的弱點(diǎn)；一是預(yù)測模型只能表示穩(wěn) 定的被控對象，并且這類模型是通過一定范圍內(nèi)各采樣點(diǎn)上的脈沖響應(yīng)( 或階 躍響應(yīng)) 值來表示的，不可避免地存在模型截斷誤差。二是這類非參數(shù)模型不 便于在線辨識，不適用于慢時變系統(tǒng)。 1 3 1 3 廣義預(yù)測控制( g p c ) 廣義預(yù)測控制( g p c ) 是在自適應(yīng)控制的環(huán)境中發(fā)展起來的另一類預(yù)測控制 算法。以自校正控制技術(shù)為基礎(chǔ)的不少新算法對數(shù)學(xué)精度都有一定的要求，例 如最小方差自校正調(diào)節(jié)器對于滯后十分靈敏，如果滯后估計不準(zhǔn)或是時變的， 控制效果將大打折扣，而極點(diǎn)配置自校正調(diào)節(jié)器則對系統(tǒng)的階十分敏感，一旦 階數(shù)估計不準(zhǔn)，算法將不能使用?？死? c l a r k e ) 等人在保持最小方差自校 正控制的預(yù)測模型、最小方差控制、在線辨識等原理的基礎(chǔ)上，汲取了d m c 和 姒c 中的多步預(yù)測優(yōu)化策略，提出了廣義預(yù)測控制算法。 作為一種自校正控制算法，g p c 是針對隨機(jī)離散系統(tǒng)提出的，不僅提高了預(yù) 測控制對于不確定性環(huán)境的適應(yīng)能力，而且增強(qiáng)了自適應(yīng)控制的魯棒性。 1 3 2 預(yù)測控制的特點(diǎn) 預(yù)測控制的算法雖然種類繁多，但它們卻又共同的方法機(jī)理，即包含預(yù)測 模型、滾動優(yōu)化、反饋校正三要素，這正是預(yù)測控制算法最本質(zhì)的特征。 ( 1 ) 預(yù)測模型：根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測未來輸出，它可以 是參數(shù)模型或非參數(shù)模型，也就是說，狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)這類傳統(tǒng)的模型可 以作為預(yù)測模型，同樣，對于線性穩(wěn)定對象，階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)這類非參數(shù)模型， 也可以作為預(yù)測模型使用。 ( 2 ) 滾動優(yōu)化：通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來確定未來的控制作用，控制矢 量的作用是使預(yù)測輸出盡量和未來的輸出一致。預(yù)測控制中的優(yōu)化與通常的離 散最優(yōu)控制算法有很大的差別，它是不斷滾動的局部優(yōu)化，而非全局最優(yōu)。因?yàn)?在每一采樣時刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及到未來有限的時問，而到下一采樣時刻， 這一優(yōu)化時段同時向前推移。因此，預(yù)測控制在每時刻有一個相對于該時刻的 6 電力摹筑的j e 生性曩日h 控5 優(yōu)化性能指標(biāo)，不同時刻優(yōu)化性能指標(biāo)的相對形式是相同的，但其絕對形式( g p 所包含的時間區(qū)域) 則是不同的。因此，在預(yù)測控制中，優(yōu)化不是一次離線進(jìn)行， 而是反復(fù)在線進(jìn)行的，這種滾動優(yōu)化策略更加符合過程控制的特點(diǎn)。 ( 3 ) 反饋校正：把第一個“應(yīng)用于對象，對預(yù)測模型進(jìn)行修正，同時整個 過程向后遞推一步，然后重新開始預(yù)測模型和滾動優(yōu)化工作。由于實(shí)際系統(tǒng)中 存在的非線性、時變、模型失配、干擾等因素，基于不變模型的預(yù)測不可能和實(shí) 際情況完全相符，因此，反饋策略是不可少的。滾動優(yōu)化只有建立在反饋校正的 基礎(chǔ)上。才能體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。 1 3 3 預(yù)測控制在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 在國際上，v r a j k u m a r 以4 機(jī)系統(tǒng)為例將非線性預(yù)測控制技術(shù)應(yīng)用到具有 柔性交流輸電裝置的電力系統(tǒng)當(dāng)中0 1 ；l i a n gz h i s h a h 首次把包含有功功率， 角速度和同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的非線性輸出反饋模型應(yīng)用于多機(jī)電力系統(tǒng)“”； c h i a n c h u a n gd i n g 將電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制器的設(shè)計問題概括為理想線性調(diào)節(jié)器 控制問題，并與灰色預(yù)測p i d 控制原理相結(jié)合應(yīng)用于2 機(jī)系統(tǒng)，取得了良好的 效果；l e iq i n g s h e n g 把實(shí)時預(yù)測控制運(yùn)用到多機(jī)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究中 1 1 2 a m o l i n a 實(shí)現(xiàn)了h 、，a c 直接負(fù)荷控制的多變量預(yù) 狽4 控制“”。 在國內(nèi)，粱志珊把同步發(fā)電機(jī)非線性勵磁控制與預(yù)測控制有機(jī)結(jié)合起來， 在改善功角穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)端電壓的動態(tài)特性方面取得了良好的效果1 ：雎剛提 出了單元機(jī)組負(fù)荷多變量模型預(yù)測控制，并將其應(yīng)用于單元機(jī)組負(fù)荷控制研究 3 1 j 李國慶將預(yù)測控制應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究，以對發(fā)電機(jī)的電磁功率 的實(shí)時測量來預(yù)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性；侯國蓮采用基于階躍響應(yīng)模型的多輸入多 輸出系統(tǒng)的預(yù)測函數(shù)控制算法實(shí)現(xiàn)火電廠單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制1 ；王國良進(jìn)行 了廣義預(yù)測在永磁同步電動機(jī)控制中的應(yīng)用研究“1 ；胡兆慶將灰色預(yù)測引入發(fā) 電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)，在對發(fā)電機(jī)狀態(tài)量進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上，對發(fā)電機(jī)勵磁控制 系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測控制o ”j 1 4 課題的選題背景 由于電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的破壞事故，會造成大面積停電，使國民經(jīng)濟(jì)遭受 重大損失，給人民生活帶來重大影響，因此，改善與提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性 7 廣西大掌司【士掌位論文電力蓉茂的j e 娃佳野洲控，時 意義重大。早在2 0 世紀(jì)4 0 年代，有電力系統(tǒng)專家就強(qiáng)調(diào)指出了同步發(fā)電機(jī)勵磁的 調(diào)節(jié)對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要作用。 勵磁控制問題是一個典型的非線性控制問題，原因在于電力系統(tǒng)具有高度 的非線性特性。當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)改變時，系統(tǒng)的動態(tài)特性會顯著改變，此時，單一 變量的控制方式和線性控制器就難以滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，只有非線性控 制方式的控制器才能有效地提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定能力。因此非線性勵磁控制方式 的采用是勵磁控制方式發(fā)展的必然趨勢。 勵磁控制的研究重點(diǎn)應(yīng)放在提高系統(tǒng)參數(shù)的魯棒性和在不精確模型下提高 勵磁控制效果，而預(yù)測控制算法對模型的精度要求低，具有兼顧被控對象的非 線性、時變性及干擾影響的特點(diǎn)。 預(yù)測控制算法是一種新型計算機(jī)優(yōu)化控制方法，它汲取了現(xiàn)代控制理論中 的優(yōu)化思想，用不斷的在線有限優(yōu)化，即滾動優(yōu)化，取代傳統(tǒng)的最優(yōu)控制。由 于在優(yōu)化過程中利用實(shí)測信息不斷進(jìn)行反饋校正，所以能在一定程度上克服由 于預(yù)測模型誤差和某些不確定性干擾等的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，解決了具 有非線性、不確定性和時變性特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)建模困難的難題。本課題針對電 力系統(tǒng)非線性的本質(zhì)，運(yùn)用預(yù)測控制理論的基本原理和方法，對多臺發(fā)電機(jī)組 進(jìn)行非線性預(yù)測勵磁控制設(shè)計，即以發(fā)電機(jī)為控制對象，融入預(yù)測控制的思想 精髓，解決多機(jī)系統(tǒng)控制中出現(xiàn)的問題，以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)的穩(wěn) 定運(yùn)行能力。 1 5 本文的工作 本文基于電力系統(tǒng)非線性的本質(zhì)，運(yùn)用預(yù)測控制理論的基本原理和方法， 對電力系統(tǒng)進(jìn)行非線性預(yù)測勵磁控制設(shè)計，具體工作如下： 對于單機(jī)無窮大系統(tǒng)，在基于目標(biāo)狀態(tài)方程( t s e ) 的非線性勵磁控制設(shè)計 的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)設(shè)計方法，并將該控制規(guī)律與基于t s e 的控制規(guī)律、 線性最優(yōu)控制規(guī)律進(jìn)行了仿真比較考察。 本文的重點(diǎn)工作在于多機(jī)系統(tǒng)非線性勵磁控制的設(shè)計。首先是要建立多機(jī) 系統(tǒng)勵磁控制的數(shù)學(xué)模型。多機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立是本論文中的第一個難點(diǎn)， 也是后續(xù)研究工作順利開展的前提。該模型與單機(jī)一無窮大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相 8 廣西大掌號e 士掌位論文 電力豪統(tǒng)的j e 翻l 性瓤淵控囊i 比具有本質(zhì)的區(qū)別，怎樣用數(shù)學(xué)模型去描述各臺發(fā)電機(jī)之間的相互關(guān)聯(lián)和影響 是建模的關(guān)鍵和難點(diǎn)，另外，狀態(tài)變量的恰當(dāng)選取也是建模過程中需要考慮的 問題。 其次是設(shè)計基于預(yù)測控制原理的非線性勵磁控制規(guī)律。本文提出了以狀態(tài) 變量與它們軌跡之間偏差的微分為目標(biāo)狀態(tài)方程的( t a r g e ts t a t ee q u a t i o n ) 的非線性勵磁預(yù)測控制規(guī)律。定義目標(biāo)狀態(tài)方程的目的在于加快輸出變量的跟 蹤速度，換句話說就是加強(qiáng)控制變量對輸出變量的控制作用。該控制規(guī)律在消 除輸出變量的穩(wěn)態(tài)誤差和提高系統(tǒng)的動態(tài)特性方面效果顯著。 第三是在i 骱, t l a b 環(huán)境中建立安德森3 機(jī)9 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的s i m u t i n k 仿真模型， 并與設(shè)計的勵磁控制器構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。離線仿真是本論文中的第二個難 點(diǎn)，就是要求運(yùn)用前面建好的多機(jī)電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型結(jié)合安德森3 機(jī)系統(tǒng)的 具體參數(shù)來建立s i m u l i n k 仿真模型。 該模型由發(fā)電機(jī)，網(wǎng)絡(luò)方程和控制規(guī)律三個部分構(gòu)成。其中，發(fā)電機(jī)部分 主要描述的是經(jīng)典的發(fā)電機(jī)3 階模型，建立多機(jī)電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的目的就 體現(xiàn)在此。網(wǎng)絡(luò)方程部分是多機(jī)系統(tǒng)s i m u l i n k 仿真模型的核心，因?yàn)槎鄼C(jī)系統(tǒng) 中各臺發(fā)電機(jī)之間的相互關(guān)聯(lián)和影響正是通過網(wǎng)絡(luò)方程來實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)方程采 用何種表達(dá)方式直接決定了該系統(tǒng)模型的繁簡程度，而如何選取網(wǎng)絡(luò)方程的變 量則直接決定了建立該模型的難易程度，因此，在網(wǎng)絡(luò)方程問題的處理上值得 仔細(xì)推敲?？刂埔?guī)律是本論文研究的關(guān)鍵技術(shù)，離線仿真的效果是否理想直接 取決于控制規(guī)律是否成功，設(shè)計出理想的控制規(guī)律來達(dá)到良好離線仿真的效果 正是本課題所追求的最終目標(biāo)。 最后，本文驗(yàn)證了所設(shè)計的多機(jī)系統(tǒng)控制規(guī)律在機(jī)械功率擾動和3 相短路 的仿真中的控制效果。 9 廣西大巷嗵士掌位論文 電力系統(tǒng)的非線性，曩測控囊f 第2 章預(yù)測控制理論 2 1 預(yù)測控制的理論基礎(chǔ) 預(yù)測控制是7 0 年代后期產(chǎn)生的一類新型計算機(jī)控制算法，它的問世是來自 復(fù)雜工業(yè)實(shí)踐向高層優(yōu)化控制提出的挑戰(zhàn)。2 0 多年來，隨著它處理復(fù)雜系統(tǒng)控 制的策略思想日益為人們所認(rèn)識，以及它在工業(yè)實(shí)踐中大量成功的應(yīng)用，這一 控制技術(shù)的生命力及誘人的應(yīng)用靜景已引起了控制理論界和工業(yè)控制界的廣泛 興趣。研究表明它對于非線性問題的解決有無可比擬的優(yōu)越性。 就一般的意義來說，預(yù)測控制不論其算法形式如何不同，都應(yīng)建立在下述 三項(xiàng)基本原理基礎(chǔ)上。 2 1 1 模型預(yù)測 預(yù)測控制是一種基于模型的控制算法，這一模型稱為預(yù)測模型，預(yù)測模型 的功能是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測其未來輸出，這里只強(qiáng)調(diào)模型的 功能而不強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)形式，因此，傳遞函數(shù)，狀態(tài)方程，這類傳統(tǒng)的模型都可 以作為預(yù)測模型，對于線性穩(wěn)定對象，甚至階躍響應(yīng)，脈沖響應(yīng)這類非參數(shù)模 型，也可以直接作為預(yù)測模型使用。此外，非線性系統(tǒng)，分布參數(shù)系統(tǒng)的模型， 只要具備上述功能，也可以在對這類系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測控制時作為預(yù)測模型使用。 過去束案 k 時捌 1 一控制策略l ；2 一控制策略1 1 ：3 一 對應(yīng)于l 的輸出，4 - 對應(yīng)于i l 的輸出 圖2 1 基于模型的預(yù)測 f i g 2 - ip r e d i c t i v em o d e l 1 0 廣西大掌礓士掌位論文屯力j ；娩的非捌e 性【涮控制 預(yù)測模型具有展示系統(tǒng)未來動態(tài)行為的功能，這樣，我們就可像在系統(tǒng)仿 真時那樣。任意地給出未來的控制策略。觀察對象在不同控制策略下的輸出變 化( 如圖2 1 ，圖中”為控制量，y 為輸出量) 。從而為比較這些控制策略的優(yōu)劣 提供了基礎(chǔ)。 2 1 2 滾動優(yōu)化 預(yù)測控制是一種優(yōu)化控制算法，它是通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來確定未來 的控制作用的。這一性能指標(biāo)涉及到系統(tǒng)未來的行為，例如，通?？扇ο筝?出在未來的采樣點(diǎn)上跟蹤萊一期望軌跡的方差為最??；但也可取更廣泛的形式， 例如要求控制能量為最小而同時保持輸出在一定范圍內(nèi)等等。性能指標(biāo)中涉及 到的系統(tǒng)未來的行為，是根據(jù)預(yù)測模型由未來的控制策略決定的。 軍一 _ 三一 、 2 夕恥 卜! 一 呻滾動 r r 一， k + i t 1 一參考軌跡：2 一最優(yōu)預(yù)測輸出；3 一最優(yōu)控制作用 圖2 2 滾動優(yōu)化 f i g 2 2r o l l i n go p t i m i z e 然而，預(yù)測控制中的優(yōu)化與傳統(tǒng)意義下的離散最優(yōu)控制有很大的差別。這 表現(xiàn)在預(yù)測控制中的優(yōu)化是一種有限時段的滾動優(yōu)化。在每一個采樣時刻，優(yōu) 廣西大學(xué)碩士掌位論文電力系茂的非線燕擐測控御 化性能指標(biāo)只涉及到從該時刻起未來有限的時間，而到下一采樣時刻，這一優(yōu) 化時段同時向前推移( 見圖2 2 ) 。因此，預(yù)測控制不是用一個對全局相同的 優(yōu)化性能指標(biāo)，而是在每一時刻有一個相對于該時刻的優(yōu)化性能指標(biāo)。不同時 刻優(yōu)化性能指標(biāo)的相對形式是相同的，但其絕對形式，即包括的時間區(qū)域，則 是不同的。因此，在預(yù)測控制中，優(yōu)化不是一次離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行 的，這就是滾動優(yōu)化的含義，也是預(yù)測控制區(qū)別于傳統(tǒng)最優(yōu)控制的根本點(diǎn)。 2 1 3 反饋校正 預(yù)測控制是一種閉環(huán)控制算法。在通過優(yōu)化確定了一系列未來的控制作用 后，為了防止模型失配或環(huán)境干擾引起控制對理想狀態(tài)的偏離，預(yù)測控制通常 不是把這些控制作用逐一全部實(shí)施，而只是實(shí)現(xiàn)本時刻的控制作用，到下一采 樣時刻，則首先檢測對象的實(shí)際輸出，并利用這一實(shí)時信息對基于模型的預(yù)測 進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化( 見圖2 3 ) 。 么 2 0 r j u 1 一k 時刻的預(yù)測輸出：2 一k + 1 時刻的預(yù)測輸出； 3 一預(yù)測誤差：4 一k + l 時刻校正后的預(yù)測輸出。 圖2 - 3 誤差校正 f i g 2 3e r r o re m e n d a t i o n 反饋校正的形式是多樣的，可以在保持預(yù)測模型不變的基礎(chǔ)上，對未來的 誤差做出預(yù)測并加以補(bǔ)償，也可以根據(jù)在線辨識的原理直接修改預(yù)測模型。不 論取何種校正形式，預(yù)測控制都把優(yōu)化建立在系統(tǒng)實(shí)際的基礎(chǔ)上，并力圖在優(yōu) 化時對系統(tǒng)未來的動態(tài)行為做出較準(zhǔn)確的預(yù)測。因此，預(yù)測控制中的優(yōu)化不僅 基于模型，而且利用了反饋信息，因而構(gòu)成了閉環(huán)優(yōu)化。 廣西，o 螄士掌位論文電力鼻：兢的j 仁婦嚏電疆疆i 簍l - 匠 綜上所述可以看到，預(yù)測控制作為一種新型計算機(jī)控制算法，是有其鮮明 特征的，它是一種基于模型、滾動實(shí)施并結(jié)合反饋校正的優(yōu)化控制算法，因此 我們不難看出預(yù)測控制在處理復(fù)雜工業(yè)對象具有無可比擬優(yōu)越性。首先，對于 復(fù)雜的工業(yè)對象，由于辨識其最小化模型要花費(fèi)很大的代價；往往給基于傳遞 函數(shù)或狀態(tài)方程的控制算法帶來困難。而預(yù)測控制所需要的模型只強(qiáng)調(diào)其預(yù)測 功能，不苛求其結(jié)構(gòu)形式，從而為系統(tǒng)建模帶來了方便。在許多場合下，我們 只測定對象的階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，便可直接 ；導(dǎo)到預(yù)測模型，而不必進(jìn)一步導(dǎo) 出其傳遞函數(shù)或其狀態(tài)方程，這對工業(yè)應(yīng)用無疑是有巨大的吸引力的。更重要 的是，預(yù)測控制汲取了優(yōu)化控制的思想，但利用滾動的有限時段優(yōu)化取代了一 成不變的全局優(yōu)化。這雖然在理想情況下不能取得全局最優(yōu)，但由于實(shí)際上不 可避免地存在著模型誤差和環(huán)境干擾，這種建立在實(shí)際反饋信息基礎(chǔ)上的反復(fù) 優(yōu)化，能不斷顧及不確定性的影響并及時加以校正，反而要比只依靠模型的一 次優(yōu)化更能適應(yīng)實(shí)際過程，有更強(qiáng)的魯棒性。所以，預(yù)測控制是針對傳統(tǒng)最優(yōu) 控制在工業(yè)過程中的不適用性而迸行修正的一種新型優(yōu)化控制算法。 到目前為止，預(yù)測控制理論無論是在理論研究方面還是在具體工程應(yīng)用方 面，都已經(jīng)有很多學(xué)者在這方面做了許多有價值的研究工作。 2 2 幾個重要概念 2 2 1 仿射非線性系統(tǒng) 本節(jié)將著重介紹仿射非線性系統(tǒng)的概念。 對于一個控制系統(tǒng)來說，如果它的數(shù)學(xué)模型具有如下形式， 狀態(tài)方程為： x n = ，；( 工1 ，矗) + g l l ( j i ，矗) 甜l4 - + g ，l ( x i ，x 。) “。 童2 = 以( _ ，x 一) + 9 1 2 ( _ ，z 一) l + + g m 2 ( 而，) 甜* ( 2 1 ) 毛= 無( x l ，x 。) + g l 。( x l ，x 。) ”14 - + g 腫，( 工l ，矗) “， 輸出方程為： 廣西大掣嚏士掌位論文 電力系璉的j 熊佳援測控制 將上式寫成壓縮形式則為 f y l = h ( x j ，) ( 2 2 ) 【：k ( - ，) _m p ) - ，( 以f ) ) + 爭o ”虬( f ) ( 2 3 ) 1，- i 、u ， 【以r ) = 矗( f ) 其中，x r ”為狀態(tài)向量，鮑( f = 1 ，m ) 為控制量，廠( x ) 與島( j ) ( f = 1 ，m ) 為 珂維函數(shù)向量；矗( 工) 為m 維輸出函數(shù)向量。 那么該系統(tǒng)就稱為是仿射非線性系統(tǒng)，其具有的顯著特征為：狀態(tài)向量 的微分與狀態(tài)量x ( t ) 的關(guān)系是非線性的，而控制量“。( f = 1 ，m ) 的關(guān)系卻是線 性的。本論文所研究的對象多機(jī)電力系統(tǒng)正是這種類型的系統(tǒng)。 2 2 2 李導(dǎo)數(shù) 現(xiàn)在讓我們給出李導(dǎo)數(shù)的確切定義，它將是我們研究非線性控制系統(tǒng)問題 的有利工具。 定義2 1 給定一個x _ 【_ ，x d 7 的標(biāo)量函數(shù)五( x ) 與一個向量場 ，( x ) = 阢，z 】r ，以三，旯( x ) 表示的用下列運(yùn)算 訓(xùn)恥筆暑似) = 喜罨導(dǎo)似) ( 2 a ) 所得出的新標(biāo)量函數(shù)定義為函數(shù)丑( x ) 沿向量場f ( x ) 的導(dǎo)數(shù)稱李導(dǎo)數(shù)。 由上述定義可知，李導(dǎo)數(shù)是一個標(biāo)量函數(shù)，因此它與原來的標(biāo)量函數(shù)a ( x ) 一樣，可以再一次對另一向量場譬( 扔做李導(dǎo)數(shù)，即 厶。a ( x ) = 旦! 蘭；簍型g ( x ) ( 2 5 ) 當(dāng)然，五( x ) 對f ( x ) 的一階李導(dǎo)數(shù)，五( x ) 也可再次對f ( x ) 做李導(dǎo)數(shù)，以 此類推直至k 階李導(dǎo)數(shù)，即 1 4 廣西j “螄士掌位論文電力r 蓉自油非蛾掛習(xí)e 漕i 控徊 。( 。五( x ) ) = 弓五( x ) = 旦! 蘭i 耋嬰廠( x ) ( 2 6 ) 馳x ) _ 牮倒) 上式中的五( x ) 對向量場，( x ) 的七階李導(dǎo)數(shù)矽a ( x ) 仍然式一個標(biāo)量函數(shù)，因此 它還可以對另一向量場g ( x ) 再做李導(dǎo)數(shù)，即 乓尊丑( x ) ：學(xué)暑( x ) ( 2 ，7 ) 2 2 3 控制系統(tǒng)的二次性能指標(biāo) 控制是用施加某種特定輸入的方法，改造所涉及的各種動力學(xué)系統(tǒng)的性能， 使其最大限度地滿足特定需要的理論與技術(shù)的總稱。設(shè)計一個控制系統(tǒng)的目的 就是要使系統(tǒng)體現(xiàn)出設(shè)計者想要實(shí)現(xiàn)的某些功能或者使系統(tǒng)的性能達(dá)到某些要 求。在我們設(shè)計某個控制系統(tǒng)的控制器時，通常要先根據(jù)工程上的各種要求提 出不同的性能指標(biāo)，然后根據(jù)所提出的性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，求解控制規(guī)律并設(shè) 置控制器的參數(shù)。也就是說，個控制系統(tǒng)的性畿指標(biāo)和控制規(guī)律會隨著控制 要求與控制目的的不同而不同。因此對一個控制系統(tǒng)提出什么樣的性能指標(biāo)， 直接決定了控制系統(tǒng)的控制效果是否理想?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計是指尋找控制規(guī)律的 整個過程，它包括建立數(shù)學(xué)模型，對控制系統(tǒng)提出要求，求出滿足要求的控制 規(guī)律這三個步驟。 在控制規(guī)律的設(shè)計過程中，我們的主要目的應(yīng)該是針對工程實(shí)際所關(guān)心的 量，尋找某種控制規(guī)律使得它們的性能為最優(yōu)。當(dāng)然，這些變量可麓是系統(tǒng)的 狀態(tài)變量，也可能不是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，還可能是狀態(tài)量與非狀態(tài)量的集合。 在電力系統(tǒng)中，這種最優(yōu)的概念可體現(xiàn)為：超調(diào)量很小，收斂非?？旌驼袷幧?。 因此，無論是線性設(shè)計，還是非線性設(shè)計，我們的設(shè)計應(yīng)該是以這些量為目標(biāo)， 讓它們具有非常好的動、靜態(tài)性能。 這種要求可以用不同形式的數(shù)學(xué)語言來描述，二次型就是其中一種。 舶 2 j = l 【善( ，) 一貝糾d t = ，。 ( 2 8 ) 廣西r 大學(xué)碩士掌位論文電力秉統(tǒng)的j 線性援測控制 式中：孝( f ) 是理想的動態(tài)響應(yīng)，y ( f ) 是實(shí)際的動態(tài)響應(yīng)。 二次型性能指標(biāo)即誤差函數(shù)的平方對時間的定積分，因?yàn)榭梢猿浞煮w現(xiàn)實(shí) 際動態(tài)響應(yīng)與理想動態(tài)響應(yīng)之間的誤差最小要求，而且物理意義明確，故而在 控制器設(shè)計中經(jīng)常用到。 對于勵磁控制來說，在理想情況下，我們希望當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)受到干擾時，輸 出量能夠不經(jīng)過任何振蕩和時滯地回到輸出量的期望值。實(shí)際上，由于系統(tǒng)的 慣性，理想情況是不可能實(shí)現(xiàn)的，但是，我們可以追求實(shí)際的動態(tài)響應(yīng)與理想 的動態(tài)響應(yīng)之間的誤差盡可能的小。 當(dāng)我們設(shè)計電力系統(tǒng)的非線性勵磁控制器時，我們需要對勵磁電壓這個控 制量進(jìn)行一定的限制，要求二次型性能指標(biāo)在滿足平方誤差函數(shù)定積分極小值 的同時也使得控制量的正定二次型函數(shù)的積分達(dá)到極小值，即 j = fl 巨( ，) - 彳( f ) 】7f i e ( t ) 一x ( t ) l + u 7 ( t ) r u ( t ) k l t = j 曲 ( 2 9 ) 上式中，r 是，階的實(shí)對稱正定矩陣，r 為控制向量u 的維數(shù)。對上述二 次性能指標(biāo)j 取極值即求解方程= ；羔= o 將得到控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制規(guī)律。 o u l f l 在進(jìn)行非線性預(yù)測控制設(shè)計時，假設(shè)非線性模型有如下離散形式： y ( k + 1 ) = ，( y ( _ j ) ，u ( j i ) ) ( 2 1 0 ) 式中： v ( k + o 是k + l 時刻療維輸出向量 y ( k ) 是k 時刻療維輸出向量 u ( k 1 是k 時刻m 維輸出向量 那么，控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制規(guī)律可以由如下二次性能指標(biāo)確定： 式中： ，。【y ( 后+ 1 ：_ ( 。刪竺y ( 七+ 1 ) 一y a 。+ 1 ) 1 ( 2 1 1 ) + ( j j ) 一，】1s v ( k ) - u 】 1 6 ，1 譬大掌礓士掌位論文屯力- j ；兢的非績性曩調(diào)控- 目 q r “”是半正定的， r e r ”是正定的， r ( 量+ 1 ) 是k + l 時刻h 維參考輸入向量， 盯是控制量的參考值， 對上述二次性能指標(biāo)j 取極值即求解方程二蘭i = 0 ，將得到控制系統(tǒng)的最 u i 丘 優(yōu)控制規(guī)律。 尤為值得關(guān)注的是多機(jī)系統(tǒng)二次性能指標(biāo)的選擇問題。在設(shè)計能使多機(jī)電力 系統(tǒng)各控制器相互協(xié)調(diào)的非線性勵磁控制器的過程中，很重要的一點(diǎn)是建立一 個全系統(tǒng)統(tǒng)一的性能指標(biāo)，每臺發(fā)電機(jī)的勵磁控制器在實(shí)現(xiàn)其基本功能的同時， 以這個總的指標(biāo)作為共同努力的方向，并在這個共同的目標(biāo)下達(dá)到協(xié)調(diào)。 在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，人們對其性能指標(biāo)的要求是多方面的，主要體現(xiàn) 在以下幾個方面：1 、電壓質(zhì)量滿足一定要求；2 、頻率質(zhì)量滿足一定要求；3 、 運(yùn)行的可靠性；4 、具有較好的靜態(tài)穩(wěn)定性；5 、具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性：6 、 具有較好的暫態(tài)穩(wěn)定性；7 、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。這些指標(biāo)在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中都 是很重要的，但并不意味著所有這些指標(biāo)都必須包括在各控制器的性能指標(biāo)內(nèi)。 例如，其中有些指標(biāo)可以通過裝設(shè)在調(diào)頻廠的調(diào)頻裝置的調(diào)節(jié)維持在精確范圍 內(nèi)；還有一些指標(biāo)是通過系統(tǒng)調(diào)度命令，而不是通過各控制器的控制規(guī)律來實(shí) 現(xiàn)的，如系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、系統(tǒng)的安全可靠性等。上述幾種指標(biāo)可以不包括在 各控制器的性能指標(biāo)之內(nèi)，因此，我們對只對包含在各控制器的性能指標(biāo)內(nèi)的 電力系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行討論。 電壓穩(wěn)定性與靜態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)系 在系統(tǒng)阻尼足夠大、不發(fā)生低頻振蕩的條件下，發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的電壓 放大倍數(shù)越高，機(jī)端電壓越穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)情況下所能輸送的功率越 高。因此，可以說電壓穩(wěn)定性與靜態(tài)穩(wěn)定性是一致的。 電壓穩(wěn)定性與動態(tài)穩(wěn)定性之間的關(guān)系 電壓穩(wěn)定性與系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性是密切相關(guān)的。近三十年來的大量理論 1 7 廣西大掌硬士掌位論文 電力j 0 毫的j # 殘性囊涮控制 研究工作和工作實(shí)踐表明，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓反饋放大倍數(shù)較高時， 特別在采用快速勵磁系統(tǒng)情況下，如不采取有效措施，系統(tǒng)機(jī)電振蕩模式的阻 尼會嚴(yán)重惡化，甚至出現(xiàn)負(fù)阻尼，產(chǎn)生自發(fā)的低頻振蕩。只有采取措施，增強(qiáng) 系統(tǒng)的阻尼，才有可能在電壓放大倍數(shù)較高時不發(fā)生低頻振蕩，從而使系統(tǒng)電 壓穩(wěn)定性有較大幅度的提高。因此，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性是保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定 的前提。 系統(tǒng)的