電力系統(tǒng)非線自適應(yīng)魯棒控制研究博士學(xué)位

1、<p>　　電力系統(tǒng)非線性自適應(yīng)魯棒控制研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電力系統(tǒng)是一個強非線性、多維、動態(tài)大系統(tǒng)。隨著大型電力系統(tǒng)互聯(lián)的發(fā)展以及各種新設(shè)備的使用，在使發(fā)電、輸電更經(jīng)濟、高效的同時，也增加了電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性，從而暴露出很多威脅電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行的動態(tài)問題（如電力系統(tǒng)低頻振蕩、汽輪機和發(fā)電

2、機的次同步扭轉(zhuǎn)振蕩）。電力系統(tǒng)一旦失去穩(wěn)定，其暫態(tài)過程極快，處理不當可能很快波及全系統(tǒng)，往往造成大范圍、較長時間停電，給國民經(jīng)濟和人民生活造成巨大損失和嚴重危害，在最嚴重的情況下，則可能使電力系統(tǒng)崩潰和瓦解。</p><p>　　在這些情況下，研究和實現(xiàn)相應(yīng)的穩(wěn)定控制措施，不但可以提高系統(tǒng)運行的可靠性，而且可以因傳輸能力的提高而產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益。近年來，隨著微型計算機和現(xiàn)代控制理論的不斷進展，各種先進的控制方法也

3、在電力系統(tǒng)控制方面得到了廣泛應(yīng)用。它們在提高電力系統(tǒng)性能的同時，也為解決上述問題提供了各種各樣的途徑。</p><p>　　本文針對電力系統(tǒng)的非線性模型，采用backstepping方法，研究了電力系統(tǒng)勵磁、汽門以及各種FACTS控制等一系列穩(wěn)定控制問題。</p><p>　　本文工作是將先進控制方法應(yīng)用到電力系統(tǒng)的進一步嘗試，其最突出的特點是：</p><p>　

4、　1．發(fā)展了backstepping設(shè)計方法，針對實際系統(tǒng)中常常存在的參數(shù)不確定性、未建模動態(tài)以及未知干擾，在backstepping設(shè)計步驟中融合進非線性L2增益干擾抑制理論，設(shè)計出使系統(tǒng)穩(wěn)定的非線性自適應(yīng)魯棒控制器。簡明的設(shè)計方法、優(yōu)良的設(shè)計策略使得所設(shè)計的相應(yīng)的控制方案更具廣泛的適用性。</p><p>　　2．本文成功將上述結(jié)果推廣到單/多機電力系統(tǒng)勵磁、汽門以及各種主要的FACTS控制穩(wěn)定中。所考慮的電

5、力系統(tǒng)模型均為更貼近實際的非線性魯棒模型。其中汽門開度的全程控制，勵磁與汽門綜合控制的系統(tǒng)模型均使用了四階，包含兩個輸入。主要FACTS控制的系統(tǒng)模型均未忽略其本身的動態(tài)過程。這種設(shè)計方法在以前的文獻中很少見到。從而使所設(shè)計的結(jié)果更具有實用性。通過理論分析及仿真證明所得控制器確實具有優(yōu)良的性能。主要工作概括如下：</p><p>　?。?）研究了一類具有嚴格反饋形式的非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒控制問題。將非線性L2增

6、益干擾抑制理論融合到自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計步驟中，針對帶有常參數(shù)不確定性及外部擾動的非線性系統(tǒng)，設(shè)計了非線性L2增益干擾抑制魯棒控制器。最后指出得出的結(jié)果可應(yīng)用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。</p><p>　　（2）研究了勵磁系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒控制問題。針對帶勵磁控制的單機無窮大母線系統(tǒng)，分別在阻尼系數(shù)不能精確測量、以及系統(tǒng)兼有阻尼系數(shù)不能精確測量和受外部擾動影響的情況下，首次使用自適應(yīng)backstep

7、ping 方法設(shè)計了非線性自適應(yīng)魯棒控制器及非線性L2增益干擾抑制控制器。然后對設(shè)計結(jié)果進行了分析，討論了控制器的實現(xiàn)問題。</p><p>　?。?）研究了汽門開度的非線性魯棒控制問題。分別針對僅帶有常參數(shù)不確定性和同時帶有常參數(shù)不確定及外部擾動的汽輪機調(diào)速系統(tǒng)，首次利用自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計了發(fā)電機汽門非線性魯棒控制器及非線性L2增益干擾抑制控制器。然后對設(shè)計結(jié)果進行了討論，指出所得控制器獨

8、立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，具有很強的魯棒性。</p><p>　?。?）研究了中間再熱汽輪發(fā)電機組汽門開度的全程非線性控制問題。其次，作為綜合協(xié)調(diào)控制的例子，研究了勵磁汽門綜合控制的非線性魯棒控制問題。兩個問題都是在帶有常參數(shù)不確定及外部擾動的四階魯棒模型的基礎(chǔ)上，利用自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計了非線性L2增益干擾抑制控制器。研究結(jié)果表明所使用的設(shè)計方法可以應(yīng)用到勵磁、汽門以及FACTS之間的協(xié)調(diào)控制當中

9、。</p><p>　　（5）研究了多機系統(tǒng)勵磁及汽門的非線性魯棒控制問題。針對帶有常參數(shù)不確定及外部擾動的多機勵磁與汽門控制系統(tǒng)，利用自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計了非線性L2增益干擾抑制控制器。所得控制器是分散的，且獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。研究結(jié)果表明所使用的設(shè)計方法完全可以應(yīng)用到多機系統(tǒng)的勵磁、汽門以及FACTS控制當中。</p><p>　　（6）將研究結(jié)果應(yīng)用到電力系統(tǒng)F

10、ACTS控制當中?；趲в蠺CSC、STATCOM的單機無窮大母線系統(tǒng)的三階模型以及針對交直流并聯(lián)輸電系統(tǒng)，在系統(tǒng)兼有阻尼系數(shù)不能精確測量和受外部擾動影響的情況下，首次使用自適應(yīng)backstepping 方法設(shè)計了TCSC、STATCOM及直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)魯棒控制器。指出該方法也可用于SVC的控制器設(shè)計當中。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 勵磁控制 汽門控制 FACTS控制

11、 參數(shù)不確定性 干擾抑制 魯棒穩(wěn)定性 backstepping方法 參數(shù)自適應(yīng)</p><p>　　Study on the Nonlinear Adaptive Robust Control for Power Systems</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Electric power sy

12、stems are one of nonlinear, multidimensional, dynamic and large scale systems. With the developing of interconnection among powers system and using of some new types of devices, the power generation and transmission are

13、made to be more efficient, but at the same time, the scales and complex nature of power systems increase also. Thereby some dynamic problems which could threaten the operation of power systems in safe, economical and sta

14、ble mode are emerged, such as power systems</p><p>　　Under these circumstances, study and realization of appropriate stability control approaches, can not only enhance the systems operation reliability, but

15、also produce direct economic benefits because of enhancement of transmission capacity. With the uninterrupted growth of computer and modern control theory of late years, all sorts of advanced control means also find broa

16、d application in power systems control. power systems performance are improved simultaneously，various channels are also provid</p><p>　　In this dissertation, aiming at the nonlinear model of power systems, b

17、y means of the backstepping methods, a series of stability control problems are studied, including excitation control, steam-valve control, and main FACTS devices control, etc. </p><p>　　The research work in

18、 this dissertation is a more attempt which advanced control methods are applied into power systems stability control. The outstanding characteristics of it are as follows:</p><p>　　1. The backstepping design

19、 methods are developed. On the parameter uncertainties, unmodelling dynamics and unknown disturbances which exist in practical systems generally，integrating nonlinear L2 gain disturbances attenuation theory smoothly into

20、 backstepping design steps，then the nonlinear adaptive robust controller which can stabilize the system has been designed. The concise design method and excellent design strategy make the designed corresponding control s

21、cheme own extensive adaptability. </p><p>　　2. The above results have been extended to the stability control of power systems successfully, such as excitation, steam valve of single machine and multi-machine

22、 systems, main FACTS devices, etc. The considered system models are all nonlinear robust models corresponding to reality, in which the system model of through control for steam-valve open and the integrated control for e

23、xcitation and steam-valve are four-order and have two inputs, and the self-dynamic behavior in system models of main </p><p>　　(1) Adaptive robust control problems for a class of nonlinear systems in strict

24、parameter feedback are studied. In view of the system with constant parameter uncertainty and external disturbances, integrating nonlinear L2 gain disturbances attenuation theory smoothly into backstepping design steps,

25、then nonlinear L2 gain disturbances attenuation controller are designed. Lastly, it is pointed out the drawn results can be applied into power systems stability control. </p><p>　　(2) Under the condition tha

26、t damping coefficient can not be measured accurately, and the condition both damping coefficient can not be measured accurately and system being perturbed by external disturbance, respectively, the nonlinear adaptive rob

27、ust controller on single machine-infinite bus system with excitation control are designed using adaptive backstepping method for the first time. Then the design results are analyzed, where the realization of controller a

28、re discussed. </p><p>　　(3) The adaptive robust control problems of steam-valve open are studied. Firstly, In view of single machine-infinite bus system with constant parameter uncertainty only and with cons

29、tant parameter uncertainty and external disturbances, respectively, the nonlinear adaptive robust controller of steam-valve open are designed using adaptive backstepping methods for the first time. Then the design result

30、s are discussed, in which it is pointed out that the obtained controllers are independent of cons</p><p>　　(4) Steam-valve whole-range nonlinear control problems of reheat-type turbine are studied. As the ex

31、ample of integrated control, then the nonlinear robust control problems of excitation and steam-valve coordinated control is studied also. These two problems are all based on the four-order robust models with constant pa

32、rameter uncertainty and external disturbances, then the nonlinear L2 gain disturbance attenuation controller are designed using adaptive backstepping methods. The study results sho</p><p>　　(5) The nonlinear

33、 robust problems of excitation and steam-valve in multi-machine systems are studied. The nonlinear L2 gain disturbance attenuation controller on the control of excitation and steam-valve in multi-machine systems with con

34、stant parameter uncertainty and external disturbances are designed using adaptive backstepping methods. The obtained controllers are decentralized and independent of construction and parameters of network, the study resu

35、lts show that the design methods can be app</p><p>　　(6) The study results are applied into FACTS control of power systems. Based on the three-order robust models, of single machine-infinite bus system with

36、TCSC, STATCOM and parallel AC/DC power systems, under the conditions which systems have constant parameter uncertainty and external disturbances, the nonlinear adaptive robust controllers are designed using adaptive back

37、stepping method, respectively. It is also pointed out that these design methods can be applied to the control of SVC.</p><p>　　Key words power systems, nonlinear systems, excitation control, steam valve cont

38、rol, FACTS control, parameter uncertainty, disturbance attenuation, robust stability, backstepping method, parameter adaptive</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制發(fā)展概況</

39、p><p>　　現(xiàn)代電力系統(tǒng)迅速發(fā)展，以大機組、大電網(wǎng)、超高壓、長距離、重負荷、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)、交直流聯(lián)合輸電和新型負荷（電力機車等整流型負荷）為特點，是一個典型的強非線性、多維、動態(tài)大系統(tǒng)。隨著大型電力系統(tǒng)互聯(lián)的發(fā)展以及各種新設(shè)備的使用，在使發(fā)電、輸電更經(jīng)濟、高效的同時，也增加了電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性，從而暴露出很多威脅電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的動態(tài)問題，如大機組軸系的扭振穩(wěn)定性問題；重負荷輸電線的功率振蕩問題；直流輸電引

40、起的次同步振蕩問題和受端弱系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題；新型負荷引起的諧波污染、損耗及諧波穩(wěn)定問題等[1]。此外，近年國際流行的體制變革，如發(fā)電和輸電分離、跨網(wǎng)輸配電，即電力托送等，也開始在我國出現(xiàn)，由此帶來的一些新的電網(wǎng)安全問題，在國際上已造成多次大停電事故，也很值得警惕。</p><p>　　1.1.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定的意義</p><p>　　對于電力系統(tǒng)，具有足夠的穩(wěn)定性是其正常運行的前提。電

41、力系統(tǒng)的穩(wěn)定包括功角穩(wěn)定，即同步運行穩(wěn)定性，包括轉(zhuǎn)子在大或小擾動下爬行失步問題及振蕩失步問題，前者主要由于同步力矩不足，后者主要由于阻尼力矩不足，電壓穩(wěn)定及頻率穩(wěn)定。穩(wěn)定實際是一個動態(tài)過程，主要是指電力系統(tǒng)受到的大/小干擾引起同步電機電壓相角的再調(diào)整，進而造成系統(tǒng)發(fā)電和負荷之間的不平衡，從而建立起一個新運行狀態(tài)的過程。小干擾一般指正常的負荷和參數(shù)波動。大干擾主要包括系統(tǒng)發(fā)生短路和斷線故障；切除或投入系統(tǒng)的主要元件，如發(fā)電機、變壓器及線路

42、；負荷的突然變化等。國際上對于穩(wěn)定的分類尚不統(tǒng)一，但按照電力系統(tǒng)遭受干擾后的過渡過程，一般將穩(wěn)定分為靜態(tài)穩(wěn)定（小干擾下的穩(wěn)定問題，不計調(diào)節(jié)器動態(tài)作用）、動態(tài)穩(wěn)定（計及調(diào)節(jié)器動態(tài)作用）和暫態(tài)穩(wěn)定（大擾動下時間約為1秒的第一搖擺穩(wěn)定性及時間約為幾秒左右的多搖擺穩(wěn)定性的統(tǒng)稱）。還有時間為幾十秒到幾分鐘的中期穩(wěn)定性（主要研究頻率崩潰和電壓崩潰問題）及長達幾十分鐘到1小時的系統(tǒng)長期動態(tài)問題。標志系統(tǒng)穩(wěn)定與否的主要狀態(tài)量是主要機組之間及機組與無窮大

43、系統(tǒng)間的相對角度及相對速度，若（為包括0的有限常數(shù)，，是系統(tǒng)中機組的</p><p>　　長期以來，國內(nèi)外的專家、學(xué)者對如何保證和提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了大量的研究工作，并且至今仍將其作為電力系統(tǒng)方面的一個重要研究課題。特別在我國，由于目前輸電系統(tǒng)建設(shè)滯后于電源的建設(shè)，高低壓電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)較多，且電網(wǎng)間聯(lián)系薄弱，從而更易發(fā)生穩(wěn)定性破壞事故；而且在一些電網(wǎng)中，由于受穩(wěn)定性要求的制約，使某些輸電線路的傳輸容量受到限制

44、。在這些情況下，研究和實現(xiàn)相應(yīng)的穩(wěn)定控制措施，不但可以提高系統(tǒng)運行的可靠性，而且可以因傳輸能力的提高而產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益[2]。</p><p>　　1.1.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)與方法的發(fā)展</p><p>　　發(fā)電廠和電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制理論與電廠和電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模是緊密相聯(lián)系的。50年代當發(fā)電機容量小，電網(wǎng)供電規(guī)模不大時，電力系統(tǒng)的控制常以PID控制為主要的控制手段。70年代發(fā)電機容

45、量逐漸增加，而電網(wǎng)結(jié)構(gòu)又比較薄弱，電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題主要表現(xiàn)為靜態(tài)不穩(wěn)定或出現(xiàn)了不同頻率的振蕩，由此基于頻域設(shè)計和時域設(shè)計的線性多變量控制理論被引入到發(fā)電機勵磁控制設(shè)計中。在發(fā)電機勵磁控制方面，相繼出現(xiàn)了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)和線性最優(yōu)勵磁控制器（LOEC），而后這些方法被應(yīng)用到電力系統(tǒng)其他各種控制設(shè)計中(如FACTS)。隨著電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)加快，電力系統(tǒng)中靜態(tài)穩(wěn)定問題和功率振蕩問題已逐步得到緩解，提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性已成為電力系統(tǒng)控制

46、的主要任務(wù)[3]。</p><p>　　我國電力系統(tǒng)中安全穩(wěn)定控制技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用較早，50年代起即普遍應(yīng)用的低頻減載和后來應(yīng)用于某些電網(wǎng)的穩(wěn)定控制，曾對保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起了重要作用。從80年代后期起，我國的一些科研開發(fā)制造單位陸續(xù)開發(fā)了以微機為基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，到 1997年底全國已有約 100套較復(fù)雜的穩(wěn)定控制裝置投入運行，此外正在應(yīng)用的還有大量較簡單的頻率和電壓緊急控制系統(tǒng)。這些裝置在提高電網(wǎng)輸送

47、能力，避免窩電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，以及防止事故擴大等方面發(fā)揮了重要作用，并取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。全國電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故，在70年代年平均約 20次，80年代年平均 6.5次，90年代下降到年平均約 4次[4]。</p><p>　　現(xiàn)代電力系統(tǒng)分布地域極廣，且輸送巨大的電功率，對其電能的質(zhì)量（頻率、電壓和波形）、數(shù)據(jù)要求極嚴格，由此決定了安全穩(wěn)定控制技術(shù)復(fù)雜，涉及面廣，應(yīng)具有很強的抗干擾能力和事故恢復(fù)能力

48、，可靠性要求很高，因此還存在不少問題需要進一步解決和完善?，F(xiàn)有的開發(fā)應(yīng)用工作雖已取得不少成績，但產(chǎn)品的性能和質(zhì)量還不能完全滿足現(xiàn)場要求，特別是復(fù)雜電力系統(tǒng)的要求，目前很多產(chǎn)品尚處于初創(chuàng)階段，不夠成熟，所施加的控制方法比較簡單，因而有必要開發(fā)新的高性能的控制系統(tǒng)。</p><p>　　電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法一直也是和控制科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)的。余耀南早在1970年就把線性最優(yōu)控制理論引入電力系統(tǒng)[5]。文獻 [6]的

49、大量應(yīng)用實例及工程實際研究進一步表明應(yīng)用控制理論于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制的巨大效益以及現(xiàn)實可用性和廣闊前景。1984年甘肅省碧口水電站1 0 0 MW機組上最優(yōu)勵磁控制的實現(xiàn)揭開了現(xiàn)代控制理論在中國電力系統(tǒng)應(yīng)用的序幕。如今，現(xiàn)代控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已發(fā)展成電力系統(tǒng)學(xué)科中一個引人注目的活躍的分支。</p><p>　　從盧強院士的《輸電系統(tǒng)最優(yōu)控制》到《電力系統(tǒng)非線性控制》[7]，每一次控制理論的進步都給其實

50、際應(yīng)用注入了新的活力。另一方面，隨著工程技術(shù)的發(fā)展以及其他學(xué)科的影響與滲透， 控制理論它也經(jīng)歷了幾次大發(fā)展。第一次大發(fā)展在 20世紀30到40年代，即古典控制理論階段。由于工業(yè)發(fā)展要求設(shè)計滿足一定要求的各種控制器，于是出現(xiàn)了各種穩(wěn)定性判據(jù)，以及相應(yīng)的設(shè)計方法。古典控制理論的特點是從輸出量與輸入量的關(guān)系方面來研究問題的，但只適用于常系數(shù)、線性、單輸入單輸出的系統(tǒng)。從50年代末到60年代起，由于航天、航空、航海的發(fā)展，要求有更快、更精、更可

51、靠的控制方法，這就導(dǎo)致控制理論的新一輪發(fā)展高潮，出現(xiàn)了基于狀態(tài)空間描述的控制理論。從線性系統(tǒng)理論，Kalman濾波到非線性控制，無窮維系統(tǒng)，隨機系統(tǒng)，適應(yīng)控制，系統(tǒng)辨識等，出現(xiàn)大量的新結(jié)果，使高技術(shù)中出現(xiàn)的眾多問題得以解決。由于大多數(shù)工程控制系統(tǒng)都是非線性的，如電力系統(tǒng)。在分析它的大干擾穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)（系統(tǒng)在遭受某種程度的干擾后，發(fā)電機組振蕩次數(shù)、過渡時間及主要狀態(tài)量的超調(diào)量），就不宜把它作為線性系統(tǒng)處理，否則控制效果就不能令人滿意。

52、70年代出發(fā)展起來的非線性控</p><p>　　控制科學(xué)是一門技術(shù)科學(xué)，它不同于一般自然科學(xué)之處在于它不是研究純粹化環(huán)境中的自然規(guī)律，而是一方面必須面對工程實際中諸多復(fù)雜的難以刻劃的因素，同時又是一門研究如何在一定約束條件下以施加控制的方法來改造客觀物質(zhì)世界，特別是工程系統(tǒng)的學(xué)問。數(shù)學(xué)是一種研究控制理論十分重要且無可替代的研究工具，但數(shù)學(xué)家遠沒有給出用以解決當今控制理論面臨挑戰(zhàn)的現(xiàn)成方法。在這方面控制理論學(xué)家與

53、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。</p><p>　　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。當前科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的突飛猛進，對自動化技術(shù)的要求愈來愈高。

54、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(diào)整，系統(tǒng)性能就能達到設(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。 </p><p>　　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

55、通信、控制與生物技術(shù)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(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)進步，無不與先進控制技術(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)展正面臨新的機遇。</p><p>　　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(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)、計算機技術(shù)、通信和信息技術(shù)以

56、及現(xiàn)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(yīng)用。 將先進控制技術(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、促進電力系統(tǒng)安全優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟運行的同時，也為解決上述問題提供了強有力的工具。</p><p>　　1.2 發(fā)電單元的主要控制部件</p>

57、<p>　　對電力系統(tǒng)動態(tài)行為有顯著影響的部件如圖1.1[8]，水輪機或汽輪機將水力或蒸汽力轉(zhuǎn)換為機械力，調(diào)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(zhuǎn)換，而勵磁機和電壓調(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。</p><p>　　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

58、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。</p><p>　　圖1.1 電力系統(tǒng)的主要控制部件</p><p>　　Fig. 1.1 The main control components of power systems</p><p>　　1.2.1 勵磁控制</p><p>　　勵磁控制的主要任務(wù)是維持

59、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(xiàn)、經(jīng)濟、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。</p><p>　　在對電力系統(tǒng)非線性勵磁

60、控制的研究中，單軸發(fā)電機模型多以狀態(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)電機動態(tài)行為的模擬就越詳細，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]。</p><p>　　雙軸勵磁同步發(fā)電機是在轉(zhuǎn)子d、q軸上均裝設(shè)勵磁線圈的新型同步發(fā)電機。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)電機的輸出功率，有效

61、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)濟的缺點。</p><p>　　1.2.2 汽門/水門控制</p><p>　　汽門控制，是快速關(guān)閉汽輪機的調(diào)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(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)和汽輪機的可靠性，通常

62、比機組停機方案更可取。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(diào)速”系統(tǒng)發(fā)生了相當大的變化，電液式的“調(diào)速”系統(tǒng)取代了機械液壓式“調(diào)速”系統(tǒng)，其傳動方式也進行了重大改進。在此基礎(chǔ)之上，通過水（汽）門對原動機轉(zhuǎn)矩的控制，可以顯著

63、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]。</p><p>　　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)模型進行研究。</p><p>　　水輪發(fā)電機水門調(diào)節(jié)的基本任務(wù)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(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(zhuǎn)速（或頻率）

64、在規(guī)定的范圍以內(nèi)。</p><p>　　水輪機水門調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個水、機、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，它使得水輪機水力矩不能立即響應(yīng)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(zhuǎn)動慣性，這些都對水輪機調(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。</p><p&g

65、t;　　早期的水輪機水門調(diào)節(jié)方式是根據(jù)機組轉(zhuǎn)速的偏差進行比例調(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為基礎(chǔ)的自適應(yīng)式調(diào)速器，試圖保持水輪機調(diào)速器處于最佳運行狀態(tài)。但是，上述各種調(diào)速器都是基于水輪發(fā)電機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(diào)節(jié)規(guī)律則十分必要。

66、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]。</p><p>　　1.2.3 FACTS控制</p><p>　　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

67、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。圖1.2利用兩個互聯(lián)系統(tǒng)間功率潮流的控制概括了FACTS技術(shù)的基本原理[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。</p><p&

68、gt;　　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(shù)的趨勢則是不爭的事實。當然，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

69、些條件可概括為輸電網(wǎng)運行的需要、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)品的研制和運行經(jīng)驗的積累等四個方面。</p><p>　　圖1.2 主要輸電型FACTS控制器功能示意圖</p><p>　　Fig. 1.2 Function block of primary transmission type FACTS controller</p>

70、;<p>　　FACTS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)電最大負荷為100%，則無功總需要約為120-140%，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

71、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(chǎn)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(xiàn)無疑也為動態(tài)無功功率補償及抑制振蕩提

72、供了新的有效手段。</p><p>　　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、配電系統(tǒng)中應(yīng)用或研究的電力電子裝置如圖1.3所示。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

73、）、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(shè)計研究則是理論工作者關(guān)注的熱點之一。</p><p>　　圖1.3 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</p><p>　　Fig. 1.3 Some powerelectronic d

74、evices applied or studied in power generation, transmission and distribution systems</p><p>　　FACTS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

75、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(jié)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(yīng)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(chǎn)生嚴重的影響。</p><p>　

76、　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。</p><p>　　可控串聯(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(yīng)用潛力很大。裝設(shè)在輸電線路的中點，由于它正常運行狀態(tài)

77、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。</p><p>　　先進的靜止無功發(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

78、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(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(yīng)速度快等優(yōu)點得到

79、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)投入實際運行。 </p><p>　　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。</p><p>　　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)定性的影響如表1.1。&l

80、t;/p><p>　　表1.1 幾種FACTS裝置對穩(wěn)定性的影響[10, 11]</p><p>　　Table 1.1 Influence of FACTS devices on Stability</p><p>　　注：* 影響小，** 影響中，*** 影響大</p><p>　　1.2.4 負荷頻率控制</p><p

81、>　　電力系統(tǒng)的負荷是經(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(diào)節(jié)器閥門位置增量變化、及電壓角度增量變化。 </p><p>　　文[13]提出了基于黎卡提公式的魯棒負

82、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(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)方法對負荷頻率控制進行了研究。</p><p>　　1.2.5 協(xié)調(diào)/綜合控制</p><p>　　協(xié)調(diào)控制是提

83、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。它們可以在不切機的情況下，從根本上提高機組與電網(wǎng)的穩(wěn)定運行水平。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)。</p><p>　　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

84、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(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)電容補償引起的機電扭振互作用造成軸系扭振破壞；由于變壓器分接頭調(diào)節(jié)不合理，在動態(tài)過程中起壞作用，而造成電壓穩(wěn)定性破壞和系統(tǒng)崩潰；由于快速勵磁的應(yīng)用，在重負荷輸電線上引起功率振蕩，造成線路跳閘和大面積停電等[18]。</p><p>　　電力系統(tǒng)的各種控制器都是為了完成一定的控制目標而設(shè)計的，如電力系

85、統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）是為了抑制系統(tǒng)的低頻振蕩、發(fā)電機的勵磁控制是為了保持機端電壓恒定、汽門控制是為了提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、可控串聯(lián)補償（TCSC）是為了提高輸電線路的傳輸能力和改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靜止無功補償器（SVC）是為了提高安裝點的電壓特性等。一般情況下，各個控制器單獨運行時都能夠達到設(shè)計要求，但是進一步的研究表明當多個控制器共同作用時，目前大多數(shù)分散控制器都是孤立設(shè)計出來的，沒有慮及與系統(tǒng)其它部分的關(guān)聯(lián)作用和交互影響，結(jié)果只能改善局

86、部控制性能，對系統(tǒng)其它部分的性能好處甚微，甚至可能由于各種控制器之間無法協(xié)調(diào)而造成系統(tǒng)的全局性能惡化；同時由于各個控制器的控制目標不同，因此共同作用時可能會相互影響，嚴重時甚至會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如PSS是為了抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，但當多個PSS共同作用而參數(shù)不合理時，可能反而降低系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，出現(xiàn)新的、更大范圍的低頻振蕩。因此，如何減小各控制器之間的相互影響，解決各控制器之間的協(xié)調(diào)問題，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性將會受到更多的關(guān)注。如勵磁汽

87、門的綜合控制、勵磁與各種FACTS裝置的協(xié)調(diào)控制及FAC</p><p>　　1.3 主要研究方法</p><p>　　現(xiàn)代電力系統(tǒng)是具有多種運行方式和干擾方式、既有連續(xù)控制又有斷續(xù)控制的多種控制器、分層和就地分散控制的非線性動態(tài)大系統(tǒng)。被測量和控制的狀態(tài)量在空間分布上可以相距上千公里，動態(tài)過程的時間分布可以由數(shù)十毫秒到數(shù)十分鐘。用現(xiàn)代控制理論解決這樣復(fù)雜動態(tài)大系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題，需要面臨

88、一系列的問題[11]。</p><p>　　如何保證和提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是從多個方面進行考慮的。在系統(tǒng)規(guī)劃階段應(yīng)合理選擇發(fā)電廠廠址，采用合理的輸電方案以及配置相應(yīng)的保護和自動裝置等。在運行管理方面，控制中心對運行方式的良好安排也有助于保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；在線動態(tài)安全評價，通過對發(fā)生預(yù)想事故后系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進行分析，可以為在線進行預(yù)防性控制提供依據(jù)。而嚴重故障后的緊急控制措施可將由于安全性破壞而對系統(tǒng)造

89、成的影響減小到最低程度。當系統(tǒng)遭受擾動后，改善和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性最經(jīng)濟有效的方法之一就是對相關(guān)部件施加有效的控制手段。對電力系統(tǒng)采用模型的不同可采取不同的方法。</p><p>　　1.3.1 基于電力系統(tǒng)線性模型的研究</p><p>　　對于電力系統(tǒng)的線性模型，可以應(yīng)用各種成熟的線性系統(tǒng)理論，如極點配置、線性最優(yōu)（LQR）、線性二次高斯方法（LQG）、變結(jié)構(gòu)方法、線性H∞控制、自適應(yīng)

90、控制、魯棒控制等來進行控制器的設(shè)計．這里的線性模型是指將非線性模型在某一點處作泰勒展開即進行局部線性化而得到的。</p><p>　　這種采用在某一點處近似線性化模型作為設(shè)計依據(jù)的控制方式盡管大大改善了電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，但對暫態(tài)穩(wěn)定性沒有明顯改善。當電力系統(tǒng)遭受大干擾使實際的運行點偏離設(shè)計所選的平衡點較大繼而產(chǎn)生較大幅值的振蕩時，控制效果就會減弱。如能采用其他線性化方法，例如偽線性化方法，尋找一個與平衡點無關(guān)

91、的系統(tǒng)的切模型，根據(jù)此模型設(shè)計的控制能夠適合不同的平衡操作點。</p><p>　　文［22～24］基于H∞最優(yōu)控制設(shè)計了具有較強魯棒性的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）；文[25，26]考慮了系統(tǒng)參數(shù)不確定性，應(yīng)用LQG及降低靈敏度方法分別進行了單機及多機系統(tǒng)的AVR和PSS的協(xié)調(diào)控制；文[27]使用結(jié)構(gòu)奇異值方法（綜合）設(shè)計了SVC魯棒控制器，仿真表明該控制器提供了快速穩(wěn)定的電壓調(diào)節(jié)；而文[28]則基于H∞混合靈敏度

92、優(yōu)化控制進行了SVC魯棒控制器的設(shè)計；文[29]運用基于H∞優(yōu)化技術(shù)的模型匹配魯棒性方法，設(shè)計了TCSC阻尼控制器，該方法簡化了權(quán)重矩陣的選擇。文[30]討論了應(yīng)用LQG方法設(shè)計魯棒TCSC控制器的過程；文[31]對一個互聯(lián)電力系統(tǒng)使用部分輸出反饋提出了修改的最優(yōu)控制器，該方法避免了權(quán)重矩陣選擇的困難，可將機電和勵磁方式轉(zhuǎn)移到一個預(yù)先指定的垂直帶。 </p><p>　　1.3.2 基于電力系統(tǒng)非線性模型的設(shè)計&

93、lt;/p><p>　　電力系統(tǒng)正常運行調(diào)節(jié)及小干擾穩(wěn)定控制不必考慮非線性特性，用線性化模型及線性最優(yōu)控制和多機系統(tǒng)分散最優(yōu)控制設(shè)計控制器已足夠。僅在考慮大干擾作用的暫態(tài)穩(wěn)定控制時才需考慮非線性影響。分散最優(yōu)控制是通過系統(tǒng)非線性模型校核來適應(yīng)非線性影響的。迄今國內(nèi)外對電力系統(tǒng)非線性控制已作了不少有益的工作。用反饋線性化及用微分幾何法處理平滑非線性（如正弦非線性）均行之有效，而且已經(jīng)證明在簡單系統(tǒng)中兩者的控制器解析表達

94、是相同的。像勵磁頂值、開度限制和乒-乓特性等電力系統(tǒng)中普遍存在的強非線性問題，用非線性變結(jié)構(gòu)控制、用李雅普諾夫函數(shù)法考慮控制量的限幅約束，使該問題的解決又向前推進了一步。</p><p>　　通常對非線性系統(tǒng)進行控制主要有兩大類處理方法：</p><p>　?。?）直接應(yīng)用非線性控制理論的結(jié)果，如Lyapunov直接法、無源系統(tǒng)理論、非線性H∞控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制等；</p&g

95、t;<p>　　i）Lyapunov直接法。Lyapunov直接法（第二法）由于直接考慮了系統(tǒng)的非線性特性，且物理概念清晰，在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的分析及控制器的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。文[32，33]分別研究了基于Lyapunov直接控制方法設(shè)計的非線性SVC和勵磁最優(yōu)控制器；文[34]基于Lyapunov直接控制方法研究了非線性勵磁最優(yōu)控制器，數(shù)字仿真和基于微機實現(xiàn)的控制裝置驗證了所提出控制規(guī)律的有效性；文[35]應(yīng)用Ly

96、apunov直接法中的能量函數(shù)法（即采用能量型的Lyapunov函數(shù)）分別設(shè)計了多機系統(tǒng)的勵磁控制器，仿真表明有效改善了系統(tǒng)的靜穩(wěn)及暫穩(wěn)特性；文[36]將基于Lyapunov直接控制方法設(shè)計的機械功率控制、勵磁控制與傳統(tǒng)的PSS控制進行了比較；文[37]基于系統(tǒng)非線性模型，設(shè)計了全局魯棒自適應(yīng)控制器，并使用Lyapunov直接法證明了該控制器的魯棒性。</p><p>　　Lyapunov直接法主要是用于電力系統(tǒng)

97、規(guī)劃，不適用于高階大型電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的研究。</p><p>　　ii)無源系統(tǒng)理論。從無源系統(tǒng)的角度看，李函數(shù)的構(gòu)造過程正是使系統(tǒng)無源化的過程，此時的 Lyapunov函數(shù)正是保證系統(tǒng)無源性的存儲函數(shù)。只不過，Lyapunov意義下的穩(wěn)定是指無外部激勵條件下系統(tǒng)廣義能量的衰減特性，而無源性是指系統(tǒng)有外界輸入時的能量衰減特性。文[38]基于無源系統(tǒng)無源優(yōu)化控制方法，針對單機無窮大系統(tǒng)（SMIB）構(gòu)造了非線性最優(yōu)

98、勵磁控制器，仿真結(jié)果證明了該控制器的有效性；系統(tǒng)無源性是耗散性的特例,文[39]基于耗散系統(tǒng)理論進行了電力系統(tǒng)低頻振蕩的研究及PSS的設(shè)計。</p><p>　　iii) 非線性H∞控制。非線性H∞控制是80年代提出的一種魯棒控制理論。其實質(zhì)是干擾抑制問題。由該方法設(shè)計的控制器不僅能有效處理系統(tǒng)模型的不確定性問題，而且能充分減弱外界干擾對系統(tǒng)輸出的影響。非線性H∞控制的問題可以歸結(jié)為求解HJI不等式，但目前尚無有

99、效的解析求解方法。文[40]在相關(guān)假設(shè)及四個邊界函數(shù)的限定下使用非線性H∞控制進行了勵磁控制器的設(shè)計。</p><p>　　iv)遞推方法。為避開求解HJI不等式的困難，文[41～43]針對H∞領(lǐng)域中的非線性L2增益干擾抑制問題，通過對耗散不等式的遞推設(shè)計，分別構(gòu)造出勵磁系統(tǒng)、靜止移相器及ASVG的存儲函數(shù)，從而得到非線性H∞控制器；文[44]針對含有未知參數(shù)的勵磁系統(tǒng)，同樣基于遞推方法構(gòu)造出全系統(tǒng)的Lyapun