發(fā)布時(shí)間：2016-06-25 22:25

1  緒論 

1.1  電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的背景及意義
電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等部分構(gòu)成的電能的生產(chǎn)與消耗的系統(tǒng)。它是用來(lái)將一次能源通過(guò)各種電力裝備轉(zhuǎn)化成人們生產(chǎn)、生活所需要的電能。之后經(jīng)過(guò)電力線路的傳輸，將電能分配到相應(yīng)的負(fù)荷中心。最終，通過(guò)電力設(shè)備的轉(zhuǎn)換變成熱能、光能、機(jī)械能等，為各個(gè)地方的經(jīng)濟(jì)和人民生活服務(wù)。電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的非線性系統(tǒng)，它包括發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路和負(fù)荷等一系列電氣一次裝置以及相應(yīng)的繼電保護(hù)電氣二次裝置。 近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，電力能源的消耗也在急劇上升，高電壓、大容量電網(wǎng)正在逐步形成。因此，電力系統(tǒng)的的穩(wěn)定性控制受到越來(lái)越多人的重視[1-3]。在開(kāi)始時(shí)，人們從兩方面來(lái)分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括靜態(tài)穩(wěn)定分析和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定分析，其中靜態(tài)穩(wěn)定（Steady-State Stability）指系統(tǒng)受到小干擾后，保持所有運(yùn)行參數(shù)接近正常值的能力。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定（Dynamic Stability）指系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)后，，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)到正常值的能力。2004 年 8 月，人們重新制定了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義和分類(lèi)，即將電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分成了三類(lèi)：功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定以及電壓穩(wěn)定[4]。所謂的功角穩(wěn)定主要是用來(lái)表征電力系統(tǒng)在受到外界干擾時(shí)維持同步的能力。頻率穩(wěn)定是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，由于負(fù)荷的突然變大或減小從而引起發(fā)電機(jī)的有功不足或過(guò)剩導(dǎo)致系統(tǒng)不平衡時(shí)，能保證頻率在額定值上下且偏移在一定范圍內(nèi)的能力。電壓的穩(wěn)定性表征電力系統(tǒng)開(kāi)始是在給定的初始條件下運(yùn)行，當(dāng)遇到電力系統(tǒng)出現(xiàn)大的故障或者受到外界的擾動(dòng)時(shí)，各個(gè)等級(jí)母線電壓維持穩(wěn)定的能力[5]。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，不僅有很多不同的控制目標(biāo)，還有無(wú)數(shù)個(gè)不同的控制方法。電力系統(tǒng)的分析針對(duì)的是高階的、非線性系統(tǒng)。每一次系統(tǒng)的大事故，都使人們加深了對(duì)電力系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，然而每一次事故都伴隨著巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此我們應(yīng)該盡可能的從事故中，挖掘新知識(shí)，積累經(jīng)驗(yàn)。在 1996 年的 7 月 2 日美國(guó)西部電力系統(tǒng)大停電事故中[6]，由剛開(kāi)始吉姆布端幾（Jim  Bridger）電廠至金姆波特（Kimport）345KV 線路單相接地，由于線路繼電保護(hù)誤動(dòng)，并行的三回 345KV 輸電線切除，接著吉姆布端幾電廠發(fā)電機(jī)亦跳閘，造成愛(ài)達(dá)荷州（Idaho）南部地區(qū)，缺乏大量無(wú)功功率及有功功率，于是從西部俄瑞岡州（Oregon）及東北部蒙大拿州（Montana），送入大量無(wú)功功率和有功功率，造成西部主聯(lián)絡(luò)線電壓下降，并先后使得蒙大拿州（Montana）至愛(ài)達(dá)荷州（Idaho）及俄瑞岡州（Oregon）至愛(ài)達(dá)荷州（Idaho）的兩回 230KV 輸電線，因過(guò)負(fù)荷而先后切除，于是愛(ài)達(dá)荷州南部電壓嚴(yán)重下降，從而引起一系列的線路、發(fā)電機(jī)切除，事故擴(kuò)大到整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致 150 萬(wàn)~200 萬(wàn)用戶(hù)停電。
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1.2  電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制對(duì)象的概述 
電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制對(duì)象包括勵(lì)磁控制和汽門(mén)控制。早在 20 世紀(jì) 60 年代，人們就提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器技術(shù)的概念。這項(xiàng)技術(shù)是指通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[7-10]，當(dāng)時(shí)基于這種技術(shù)的研究就已經(jīng)取得了一定的成就。后來(lái)，中國(guó)在這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)推廣方面，進(jìn)行了出色的工作，使中國(guó)在這項(xiàng)技術(shù)上接近了國(guó)際水平。目前，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁研究已經(jīng)成為提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的必選手段。 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)包括勵(lì)磁電源和勵(lì)磁裝置兩部分構(gòu)成。其中勵(lì)磁電源是指勵(lì)磁變壓器或者勵(lì)磁機(jī)，而勵(lì)磁裝置是用來(lái)控制和調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的電氣調(diào)控裝置。在實(shí)際正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)不僅能夠提供電力系統(tǒng)所需要的有功功率，而且還是無(wú)功功率的主要來(lái)源。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的主要組成部分，在維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面有很大的作用。一旦電力系統(tǒng)發(fā)生故障，負(fù)荷急劇變化，此時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置來(lái)改變勵(lì)磁電流，維持發(fā)電機(jī)的極端電壓在給定的范圍內(nèi)，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，勵(lì)磁裝置還會(huì)有強(qiáng)行增磁、減磁、以及滅磁功能，來(lái)減小故障損失。從不同的勵(lì)磁電源方面考慮.
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2  考慮約束的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和汽門(mén)開(kāi)度的協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì)

2.1  引言
近幾年，電力行業(yè)的迅速發(fā)展，科學(xué)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，使得人們的生活水平得以不斷提高，快速上升的用電需求讓電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究越來(lái)越受關(guān)注。目前，我們國(guó)家的超高壓電網(wǎng)正在逐步形成，電力網(wǎng)絡(luò)變得日益復(fù)雜，因此對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制研究也得到了越來(lái)越多人的重視[39]。之前，在世界各地發(fā)生過(guò)的許多大的停電事故，不僅造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失，而且人員傷亡也極其慘重，這也使得世界各國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求越來(lái)越嚴(yán)格。發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性控制手段包括勵(lì)磁控制和汽門(mén)開(kāi)度控制，但是僅僅依靠其中一種控制手段已經(jīng)不能很好地提高其穩(wěn)定性，很難達(dá)到我們理想的穩(wěn)定目標(biāo)，因此許多人考慮將兩種控制對(duì)象相結(jié)合，通過(guò)勵(lì)磁與汽門(mén)開(kāi)度系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制來(lái)達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。 電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制不僅很好地解決了系統(tǒng)中負(fù)荷隨機(jī)變化或者存在外界干擾時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，并且對(duì)于發(fā)電機(jī)組的功角穩(wěn)定問(wèn)題也具有重要作用。因此針對(duì)發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制的必要性，人們提出了大量的控制策略[40-44]：文獻(xiàn)[40]研究的是單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)的四階數(shù)學(xué)模型，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè) Lyapunov 函數(shù)，使得系統(tǒng)在勵(lì)磁電壓的控制下，系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)到平衡點(diǎn)。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)存在干擾或者發(fā)生三相短路時(shí)，系統(tǒng)仍舊能夠保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，證明了設(shè)計(jì)的非線性魯棒勵(lì)磁控制器在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面相對(duì)于傳統(tǒng)的方法比較可靠。文獻(xiàn)[41]研究的是考慮了存在不確定參數(shù)和外部干擾時(shí)的電力系統(tǒng)，利用非線性 backstepping 控制方法，分步構(gòu)造了閉環(huán)系統(tǒng)的 Lyapunov 函數(shù)，使每一階系統(tǒng)均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而得到全局穩(wěn)定目標(biāo)，進(jìn)而得到具有抑制干擾的反饋控制器。文獻(xiàn)[42]將控制對(duì)象設(shè)置為 TCSC 和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)相結(jié)合，先將非線性電力系統(tǒng)進(jìn)行線性化，再針對(duì)線性化后的模型，采用滑�？刂评碚撛O(shè)計(jì)控制器，最終使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。在文獻(xiàn)[43]中，作者選取的是五階電力系統(tǒng)模型，先將非線性系統(tǒng)進(jìn)行了線性化，再通過(guò)選用基于 Lyapunov函數(shù)的滑模變結(jié)構(gòu)方法設(shè)計(jì) SVC、勵(lì)磁、汽門(mén)開(kāi)度的協(xié)調(diào)滑�？刂破鳌Ｗ詈蟮姆抡鎸�(shí)驗(yàn)表明，文章中設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制器相對(duì)于傳統(tǒng)的控制器和非線性最優(yōu)控制器具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒性。 
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2.2  系統(tǒng)描述
本文基于單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)模型，對(duì)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁與汽門(mén)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。針對(duì)圖 2.1 所示的單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)，在系統(tǒng)發(fā)生故障到恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓從而改變系統(tǒng)的電磁功率維持端電壓不變，同時(shí)發(fā)電機(jī)的高壓缸主調(diào)節(jié)汽門(mén)通過(guò)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械功率，最終獲得發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。因?yàn)樵趯?shí)際的電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通常要求發(fā)電機(jī)的運(yùn)行頻率在 50Hz±0.2~0.5Hz 的范圍內(nèi)，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度也是有限制的，本章采用非線性 backstepping 控制方法，根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性定理，通過(guò)在設(shè)計(jì)過(guò)程中加入一個(gè)帶約束的函數(shù)，此函數(shù)是基于虛擬控制變量的函數(shù)，因此將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在限定范圍內(nèi)。最終推導(dǎo)出實(shí)際的控制律，即通過(guò)調(diào)節(jié)控制勵(lì)磁電壓和汽門(mén)開(kāi)度量，最終使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。 
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3  基于改進(jìn)的 backstepping 方法設(shè)計(jì)勵(lì)磁與汽門(mén)開(kāi)度的協(xié)調(diào)控制器 .......... 18 
3.1  引言 ..... 18 
3.2  基于改進(jìn)的 backstepping 方法的協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì) ....... 19
3.3  主要結(jié)果及仿真研究 ..... 22 
3.4  本章小結(jié) .... 26 
4  發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁與汽門(mén)開(kāi)度的協(xié)調(diào)自適應(yīng)狀態(tài)約束控制器設(shè)計(jì) .......... 28 
4.1  引言 ..... 28
4.2  狀態(tài)約束自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制器設(shè)計(jì) ...... 30
4.3  自適應(yīng)魯棒?H 控制器設(shè)計(jì) ......... 39
4.4  本章小結(jié) .... 47 
5  結(jié)論 ........ 48 

4  發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁與汽門(mén)開(kāi)度的協(xié)調(diào)自適應(yīng)狀態(tài)約束控制器設(shè)計(jì) 

4.1  引言 

社會(huì)的不斷進(jìn)步使得電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出大規(guī)模、高電壓和強(qiáng)復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求也愈來(lái)愈高，因此越來(lái)越多的學(xué)者將他們關(guān)注的焦點(diǎn)放在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的研究上。電力系統(tǒng)具有一個(gè)很大的特點(diǎn)：強(qiáng)非線性性。因而針對(duì)這種非線性控制系統(tǒng)人們也提出了很多控制方法。但是許多需要控制的動(dòng)力系統(tǒng)都具有常值或者慢變不確定參數(shù)，電力系統(tǒng)中的負(fù)荷會(huì)因?yàn)樵S多原因發(fā)生大的變化，因此電力系統(tǒng)同時(shí)又是不確定性系統(tǒng)，存在著各種干擾和位置參數(shù)。想要設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的控制器，就必須將不確定性因素在系統(tǒng)中的影響研究在內(nèi)，設(shè)計(jì)出不確定參數(shù)的替換率，從而達(dá)到自適應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行目的。目前針對(duì)存在外部干擾和不確定性參數(shù)的電力系統(tǒng)，人們已經(jīng)進(jìn)行了很多研究。文獻(xiàn)[49]概括歸納了在電力系統(tǒng)中考慮不確定參數(shù)時(shí)的各種自適應(yīng)方法的應(yīng)用，包括參數(shù)自適應(yīng)、魯棒自適應(yīng)以及智能化自適應(yīng)控制方法。其中參數(shù)自適應(yīng)只是針對(duì)系統(tǒng)中僅僅含有不確定參數(shù)時(shí)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的，而魯棒自適應(yīng)除了可以應(yīng)用參數(shù)不確定系統(tǒng)還可以應(yīng)用于存在其他外界干擾時(shí)的系統(tǒng)。智能化自適應(yīng)控制相對(duì)于前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是：它可以在沒(méi)有系統(tǒng)模型的情況下，僅根據(jù)一些控制目標(biāo)可控制量，通過(guò)大量的控制經(jīng)驗(yàn)的積累來(lái)最終控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[50]選取單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)模型的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)中電抗和無(wú)窮大母線電壓變化時(shí)，設(shè)計(jì)的一種基于 STF的勵(lì)磁控制器，設(shè)計(jì)過(guò)程采用了參數(shù)自適應(yīng)控制方法，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)得知參數(shù)值，根據(jù)參數(shù)的變化而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而獲得良好的控制效果。文獻(xiàn)[51]考慮了不確定因素（發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)）存在時(shí)的電力系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程采用了自適應(yīng)控制方法結(jié)合上干擾抑制理論，不僅有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且在功角和頻率的暫態(tài)響應(yīng)性能上也大有改善。文獻(xiàn)[52]基于發(fā)電機(jī)三階模型，通過(guò)坐標(biāo)變換，利用反步法設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制方案，設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了發(fā)電機(jī)阻尼系數(shù)、d 軸同步電抗和暫態(tài)電抗不確定時(shí)，最終仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。

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結(jié)論

近幾年，我國(guó)在電力行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也變得日益復(fù)雜。隨著電力等級(jí)的不斷提高，大機(jī)組、高電壓、強(qiáng)耦合的電力系統(tǒng)特征不斷凸顯，相應(yīng)的電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和互聯(lián)性加強(qiáng)。一旦出現(xiàn)大的電路故障，如果不能及時(shí)的控制，很可能會(huì)造成大規(guī)模的損失和無(wú)法計(jì)量的傷害。因此為了能夠更加有效地管理和調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)，人們對(duì)于其穩(wěn)定性的研究也變得越來(lái)越多。 勵(lì)磁系統(tǒng)可以用來(lái)控制端電壓，而汽門(mén)開(kāi)度是用來(lái)控制電力系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率，這兩個(gè)研究對(duì)象是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的兩個(gè)主要方面，它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中至關(guān)重要，本文就從這兩個(gè)方面入手，將發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)和汽門(mén)控制系統(tǒng)兩者結(jié)合起來(lái)，通過(guò)利用非線性的backstepping控制方法加上Lyapunov穩(wěn)定性定理來(lái)進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)與汽門(mén)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制器的研究設(shè)計(jì)。 本論文主要就以下幾部分內(nèi)容展開(kāi)研究： 首先，論文選取了四階的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，將勵(lì)磁和汽門(mén)開(kāi)度作為控制對(duì)象，利用非線性backstepping方法和Lyapunov穩(wěn)定性理論直接方法進(jìn)行考慮狀態(tài)約束的協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)研究，由于在協(xié)調(diào)控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中并未對(duì)非線性電力系統(tǒng)進(jìn)行線性化，從而很好了保留了原來(lái)系統(tǒng)的非線性性，仿真驗(yàn)證了該控制器不僅在系統(tǒng)發(fā)生干擾和故障時(shí)能夠保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，而且保證了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度限定在設(shè)定的范圍內(nèi)。 接著，在考慮狀態(tài)約束的控制器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，又設(shè)計(jì)采用改進(jìn)控制方法的協(xié)調(diào)控制器，設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)加入一類(lèi) K 類(lèi)函數(shù)來(lái)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，由于 K 類(lèi)函數(shù)是關(guān)于誤差變量的函數(shù)，從而確保了系統(tǒng)的控制增益不會(huì)大幅增加。 之后，考慮到在實(shí)際運(yùn)行的電力系統(tǒng)中存在許多不確定因素從而引起系統(tǒng)模型中的參數(shù)也具有不確定性，通過(guò)利用自適應(yīng)方法和 backstepping 控制方法相結(jié)合，最終設(shè)計(jì)了參數(shù)替換率和控制輸入，得到新的誤差控制系統(tǒng)。通過(guò) MATLAB 仿真驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁與汽門(mén)系統(tǒng)狀態(tài)約束的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制器相對(duì)傳統(tǒng)的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制器在響應(yīng)速度和振蕩幅度方面效果較好。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：61532