非線性勵磁控制器設計-畢業(yè)論文

1、<p>　　×××電力大學畢業(yè)設計(論文)評定表</p><p>　　華 北 電 力 大 學</p><p>　　畢業(yè)設計(論文)任務書</p><p>　　所在院系 電力工程系 </p><p>　　專業(yè)班號 電自023 </p><p>　　學生

2、姓名 ××× </p><p>　　指導教師簽名 </p><p>　　審批人簽字 </p><p>　　畢業(yè)設計(論文)題目 非線性勵磁控制器設計 </p><p>　　年 月 日<

3、/p><p>　　一、畢業(yè)設計(論文)主要內(nèi)容</p><p>　　1、查閱文獻，撰寫文獻綜述和開題報告。</p><p>　　2、翻譯一篇相關(guān)外文文獻。</p><p>　　3、設計非線性勵磁控制器。</p><p>　　4、搭建非線性勵磁控制器的仿真模型并進行仿真。 </p><p>　　5、對

4、仿真結(jié)果進行分析并改進所涉及的勵磁控制器。</p><p><b>　　6、撰寫論文。</b></p><p><b>　　二、基本要求</b></p><p>　　1、查閱文獻數(shù)量達到15篇，文獻綜述字數(shù)不少于2000字。</p><p>　　2、學習、掌握電力系統(tǒng)勵磁控制的相關(guān)理論。</p

5、><p>　　3、掌握Matlab語言程序設計方法和仿真軟件使用。</p><p>　　4、掌握非線性理論在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中的應用。</p><p>　　5、設計的勵磁控制器必須達到較好的控制效果。</p><p>　　6、完成不少于3000字的外文文獻翻譯。</p><p>　　7、按要求完成論文的書寫并參加答辯。<

6、;/p><p>　　三、設計(論文)進度</p><p>　　設計(論文)完成時間： 2006年 6月 23日</p><p>　　設計(論文)答辯時間： 2006年 6月 24日</p><p><b>　　四、參考資料及文獻</b></p><p>　　1 商國才.電力系統(tǒng)自動化.天津大學出版社,

7、1999 </p><p>　　2 盧強,孫元章.電力系統(tǒng)非線性控制.科學出版社,1993 </p><p>　　3 姜玉憲等.控制系統(tǒng)仿真.北航出版社,1998

8、 </p><p>　　4 歐陽黎明.MATLAB控制系統(tǒng)設計.國防工業(yè)出版社,2001 </p><p>　　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 </p><p>

9、;　　6 熊光楞等.控制系統(tǒng)仿真與模型處理.科學出版社,1993 </p><p>　　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 </p><p>　　8 黃道平.MATLAB與控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真及CAD.化學工業(yè)出版社,2004

10、 </p><p>　　9 歐陽黎明.MATLAB程序設計與應用．高等教育出版社,2002 </p><p>　　10 陳在平.控制系統(tǒng)計算機仿真與CAD MATLAB語言應用.天津大學出版社,2001 </p><p>　　11 吳天明.MATLAB電力系統(tǒng)設計與分析.國防工業(yè)出版社,

11、2004 </p><p><b>　　五、附錄</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對國民經(jīng)濟建設有十分重要的意義，而改善與提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于控制。發(fā)電機勵磁控制可以穩(wěn)定機端電壓、分配無功、提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性

12、，在電力系統(tǒng)控制中占有很重要的地位。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。因此，為了尋求更優(yōu)控制性能，改進和完善非線性勵磁控制方法就具有重要的理論和實踐意義。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。</p><p>　　本文闡述了勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和控制方式的演變和非線性理論的基本理論；介紹了目前流行的各種非線性勵磁控

13、制設計方案。運用微分幾何法設計了一種非線性勵磁控制器。運用MATLAB中的Simulink通過搭建單機—無窮大系統(tǒng)模型進行仿真。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。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：勵磁控制，非線性系統(tǒng)，微分幾何法</p><p><b>　　Abstract</b></p>

14、;<p>　　It is very important to the stable operation of the electric power system for the national economy, but the key lie in control to improve and enhance the electric power system stable. The generator excitati

15、on control can stabilize the generator end voltage, divide the reactive power and raise the electric power system stability, so it is very important in the electric power system control. However the power system is a big

16、 nonlinear dynamic system, and has various indetermination factors, so man</p><p>　　This paper elaborates the structure and constitute of the excitation system and the development of the control method, and

17、the basic theories of nonlinear theories. This paper introduces various nonlinear excitation control design spread currently too. Made use of a differential calculus method to design a kind of nonlinear excitation contro

18、ller. I imitate the model pass to build a single machine- infinite bus system model in the Simulink of MATLAB .The calculator imitates a true result to expre</p><p>　　Key word: excitation control; nonlinear

19、system; differential calculus method目錄</p><p>　　摘要 ……………………………………………………………………………………………I</p><p>　　Abstract ………………………………………………………………………………………II</p><p>　　1 引言 …………………………………………………………………

20、………………………1</p><p>　　1．1 課題的提出 …………………………………………………………………………1</p><p>　　1．2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ……………………………………………………………………1</p><p>　　1．3 本文研究的工作 ……………………………………………………………………2</p><p>

21、　　2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng) ……………………………………………………………………………3</p><p>　　2．1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)介紹 ………………………………………………………………3</p><p>　　2．1．1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的概念 ………………………………………………………3</p><p>　　2．1．2 發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 …………………

22、……………………3</p><p>　　2．1．3 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的發(fā)展 ………………………………………………………3</p><p>　　2．1．4 勵磁系統(tǒng)的主要任務 …………………………………………………………4</p><p>　　2．1．5 對勵磁系統(tǒng)的基本要求 ………………………………………………………4</p><p>　　2．

23、2 發(fā)電機勵磁控制方式 ………………………………………………………………4</p><p>　　2．2．1 單變量控制 ……………………………………………………………………4</p><p>　　2．2．2 多變量控制 ……………………………………………………………………5</p><p>　　2．2．3 非線性控制 ……………………………………………………………

24、………5</p><p>　　2．2．4 智能控制 ………………………………………………………………………5</p><p>　　2．2．5 勵磁控制方式的比較 …………………………………………………………6</p><p>　　3 非線性理論 …………………………………………………………………………………7</p><p>　　3．1 概述

25、 …………………………………………………………………………………7</p><p>　　3．2 非線性勵磁控制所用的數(shù)學方法……………………………………………………8</p><p>　　3．2．1 非線性基本概念 ………………………………………………………………8</p><p>　　3．2．2 非線性基本理論 ……………………………………………………………10

26、</p><p>　　4非線性勵磁控制器設計 ……………………………………………………………………13</p><p>　　4．1 概述……………………………………………………………………………………13</p><p>　　4．2 非線性勵磁的發(fā)展歷程………………………………………………………………13</p><p>　　4．3 常見非線

27、性控制設計方案……………………………………………………………14</p><p>　　4．3．1 微分幾何方法…………………………………………………………………14</p><p>　　4．3．2 反饋無源性控制方案…………………………………………………………14</p><p>　　4．3．3 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論…………………………………………………………15&l

28、t;/p><p>　　4．3．4 高增益觀測器…………………………………………………………………15</p><p>　　4．3．5 Backstepping 方法……………………………………………………………15</p><p>　　4．4 非線性勵磁控制器設計………………………………………………………………15</p><p>　　4．4．1

29、 同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程 ……………………………………………………16</p><p>　　4．4．2 同步發(fā)電機輸出功率方程 ……………………………………………………18</p><p>　　4．4．3 同步發(fā)電機電磁動態(tài)方程 ……………………………………………………17</p><p>　　4．4．4 同步坐標系下的非線性勵磁控制規(guī)律 …………………………………

30、……18</p><p>　　5 非線性勵磁控制器的MATLAB 仿真 ……………………………………………………20</p><p>　　5．1 仿真環(huán)境………………………………………………………………………………20</p><p>　　5．2 仿真模型………………………………………………………………………………20</p><p>　　5

31、．3 結(jié)論……………………………………………………………………………………22</p><p>　　致謝……………………………………………………………………………………………24</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………………………………25附錄A ………………………………………………………………………………………26</p><p&

32、gt;　　附錄B ………………………………………………………………………………………32</p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1．1 課題的提出</b></p><p>　　電力是國民經(jīng)濟的命脈，隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力工業(yè)也取得了迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)日

33、趨復雜。這種大電力系統(tǒng)在取得較大技術(shù)經(jīng)濟效益的同時，也使得電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性問題變得更為嚴峻。</p><p>　　世界上很多大電力系統(tǒng)都曾發(fā)生過因局部系統(tǒng)故障導致全系統(tǒng)瓦解的重大停電故。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)濟損失約3.5億美元；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)濟損

34、失至少與50年經(jīng)濟調(diào)度工作取得的經(jīng)濟效益相當；而2003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，最長停電時間達到4天，嚴重影響了當?shù)氐暮娇蘸完懧方煌?、正常的科研、生產(chǎn)和居民生活，造成了每天多達300億美元的經(jīng)濟損失……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)、199

35、0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。這種大電網(wǎng)的穩(wěn)定性一旦遭到破壞造成的損失無疑是災難性的[1]。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。</p><p>　　提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)出路在于控制。目前，普遍應用于提高電力系統(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荷控制等。其中，發(fā)電機勵磁控

36、制是改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一項既有效又經(jīng)濟的措施。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]！</p><p>　　1．2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　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。70年代，美國GE公司在電壓偏差外再增一個輔助反饋

37、變量的控制方式，這個輔助反饋量可以是發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差Δω。，發(fā)電機頻率偏差Δf或發(fā)電機有功功率偏差ΔP。，為雙輸入控制系統(tǒng)，即PSS。</p><p>　　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。各反饋變量的增益系數(shù)是“線性二次型黎卡梯LQR問題”的解。以上方式對提高小干擾穩(wěn)定性有顯著效果。</p><p>　　電力系統(tǒng)是非線性動態(tài)系

38、統(tǒng)，但上述常規(guī)勵磁控制方式，附加PSS控制方式與線性最優(yōu)控制方式的設計方法都是將電力系統(tǒng)非線性狀態(tài)方程在某一特定運行方式下近似線性化。這種在某一特定狀態(tài)X0下被近似線性化的數(shù)學模型只是在實際運行狀態(tài)十分接近X0時才較準確。即當實際狀態(tài)偏離X0較遠時，近似線性化的數(shù)學模型不能正確表述實際控制系統(tǒng)，需要用非線性系統(tǒng)控制理論與方法設計電力系統(tǒng)控制器。</p><p>　　控制理論及其應用是單變量—多變量，線性—非線性這

39、樣的發(fā)展趨勢。</p><p>　　1．3 本文研究的工作</p><p>　　傳統(tǒng)的勵磁控制器是基于某一平衡點附近近似線性化模型來設計的。由于力系統(tǒng)是強非線性系統(tǒng)，當系統(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。本文應用非線性系統(tǒng)理論中的微分幾何法實施勵磁控制，達到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性和提高電壓精度的目的。</p><p><b>　　本文主要內(nèi)容如下

40、：</b></p><p>　　1）對勵磁方式及勵磁控制方式發(fā)展與現(xiàn)狀進行概述。</p><p>　　2）傳統(tǒng)的勵磁方式對電力系統(tǒng)這樣一個非線性系統(tǒng)的控制有很大局限性，因此本文討論了非線性勵磁控制，闡述非線性的基本概念和理論，介紹設計非線性勵磁控制器常用的方法。通過設計非線性勵磁控制器來研究其控制效果。</p><p>　　3）用MATLAB仿真觀察分析

41、控制效果。</p><p><b>　　2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)</b></p><p>　　2．1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)介紹</p><p>　　2．1．1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的概念</p><p>　　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備。為完成這一轉(zhuǎn)換，它本身需要一個直流磁場，產(chǎn)生這個磁場的直流電流稱為同步發(fā)

42、電機的勵磁電流，又稱為轉(zhuǎn)子電流。在電力系統(tǒng)中專門為同步發(fā)電機供應勵磁電流的有關(guān)機械設備，稱為同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)。</p><p>　　同步發(fā)電機的勵磁電流是電力系統(tǒng)無功功率的主要來源，所以發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的特性對電力系統(tǒng)運行的作用，無論是正常情況還是在事故情況下都是十分重要的。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)設備，該設備就是勵磁控制器。</p>

43、<p>　　2．1．2 發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)包括勵磁功率單元和勵磁控制器兩個部分[4]，整個勵磁控制系統(tǒng)則由勵磁功率單元、勵磁控制器和同步發(fā)電機構(gòu)成，如圖2—1所示：</p><p>　　圖2—1勵磁控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　勵磁功率單元主要負責向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，實質(zhì)上它是一個發(fā)

44、電機專用的可控直流電源。</p><p>　　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?？刂破髯罨镜墓δ芫褪钦{(diào)節(jié)同步發(fā)電機的機端電壓和無功功率。</p><p>　　2．1．3 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的發(fā)展</p><p>　　發(fā)電機勵磁系統(tǒng)經(jīng)歷了一個由初級到

45、高級的發(fā)展歷程。</p><p>　　早期，由于整流設備不能輸出很大的直流供發(fā)電機勵磁，發(fā)電機只好配用直流勵磁機。而那時半導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。</p><p>　　隨著半導體技術(shù)逐漸成熟，人們把它引入了發(fā)電機勵磁系統(tǒng)之中，誕生了半導體勵磁調(diào)節(jié)器。半導體勵磁調(diào)節(jié)器與直流勵磁機和交流勵磁機配用就誕生了半導體直流勵磁系統(tǒng)和半導體交流勵磁系

46、統(tǒng)。</p><p>　　隨著計算機技術(shù)的不斷成熟，人們研制了計算機勵磁調(diào)節(jié)器，又稱為數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器。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)。同時功率單元中各種交流電源和整流電路相配用，又產(chǎn)生了一些新的勵磁系統(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“自勵交流勵磁機靜止可控硅勵磁系統(tǒng)”。它勵交流勵磁機和旋轉(zhuǎn)不可控硅整流器相配用就產(chǎn)生了“它勵旋轉(zhuǎn)硅整流勵磁系

47、統(tǒng)”。</p><p>　　2．1．4 勵磁系統(tǒng)的主要任務</p><p>　　1） 維持發(fā)電機極端或系統(tǒng)中某一點的電壓水平。正常運行時隨著發(fā)電機負荷的變化，發(fā)電機端電壓將隨之變化，根據(jù)端電壓的變化情況調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，以保持發(fā)電機的端電壓為額定值或維持系統(tǒng)中的某一點的電壓保持在一定水平。</p><p>　　2） 并列運行發(fā)電機間無功功率的合理分配。當電氣距離

48、很近的多臺發(fā)電機在母線上并列運行時，由于各發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)中其它的無功電壓控制裝置的共同作用，使母線電壓變化很小。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。</p><p>　　3） 提高系統(tǒng)運行的靜態(tài)穩(wěn)定性和輸電線路的傳輸能力，改善系統(tǒng)的瞬時穩(wěn)定性。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。在故障情況下，調(diào)節(jié)器通過提高勵磁電壓，可使勵磁電壓上升到比額定

49、值大得多的數(shù)值（強勵），從而改善了瞬時穩(wěn)定。</p><p>　　4） 提高系統(tǒng)的動態(tài)響應特性。勵磁系統(tǒng)的應用可提高電力系統(tǒng)的阻尼特性，提高系統(tǒng)發(fā)生擾動后平息系統(tǒng)震蕩的能力。</p><p>　　5） 加速短路切除后的電壓恢復過程和改善異步電動機的啟動條件。發(fā)電機裝有自動勵磁調(diào)節(jié)器后，它能快速提高發(fā)電機的電壓，因而可以縮短電動機的自啟動的時間。</p><p>　　

50、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。發(fā)電機自同期并列或失磁進入異步運行時，將從系統(tǒng)吸收大量的無功功率，使系統(tǒng)電壓下降，嚴重時甚至能導致系統(tǒng)瓦解。</p><p>　　7） 防止水輪發(fā)電機突然甩負荷時的電壓升高。機組由于各種原因突然甩負荷時，隨著轉(zhuǎn)速的上升，發(fā)電機定子電壓可能上升到危險的程度。由于水輪發(fā)電機都裝有強行減磁裝置，可在機組突然減負荷時減少勵磁電流，可防止電壓過度升高。</p>

51、;<p>　　由此可見，勵磁控制器在電力系統(tǒng)中起著重要作用。</p><p>　　2．1．5 對勵磁系統(tǒng)的基本要求</p><p>　　1） 具有十分高的可靠性。</p><p>　　2） 保證發(fā)電機有足夠的勵磁容量。</p><p>　　3） 具有足夠的強勵能力。</p><p>　　4） 保證發(fā)電機電

52、壓調(diào)差率有足夠的調(diào)整范圍。</p><p>　　5） 保證發(fā)電機電壓有足夠的調(diào)節(jié)范圍。</p><p>　　6） 保證發(fā)電機勵磁自動控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)特性。</p><p>　　2．2 發(fā)電機勵磁控制方式</p><p>　　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

53、段。</p><p>　　2．2．1 單變量控制</p><p>　　單變量控制階段的控制規(guī)律是按發(fā)電機端電壓偏差的比例進行調(diào)節(jié)或的比例—積分—微分進行調(diào)節(jié)(PID調(diào)節(jié)方式)。運用古典控制理論建立按的比例進行的勵磁調(diào)節(jié)無法對控制對象進行精確的數(shù)學模型描述，對增益K的調(diào)整出現(xiàn)了矛盾。要使閉環(huán)系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，必須將增益K的值限制在一定范圍；而要提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度就得使增益K大于某一值，有時這

54、二者是無法滿足的。隨之，就誕生了PID調(diào)節(jié)方式，它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，它就相當于一臺可自動改變增益的比例式調(diào)節(jié)器。</p><p>　　2．2．2 多變量控制</p><p>　　為了進一步改善與提高電力系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)與小干擾穩(wěn)定性，多變量反饋的勵磁控制方式便逐步發(fā)展起來。具有代表性的方法就是增加了PSS環(huán)節(jié)的P

55、ID勵磁控制和LOEC（線性最優(yōu)勵磁控制）。</p><p>　　所謂PSS的控制方式，實際上是采用雙狀態(tài)變量的反饋控制方式，就是在勵磁調(diào)節(jié)器中除了用狀態(tài)量作為反饋量外再引入一附加鎮(zhèn)定參量。為了得到盡可能好的控制效果，所引的鎮(zhèn)定參量不是直接進行反饋于另一反饋量相加，而是經(jīng)過一定的校正環(huán)節(jié)后再與反饋量相加，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。PSS環(huán)節(jié)的存在，在其

56、參數(shù)設計和選取得比較合適的條件下，可使原有的PID控制系統(tǒng)主導特征值左移，起到改善電力系統(tǒng)阻尼特性和小干擾穩(wěn)定性的作用。</p><p>　　為了進一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及動態(tài)品質(zhì)，科學工作者提出了線性最優(yōu)勵磁控制方式，簡稱LOEC。這種控制規(guī)律比起PID十PSS具有明顯的優(yōu)勢。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)。第二，系統(tǒng)在偏離設計的

57、最優(yōu)運行狀態(tài)下的動態(tài)響應與設計的最優(yōu)運行狀態(tài)下的動態(tài)響應之間相差甚微。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。這種組合能夠保證系統(tǒng)在過渡過程中各狀態(tài)量對其穩(wěn)態(tài)值的平方誤差的積分最小，故其控制效果不受振蕩頻率的影響。第四，可使系統(tǒng)獲得高的微動態(tài)穩(wěn)定極限。</p><p>　　2．2．3 非線性勵磁控制</p><p>　　以上所述的前兩個階段中的勵磁控制方式，無論是PID、PSS還

58、是LOEC，都存在一個共同的問題，那就是勵磁控制器設計所依據(jù)的是電力系統(tǒng)某一特定狀態(tài)下近似線性化的數(shù)學模型，它們不可避免的存在一個共同缺點，當電力系統(tǒng)遭受大干擾使實際的狀態(tài)點偏離設計所選的平衡點較遠，繼而產(chǎn)生較大幅度的振蕩時，控制效果就會大大減弱。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。對于LOEC控制方式，其控制效果對于大干擾穩(wěn)定性的改善尚不能令人滿意。</p><p>　　

59、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。而長期困擾大家的是，即使建立了非線性勵磁控制的模型，由于沒有適用的數(shù)學工具來分析處理非線性系統(tǒng)使得非線性控制成了紙上談兵，而正如線性代數(shù)概念和方法的引入在單輸入單輸出及多變量線性系統(tǒng)方面所帶來的重大變革一樣，微分幾何方法的引入使得非線性控制的研究向?qū)嵱没~進了一大步，它可以將非線性系統(tǒng)經(jīng)過坐標變換轉(zhuǎn)換成線

60、性系統(tǒng)，這就使得人們可以利用成熟的線性系統(tǒng)最優(yōu)控制理論來分析解決非線性問題，值得一提的是由于我國著名電力系統(tǒng)及控制論專家盧強院士等人的不懈努力使我國在電力系統(tǒng)非線性控制領域居國際領先水平，并且在實際工程中對非線性勵磁控制進行了實際應用取得了不錯的效果。</p><p>　　2．2．4 智能勵磁控制</p><p>　　在發(fā)電機勵磁控制方面，人工智能也取得了豐碩成果。</p>

61、<p>　　自適應控制的思想產(chǎn)生于七十年代，當時稱為自調(diào)整調(diào)節(jié)(self-turned Regulator， STR)，八十年代初用于勵磁控制領域，主要思想是根據(jù)系統(tǒng)不同的運行情況，實時改變控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以達到在較大的運行制問題時，實時控制要求采樣間隔必須很小，否則無法跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，勵磁控制器的速度對于自適應控制來說是非常重要的。</p><p>　　模糊控制應用在勵磁控制領域中的研

62、究主要集中在設計模糊式電力系統(tǒng)穩(wěn)定器方面。在原有輔助信號的PSS基礎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，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。</p><p>　　從九十年代初開始，人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法(Artificial Neural Network Method, ANN)被應用于勵磁

63、控制領域。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。② ANN能夠模擬絕對的非線性系統(tǒng)。③ 可以通過使用樣本訓練ANN。在訓練過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡可以自動調(diào)整其權(quán)重，這樣ANN就可以學習到樣本中所包含的訓練系統(tǒng)的非線性動態(tài)特性了。ANN勵磁控制器的一個較大的問題就是學習過程相當煩瑣和復雜。如何解決這個問題是ANN能否應用于實際控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。</p&g

64、t;<p>　　雖然人工智能在勵磁控制領域的研究非常活躍，但只是仍停留在理論研究試驗階段，距實際應用還需要大量工作要做。</p><p>　　2．2．5 勵磁控制方式的比較</p><p>　　綜上所述，勵磁控制方式設計是采用不同的數(shù)學工具和不同的設計思想，就決定了其在系統(tǒng)運行中所起的作用也不相同，具有不同的控制特性。</p><p>　　以拉氏變換和

65、多項式為基礎以描述系統(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。但由于所用的數(shù)學工具決定其只能較好的實用于單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)，無法兼顧Pe、ω等其它量的調(diào)節(jié)性能。因此，這種單變量控制理論設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。</p><p>　　PSS這種多變量的勵磁控制方式，把電壓調(diào)節(jié)信道確認為

66、主要信道，是在電壓調(diào)節(jié)信道完成的情況下實現(xiàn)的。設計中考慮了電壓調(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。其能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)某一對應的較窄頻帶內(nèi)的震蕩具有較好的控制效果，但從理論上說并不能給出最佳的控制效果。并且由于其在設計和參數(shù)整定上的問題以及設計方法決定了其不能對多機系統(tǒng)見相互作用進行協(xié)調(diào)，所有這些都限制了PSS發(fā)揮其最佳效果。</p><p>　　采用線形最優(yōu)勵磁控制方法設計以提高

67、電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性為目標的多變量勵磁控制方式，同時確定發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)信道和其它附加勵磁控制信道的增益，沒有確定電壓調(diào)節(jié)信道的主導地位，只以權(quán)系數(shù)方法加以考慮，其結(jié)果雖然能滿足動態(tài)穩(wěn)定性的要求，但能否滿足電壓調(diào)節(jié)的要求還不能確定。并且在線形最優(yōu)勵磁控制設計中，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。</p><p>　　非線性勵磁調(diào)節(jié)器

68、從理論上講，比PSS+PID和線性最優(yōu)勵磁控制器具有更廣泛的系統(tǒng)穩(wěn)定控制域。</p><p>　　在人工智能應用于勵磁控制時，并不需要被控對象的精確數(shù)學模型，其控制效果是由控制規(guī)則及其對系統(tǒng)運行的自適應能力決定的。因此，從理論上講，可以設計出性能優(yōu)異、適應性強的勵磁控制器。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)的應用。<

69、/p><p><b>　　3 非線性理論</b></p><p><b>　　3．1 概述[6]</b></p><p>　　線性系統(tǒng)不僅在理論上己經(jīng)逐步完善，而且己經(jīng)成功地應用于各種工業(yè)控制問題之中。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。我們知道，大多數(shù)工程控制系統(tǒng)本質(zhì)上都是非

70、線性的，線性是在一定的范圍內(nèi)和一定的程度上對系統(tǒng)的近似描述，由于以前對控制系統(tǒng)的精度和性能要求較低，有一部分系統(tǒng)可以在基本滿足工程需要的條件下將其在某一平衡點處加以近似線性化，然后應用線性系統(tǒng)控制理論來設計控制方案。</p><p>　　控制理論發(fā)展到現(xiàn)在面臨著一系列的挑戰(zhàn)。最明顯的就是對象的本質(zhì)非線性，而且近代控制對象的運動是大范圍的，例如衛(wèi)星的定位與姿態(tài)控制，機器人控制，電力系統(tǒng)及精密數(shù)控機床的運動控制等，這

71、些都不可能采用線性模型。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。有許多非線性現(xiàn)象是無法用線性系統(tǒng)理論來刻畫的：</p><p>　　1） 有限逃逸時間：不穩(wěn)定的線性系統(tǒng)的狀態(tài)可能會在時間趨于無窮的時候也隨之趨向無窮大，但是非線性系統(tǒng)的狀態(tài)，可能會在有限的時間內(nèi)就趨向于無窮大。</p><p>　　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

72、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。很多的實際系統(tǒng)都存在多個孤立的平衡點，例如二進制邏輯電路中至少有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，化學反應動力學允許有多個平衡點等等，因此采用傳統(tǒng)的線性模型是無法來描述這些系統(tǒng)的。</p><p>　　3） 極限環(huán)：對于一個線性時不變系統(tǒng)，當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

73、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存在。因此，線性系統(tǒng)中參數(shù)的微小變化都將會破壞周期解的存在，引起系統(tǒng)的振蕩，而且系統(tǒng)振蕩的幅值還會和初始條件有關(guān).所以說有周期解的時不變系統(tǒng)對參數(shù)的變化不具有魯棒性實際上，穩(wěn)定的振蕩都是由非線性系統(tǒng)產(chǎn)生的，而且這些振蕩的振幅和頻率和系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān)，這類穩(wěn)定的振蕩被稱之為極限環(huán)。</p><p>　　4） 分頻諧波，諧波，或殆周期振蕩：一個穩(wěn)定的線

74、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。一個非線性系統(tǒng)在周期輸入的激勵下會以輸入頻率的因數(shù)或者倍數(shù)的頻率振蕩，有時甚至可能會產(chǎn)生一個殆周期振蕩。</p><p>　　5） 混沌：一個非線性系統(tǒng)可能有一個非常復雜的穩(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。這種行為被稱作混沌，也就是說一個確定的非線性系統(tǒng)，在一定條件下，其狀態(tài)會呈現(xiàn)出類似隨機的復雜現(xiàn)象，或者說一個描述非線性動態(tài)系統(tǒng)的確定的狀

75、態(tài)方程的解，在一定條件下呈現(xiàn)隨機性。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。</p><p>　　6） 多模式行為：同樣的非線性系統(tǒng)可能會表現(xiàn)出多樣的行為，一個沒有輸入的系統(tǒng)可能會有不只一個極限環(huán)一個非線性系統(tǒng)在不同頻率和幅值的輸入激勵下可能會出現(xiàn)諧波振蕩，分頻諧波振蕩或者更復雜的穩(wěn)定狀態(tài)行為，甚至在激勵輸入的幅值或頻率平滑變化時，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)不連續(xù)的跳躍行為。</p>

76、<p>　　近幾十年來非線性控制己經(jīng)成為控制領域的熱點話題，受到了國內(nèi)外控制界的普遍重視。同時，計算機以及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，也為我們實現(xiàn)各種復雜非線性控制算法奠定了理論基礎。很多的專家和學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)的文獻和書籍來記錄這一段時間以來的進展情況，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情況，同時針對一些有某些特性的系統(tǒng)，也有

77、很多新的結(jié)構(gòu)性的控制器設計方案被提出來穩(wěn)定整個系統(tǒng)。非線性控制理論正在不斷發(fā)展與完善中，它的應用前景也是非常廣闊的。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)困難和復雜的多，許多出現(xiàn)的具體方法都有其局限性不能成為分析和設計非線性控制系統(tǒng)的通用方法，非線性控制系統(tǒng)理論的研究中還有許多問題有待于進一步探討。</p><p>　　3．2 非線性勵磁控制所用的數(shù)學

78、方法</p><p>　　微分幾何法用于勵磁控制系統(tǒng)，很好的完成了系統(tǒng)精確線性化的過程，使我們可以利用非線性數(shù)學模型來描述勵磁控制系統(tǒng)，從而得到精確的結(jié)果，下面我們首先敘述一下非線性控制所需要的一些基本概念和基本理論： </p><p><b>　　3．2．1基本概念</b></p><p>　　1） 微分同坯：如果非線性坐標變換滿足：① 逆變

79、換存在且單值，② 變換同逆變換兼為光滑函數(shù)即任意階偏導數(shù)都是存在的，那么關(guān)系式Z=Φ(X)就是一個合格的坐標變換，同時該表達式Φ(X)被稱為兩個坐標空間之間的微分同坯。</p><p>　　2） 仿射非線性系統(tǒng)：非線性系統(tǒng)的壓縮形式可以表示為</p><p><b>　?。?—1）</b></p><p>　　這里為狀態(tài)向量，為控制量，和 為n

80、維函數(shù)向量。對于狀態(tài)向量X(t)是非線性的，但對于控制量卻是線性的關(guān)系。這種形式的非線性系統(tǒng)叫做仿射非線性系統(tǒng)。</p><p>　　3） 向量場的導出映射：設有一選定的以X為坐標的n維空間至以Z為坐標的同維空間的微分同坯映射中Φ：Z = Φ(X)，亦即</p><p>　　Φ： （3—2）</p><p>　　

81、同時有一X空間的向量場</p><p><b>　?。?—3）</b></p><p>　　若以表示的雅可比矩陣，即</p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　在空間映射下的導出映射定義為</p><p><b>　　（3—5）</b

82、></p><p>　　4） 李導數(shù)：給定向量的標量函數(shù)，即向量場</p><p><b>　　，以表示的運算：</b></p><p><b>　?。?—6） </b></p><p>　　該新標量函數(shù)定義為函數(shù)延沿向量場f (X)的導數(shù)，稱為李導數(shù)。</p><p&

83、gt;　　5）李括號：給定兩個向量場 和以或表示的按以下運算</p><p><b>　　（3—7）</b></p><p>　　得出一個新的向量場定義為對于的李括號。</p><p>　　6） 向量場集合的對合性：如果有個維向量場</p><p><b>　　（3—8）</b></p>

84、<p><b>　　若由它們組成矩陣</b></p><p><b>　　（3—9）</b></p><p>　　在X=X0 點處的秩為k，又若對每一整數(shù)和，，增廣矩陣 </p><p>　　在X=X0處的秩仍為k，則稱向量的集合</p><p>　　是對合的或具有對合性。</p

85、><p>　　7） 控制系統(tǒng)的關(guān)系度：給出一個單輸入單輸出的非線性系統(tǒng)</p><p><b>　?。?—10）</b></p><p><b>　　如果：</b></p><p>　　① 輸出函數(shù)對向量場的k階李導數(shù)對向量場g的李導數(shù)在的鄰域內(nèi)的值為0，即 對于所有在鄰域內(nèi)的</p>

86、<p>　?、?對的階李導數(shù)對的李導數(shù)在鄰不為0。即</p><p>　　則說系統(tǒng)在的鄰域中的關(guān)系度為。</p><p>　　3．2．2 非線性基本理論</p><p>　　1) 關(guān)系度的單輸入單輸出仿射非線性系統(tǒng)的線性化</p><p>　　關(guān)系度的情況下，所選定的坐標變換為</p><p><b&g

87、t;　?。?—11）</b></p><p>　　或可以寫成，此處要求為局部微分同坯，則以新的坐標系描述的動態(tài)系統(tǒng)為</p><p><b>　　（3—12）</b></p><p><b>　　輸出方程為 </b></p><p><b>　?。?—13）</b>

88、</p><p>　　式中的前個方程都是被線性化了的，且不顯含控制量只有最后一個顯含控制量的方程是非線性的。</p><p>　　2） 精確線性化的條件</p><p><b>　　給定一個系統(tǒng)：</b></p><p><b>　　（3—14）</b></p><p>　　

89、。這里，是控制變量，g (X)和f (X)都是維向量場。如果并且僅僅如果以下兩個條件成立：</p><p>　?、?矩陣，對于在附近的所有X，其秩不變且等于。</p><p>　?、?向量場集合在處是對合的。</p><p>　　那么，就必然存在一個函數(shù)，使得在處該系統(tǒng)的關(guān)系度r等于系統(tǒng)的階數(shù)n。于是，所給的系統(tǒng)可在的一個開集上被精確線性化為一個完全可控的系統(tǒng)。&l

90、t;/p><p>　　3） 非線性系統(tǒng)的線性化標準型</p><p>　　考慮系統(tǒng)（3—14），此處。其關(guān)系度。如果所選的坐標映射為</p><p><b>　?。?—15）</b></p><p><b>　　其中滿足關(guān)系</b></p><p><b>　?。?—1

91、6）</b></p><p>　　且在點處的雅可比矩陣是非奇異的，若令</p><p><b>　?。?—17）</b></p><p><b>　　以及</b></p><p><b>　?。?—18）</b></p><p>　　則原非線

92、性系統(tǒng)可轉(zhuǎn)化為以下形式，即</p><p><b>　　（3—19）</b></p><p>　　上式所表述的系統(tǒng)模型為標準型，為了得到這樣的標準型要解偏微分方程組，因此在使用中往往使用某種算法以避免直接求解這樣的方程組。</p><p>　　4非線性勵磁控制器設計</p><p><b>　　4．1 概述&l

93、t;/b></p><p>　　不僅電力系統(tǒng)是一個巨大的非線性系統(tǒng)，就是一個單獨的同步發(fā)電機環(huán)節(jié)也是非線性的。隨著控制理論的發(fā)展，直接采用對同步發(fā)電機運行中的任何擾動的動態(tài)過程都能得到精確描述的非線性模型來設計勵磁調(diào)節(jié)器己經(jīng)變成可能，即采用非線性的控制原理來進行勵磁控制。非線性控制的核心是將原系統(tǒng)經(jīng)過選定的坐標變換后，在所得到的新的可控的線性系統(tǒng)上求出非線性反饋。在這種理論體系中，非線性系統(tǒng)狀態(tài)反饋精確線性

94、化理論運用相對成熟。</p><p>　　目前，對于非線性勵磁控制設計，有兩種不同的思路，一種是僅從系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，一種是對前者的改進，兼顧了電壓調(diào)節(jié)精度，兩者都是運用微分幾何的方法將系統(tǒng)狀態(tài)方程精確線性化，從而得出控制規(guī)律。研究表明，僅考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性而設計出來的控制規(guī)律無法滿足機端電壓調(diào)節(jié)精度的要求。因此，實用的非線性勵磁控制器必須在原有基礎上進行改進，使之滿足電壓調(diào)節(jié)精度的要求。</p><

95、;p>　　本章接下來介紹一下常見非線性控制設計方案。</p><p>　　4．2 非線形勵磁的發(fā)展歷程</p><p>　　20 世紀90年代，文獻[7]論述了非線性控制理論在電力系統(tǒng)中的應用，推出了多機系統(tǒng)非線性勵磁控制規(guī)律。</p><p>　　在此之后許多學者提出比較合理的非線性勵磁規(guī)律。文獻[8]基于微分幾何方法給出了電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機非線性勵磁控制

96、規(guī)律的解析表達式。文獻[9]以單機無窮大系統(tǒng)為對象設計了輸入—輸出反饋線性化的非線性勵控制器，該控制器有精確的電壓跟蹤效果。文獻[10][11] 則是提出用模型預測控制理論設計勵磁控制器并推導出了含有有功功率、角速度和機端電壓偏差量的非線性預測控制規(guī)律。</p><p>　　采用發(fā)電機采用幾階模型合理呢？科學家們做了大量的工作。大部分同步發(fā)電機非線性控制器都是基于發(fā)電機三階簡化模型()，此時，選擇轉(zhuǎn)子相對角為控制

97、目標同步發(fā)電機可以實現(xiàn)輸入對狀態(tài)的精確線性化；若選發(fā)電機端電壓為控制目標，同步發(fā)電機只可以實現(xiàn)輸入對輸出部分精確線性化。文獻[12]將輸入對狀態(tài)反饋線性化方法應用于同步發(fā)電機控制。其中，發(fā)電機采取五階模型，又加入了勵磁電壓和機械功率作為控制量。文獻[13]主要證明了五階模型描述的發(fā)電機可以實現(xiàn)對狀態(tài)的精確線性化，以直軸次暫態(tài)電壓作為輸出，勵磁電壓作為輸入。研究表明，基于五階模型設計的控制器比基于三階簡化模型設計的控制器具有更大的穩(wěn)定運行

98、范圍。文獻[14]研究了基于發(fā)電機詳細模型(發(fā)電機七階，汽輪發(fā)電機二階)的多輸入多輸出的非線性控制器。該文選擇轉(zhuǎn)子相對角和發(fā)電機端電壓作為控制目標，汽輪發(fā)電機組汽門開度和勵磁電壓作為控制輸入，設計了部分反饋線性化控制器。理論上講，發(fā)電機模型的階數(shù)越高，勵磁控制器將具有更大的運行范圍。但是，其控制量的計算時間、測量參量的延時對系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的影響。</p><p>　　也有許多學者從控制的目標入手也做出了大量成果。

99、發(fā)電機勵磁控制有2個控制目標，即改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和滿足發(fā)電機端電壓的調(diào)節(jié)特性，這2個控制目標往往是相互矛盾的。大多數(shù)非線性勵磁控制器以控制發(fā)電機的功角為目標來提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [15]；非線性勵磁控制也被用于發(fā)電機的端電壓調(diào)節(jié)[16]；對同時考慮轉(zhuǎn)子相對角和端電壓調(diào)節(jié)的非線性協(xié)調(diào)控制也有研究 [17]。文獻[18]提出一種改進的非線性勵磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：即保留電壓反饋信號以保證電壓調(diào)節(jié)精度，非線性反饋補償作為一個附加控制，既保證了電

100、壓調(diào)節(jié)精度水平，又能夠利用非線性控制的優(yōu)越性來改善系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性。文獻[19]對各種非線性模型進行綜合，表明幾種模型具有等價控制和相同的控制效果。</p><p>　　考慮到電力系統(tǒng)的全局性，非線性在多機系統(tǒng)應用中逐漸廣泛。電力系統(tǒng)中實際存在的大多為多機電力系統(tǒng)，任何1臺發(fā)電機運行參變量的變化，或者電力網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的變化，都會在不同程度上引起每臺發(fā)電機輸出功率的相應改變，引起全系統(tǒng)潮流的相應變化，那么每個子系統(tǒng)僅僅

101、采用本子系統(tǒng)的狀態(tài)量或輸出量作為反饋量，而得到的卻是最大可能地改善全系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)的效果。文獻[20]用DFL方法設計了多機電力系統(tǒng)的解耦非線性勵磁控制器。該文獻指出，DFL方法不能直接得到解耦的多機電力系統(tǒng)的非線性勵磁控制規(guī)律，只能先設計1個DFL的補償器將非線性系統(tǒng)部分線性化，然后將系統(tǒng)的耦合等當作擾動，進一步采取魯棒控制。目前，幾乎所有基于DFL方法的控制器都采用這種方式。由于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題上具有全局性。隨著廣域測量技

102、術(shù)的深入研究運用，基于廣域測量的全局非線性勵磁由于引進某些全局信息，可進一步提高系統(tǒng)承受大干擾的能力[21]。</p><p>　　非線性控制理論正在不斷發(fā)展與完善中，非線性控制系統(tǒng)理論的研究中還有許多問題有待于進一步探討。</p><p>　　4．2 常見非線性控制設計方案</p><p>　　非線性系統(tǒng)的復雜性使得我們在尋找系統(tǒng)性的控制方案來達到控制目標時遇到了

103、極大的困難，很顯然面對著如此之多的非線性特性，我們不可能期望找到一種控制方案來來處理所有的非線性系統(tǒng)，一個控制工程師要做的是掌握一系列的分析和設計方法，當遇到具體的控制問題時，找到一種最適合的控制方案來。</p><p>　　針對不同的非線性特性，也有很多非線性控制方案被提了出來，在這里我們回顧幾種比較常用的非線性控制方案，微分幾何的方法描述了非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性；同時也對一類系統(tǒng)提供了一種反饋設計控制律的方法，

104、并且取得了較好的成果。</p><p>　　非線性控制在90年代有了一個突破，backstepping方法的出現(xiàn)，一種非線性系統(tǒng)的遞歸控制律設計方案。隨后又出現(xiàn)了自適應的、魯棒的和基于觀測器的backstepping方案。</p><p>　　4．2．1 微分幾何方法 </p><p>　　為了分析非線性動態(tài)系統(tǒng)，將系統(tǒng)置于微分流行上進行考慮，認為動態(tài)系統(tǒng)是定義在

105、流形上的向量場，應用微分流形上的向量場研究動態(tài)系統(tǒng)的方法，即為微分幾何法。微分幾何法為非線性系統(tǒng)反饋線性化的方法，應用于電力系統(tǒng)控制中解決許多實際的問題。它可以通過選擇合適的微分同坯坐標變換和非線性反饋，將原來的仿射非線性系統(tǒng)變換為線性系統(tǒng)。</p><p>　　4．2．2 反饋無源性控制方案</p><p>　　無源性和存儲函數(shù)的概念是從對電網(wǎng)絡和其它物理分支系統(tǒng)的研究中得到的，它從能

106、量耗散的角度定義了系統(tǒng)的性質(zhì)。由于它有著較深的物理意義以及和Lyapunov函數(shù)有著密切的聯(lián)系，因此在非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析中得到了廣泛的應用，成為控制系統(tǒng)理論中一個非常有力的設計工具。</p><p>　　4．2．3 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論</p><p>　　滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一種控制策略。這種控制策略與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時變化的開關(guān)特

107、性。該特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做小幅度、高頻率的上下運動，即滑動模態(tài)(Sliding Mode)運動.這種滑動模態(tài)是可以設計的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關(guān)，這樣處于滑模運動的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性。滑模變結(jié)構(gòu)控制可以用于多種線性和非線性系統(tǒng)。</p><p>　　在滑?？刂浦校仨毥鉀Q滑動模態(tài)存在的條件、滑動模態(tài)的一般數(shù)學描述及如何選擇切換流形與控制規(guī)律，使得系統(tǒng)的狀態(tài)確實能到達切換流形并沿其滑

108、動到原點，使之具有良好的動態(tài)特性。同時在實際系統(tǒng)中由于切換裝置不可避免地存在慣性，變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在不同的控制邏輯中來回切換，導致實際滑動模態(tài)不是準確地發(fā)生在切換面上，容易引起系統(tǒng)劇烈抖動，從而成為它在實際應用中的一大障礙。此外，各種滯后和未建模動力學因素也可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。目前變結(jié)構(gòu)控制理論的研究對象也己涉及到離散系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)、廣義系統(tǒng)、滯后系統(tǒng)、非線性大系統(tǒng)及非完整力學系統(tǒng)等眾多復雜系統(tǒng)，自適應控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法

109、等先進控制技術(shù)也被綜合應用到了變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設計中，以解決變結(jié)構(gòu)控制器所存在的不利抖動現(xiàn)象對實際應用所帶來的困難。但是目前很多研究還僅僅局限在數(shù)值仿真和實驗室平臺實驗階段，迫切需要開展系統(tǒng)的應用開發(fā)研究工作。</p><p>　　4．2．4 高增益觀測器</p><p>　　在很多非線性設計方案中，都假定系統(tǒng)的所有狀態(tài)都是可用的，然后再來設計狀態(tài)反饋控制律。但是在很多實際問題中我們不可能

110、得到全部的系統(tǒng)狀態(tài)，或者由于技術(shù)及經(jīng)濟的原因，我們可能會選擇只測量其中的部分狀態(tài).在很多情況下，我們也可以選擇去設計輸出反饋控制律來代替狀態(tài)反饋控制律，在設計狀態(tài)觀測器時，模型誤差會影響到系統(tǒng)的估計誤差方程，有時候會使得系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。</p><p>　　在這里我們介紹高增益觀測器的方法，對于一類非線性系統(tǒng)在觀測器增益足夠大的情況下可以保證輸出反饋可以達到狀態(tài)反饋的特性，并且可以使得觀測器對模型不確定性有一定的