【电力期刊】带电压调节的非线性鲁棒励磁控制策略研究.pdf
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【电力期刊】带电压调节的非线性鲁棒励磁控制策略研究.pdf
第2 7卷第 8 期函2 0 0 7 年5 月 电 力 自 动 化 议 备E l e c t ri c P o w e r A u t o m a t i o nE q u i P m e n tV o l,2 7N o.8A u g Z O 0 7带 电 压 调 节 的 非 线 性 鲁 棒励 磁 控 制 策 略 研 究王锡淮,郑天府,肖 健梅(上海海事大学 电气自 动化系,上海 2 0 013 5)摘要:针对电力系 统的非线性特性和内 外扰动的影响,结合微分几何精确反馈线性化和非线性鲁棒H 二 控制理论,提出了一种新的励磁控制器设计方法,在励磁控制规律引 入了 机端电压反馈,使得所设计的控制器不仅提高了电力系 统暂态稳定性,而且在机械功率由于负 荷或调速而变化时机端电压仍能回复到给定点上运行。将该控制方法运用到单机无穷大电力系统设计中,用M atlab/Si m ul in k 进行三相短路实验和机械功率扰动实验,结果表明:与非线性励磁控制器及传统的PID控制器相比,所设计的带电压调节功能的非线性鲁棒H 二 控制器在提高电力系 统的稳定性及稳定机端电压方面有很好的控制效果。关键词:电力系 统;非线性;PI D;微分几何;H 二;励磁控制中图分类号:T M7 6 1+.1 1文献标识码:A文章编号:1 0 0 6 一 6 0 4 7(2 0 0 7)0 8 一 0 0 3 8 一 0 50 引言 发电机励磁控制除维持机端电压恒定和保证并联运行的机组间无功功率合理分配外,也是改善和提高电力系统稳定的最经济、有效的技术手段之一。近二十年来,随着现代控制理论和智能控制理论的发展,线性最优励磁控制川、非线性励磁控制12 一 6 、自 适应控制7 一“、模糊神经网络控制9j、反步控制 10)、基于迭代学习算法的励磁控制llj以及非线性预测控制 2 一 3 等许多先进控制策略被广泛地应用到发电机励磁控制中,特别是以微分几何为代表的精确反馈线性化方法在电力系统中的广泛应用2 一 ,从理论上较好地解决了非线性系统的大范围线性化问题,有效地提高了系统在大、小干扰方面的稳定性。但其建模仍然是基于固定的结构和参数而未考虑不确定性,对此,如何提高控制器的鲁棒性,成为该方法面临的主要问题。在电 力系统的实际 运行中,存在着大量的不确定因素,如稳态运行时负荷的波动、所建模型的不确定性、外界干扰、设备和负荷的随机投切等。这些因素对系统形成广义的 干扰,使得难以建立电力系统的精确数学模型。为解决电力系统中存在的不确定性因素的影响,各种鲁棒控制方法应运而生。如非线性L Z 增益控制方法,4 、H 二,控制等。文献 巧 根据直接反馈线性化和H 二 控制理论进行了励磁控制器的 设计,由 于引人了端电压偏差反馈,所以设计的控制器不仅提高了系统的暂态稳定性,而且满足了电压调节精度的要求。近年来,不少学者对F A C T S 控制器与发电机励磁协调控制进行了大量研究汇6 一,1,而针对发电机励磁控制器进行协调控制的研究较少。现结合微分几何精确反馈线性化和非线性鲁棒 H 二 控制理论提出了一种新的控制器设计方法,该方法分别对功角偏差 占 和发电机端电压偏差 Ut进行协调控制设计,由于考虑了电力系统的非线性特性、各种扰动的影响以及引人端电压反馈,所以设计的控制器在提高电力系统稳定性、稳定机端电压和抑制扰动等方面有很好的控制效果。1 微分几何状态反馈线性化与鲁棒非线性控制原理 考察带有扰动项的仿射非线性系统:分 汀(x)+9,(x)w+9 2(x)uy=h(x)(1)收稿日 期:2 006 一 0 9 一 2 2;修回日 期:2 007 一 03一 1 牟基金项目:上海市教育委员会科研项目(04F A 02)式中 x R“,u o R 价,w;尺 ,夕。尺 J 分别为系 统的 状态 向量、控制向 量、干扰和调节输出向量;苏 9 1、9 2 为相应维数的光滑函数向量或矩阵;h(x)是 双 n R 的光滑映射,且f(0)=0,h(0)=0。非线性鲁棒 H 二 控制问题就是要设计控制器“二u*,使得闭环系统稳定,即当w=0 时,系统渐近稳定;且!厂(:,:+.o U!)d:二,2 厂.,w:、:,其 中,0。仿射非线性系统(1)的鲁棒H 二 控制器设计一般可归结为一类偏微分不等式H e m i l t o n 一 J a c o b i 一 l s s acs的求解问题,。目 前的研究结果表明,难以求得该不等式的解析解。这就使得非线性鲁棒 H 二 直接应用于实际工程系统遇到困难。现以反馈线性化和线性H 二 方法结合,构造一类非线性鲁棒控制规律。由 微分几何精确反馈线性化理论知,对于式(1)万方数据第 8期王锡淮,等:带电压调节的非线性鲁棒励磁控制策略研究函所示的仿射非线性系统在坐标变换2=巾(x)和状态反馈,=。(x)+口(x)“的作用下,可以转化为2 坐标下的与原系统精确等值的线性系统:才=A z+B l w +B Z v y=C z(2)式中 矩阵A、B l、B:和C均为常数矩阵。针对式(2)所示的线性系统,运用线性鲁棒H 二控制理论进行控制器的设计。状态反馈线性 H 二 控制就是寻找一状态反馈,=K z,使得闭环系统才=(A+B Z K)2+B l w y=C z(3)的L:增益小于一个实数7 0,L Z 仁 0,ao),若2(0)=0,响应为y(厂(:,()!2+.(:).2)d:、,。!即对于Vw (),则有下式成立:ll w,(t)11,d t 0 竹 1.0 时,p(1 3)是正定的且 A+粤B I B 厂 尸 一 B Z B 尹 p 为 稳 定 阵 y-可见线J性系统的L:增益是一个大于1.0 的常数,其次最优控制率和最坏干扰分别为万方数据函电 力 自 动 化 议 备第2 7 卷扩二 一 B 尹 P*z 二 一 凡2 1 一 成2 2 一 凡勺w 一=粤a 不,:=7-责(珠 1 瑜 2 叭 令uf 二 uf;十 uf Z,至此则完成了发电机励磁控制规(1 4)律的 设计。由反馈控制规律式(7),令a(x)=一 P 一 (x)。(x),b(x)二 刀 一 (x)利用微分几何精确反馈线性化理论可解得:a(x)=一 L。尽h(x)1 一 厅h(x)=一 T 岛 风占c o s 占s i n 占+风-D x 趁心。田。队s i n 占(1 5)b(x)=仁 L。厅h(x)一 _ H T 岛 喊 艺 田。认s i n 占 根据反馈变换式2=必(x),状态反馈v=“(x)+P(x)“以及式(14)可以得到发电机非线性励磁控制规律为uf,=一 T 二。E;占D x 趁r 品,下了下一 花 下毋 一田o U。5 1 110+凡-Hr 二。二 二 艺田。Uss i n 占又U二百洛-n 0-。1 C-8(1 6)式(1 6)所示的非线性励磁控制规律未引人端电压反馈,为了满足机端电 压稳定要求,所设计的控制器必须满足机端电压Ut的控制目 标。为此,取坐标变换方程为 2 4=队一 Ut。二 以(1 7)式中 Ut为发电机机端电压,Ut。为其初始值。令 么=认,则由 线 性系 统稳 定控制理 论,可以得到:认=k t 以(1 8)由于电压精度是在运行点附近的小范围内进行讨论,按照小范围线性化的推导,存在关系如下18:3 仿真分析 为了研究所设计的励磁控制器的控制效果,借助于M a il ab/Si m ul in k 仿真工具对单机无穷大系统进行仿真实验,并与发电机非线性励磁控制及PI D 控制效果进行了比较。单机无穷大系统中各参数为 19 同步发电机参数H 二 12.9 225,D=0.巧P.u.,认=1,o p.u.,丁 。=6.5 5 5,x 己=0.8 2 5 8 p.u.,x 袅=0.1 0 4 5 p.u.;线 路 及 变 压 器 参 数二 T=0.o 2 9 2 p.u.,x L=0.02 6 6 p u ;系统平衡点的参数凡=0.7 4 3 9 r a d,。=3 1 4.1 6ra d/5,E 飞 0=0.9 3 6 l p.u.,编=1.0 2 5 3 p u.,Ufo=1.8 3 8 p u.。3.1 三相短路实验 线路 1/2 处在0.5,发生三相短路故障,0.2 5 后切除故障后重合闸成功,干扰抑制常数7 二 1,1。发电机有功功率Pe、机端电压 队及功角占 的动态响应曲线分别如图1(a)(b)(c)所示。图中,1 为非线性鲁棒控制器,2 为非线性励磁控制器,3 为PI D控制器。从图1 可以看出,所设计的控制器具有很好的控制效果,振荡次数少.振荡幅度小及收敛速度快。46 亡/5(a)有功功率Pe81 0=俞 峨 一 哥 ”=俞 Pe 一 哥 =瓷 峡 一 哥(1 9)(2 0)1.04日 1.0 3疾万 1 0 2 1.0 1以Ut由式(8)知,E;Uss i n 占 心 工E 毒 Us占 峪 芝c o s 占(2 1)2468 t/5 (b)机端电压认 一n -占00 ,占U 、4 n州L占2 r.卫.卜.rl.L.LO900,00.0.0.0.吧巴哈由式(8)(1 8)(1 9)(2 0)(2 1)可解得:!Lf 2 二E 二:己。选率vs C o 5。+察缚:d。-荡 d 见Us 吕 1 110c o s 占_.R v 心 工 r 曲:、;了勺 下,飞 二 do甲一下 厂二一石-一几 t“UtS l llOUo 5 1 110(2 2)则可以得到同步发电机带端电压反馈的非线性鲁棒H 二 励磁控制规律为uf l=一:斌占 卫 磐 粤+凡-D 璐:心。田。Uss i n 占-五 琪 如 左 乡(一 民“一 代。一 代动田 o U。s i n 认-晰2 二E;T 曲一x d 一 x 二 x 二 us co,。+禁粤:动-U.5 1 noc o s 占s i n 占T曲+R。月 芝 r 。认s i n 占k t 八 Ut t/5 (c)功角占 图 1发电机三相短路实验 Fi g.ITheth re e 一 P h a s es h o rt 一 c i rc u i t e x p e ri m e niofge nerator3.2 机械功率扰动实验 机械功率Pm在t=0.s s 时发生 ro%的阶跃扰动,干扰抑制常数7 二 2.0。图2(a)(b)(c)给出了Pe、Ut和占 的动态响应曲线。从图2(b)可以看出,机械功率发生扰动时,在所设计的控制器作用下,机端电万方数据第 8 期王锡淮,等:带电压调节的非线性鲁棒励磁控制策略研究O压很快回到给定平衡点上运行,与其他控制器相比,振荡幅度小,恢复速度最快。4 一 7 ,、0产 4内j共d可02 468 t/5(a)有功功率只1041.0 31.0 2.n万鱼22468 t/5 (b)机端电压 以八目0了只介了,1000 P巴心 图 2F i g.ZThe24681 0 t/5 (c)功角占发电机机械功率小扰动实验s m al l m e c h a n i c alP o wer d i st u rb anc ee x p e ri m e n t of罗 n e r a t o r4 结论 结合微分几何精确反馈线性化方法和线性H 二控制理论推导出了非线性鲁棒H 二 励磁控制规律,考虑了机械功率由于负载或调速变化等因素影响时出现的机端电压偏移问题而设计了含有端电压反馈的励磁控制规律。该推导过程简单,易于工程实现,并在发电机三阶动态模型的基础上进行了数字仿真研究,仿真结果表明在三相短路故障及机械功率大小扰动下,在抑制超调量、减少调节时间和抑制振荡等方面,所设计的 励磁控制器的控制效果均优于非线性励磁控制器和常规PI D控制器,在改善电 力系统暂态稳定性及稳定机端电压方面取得了显著的控制效果,且对电力系统中 存在的干扰具有很强的鲁棒性。参考文献:1范澎,毛承雄,陆继明,等.多机电力系统神经网络最优励磁控制 器【J 中国电 机工程学报,2(x 岭,24(7):80一 84.FANshu,M A OC heng一 xi on g,LU Ji 一 而ng,etal.Neu ral n e t w o r k b as e do p t i m alex c i t at i on c o n tIDll e r fo r mul t i 一 mac h i n ep owe r 叮 5-t e m J .P r o c ee d i n g s oft h e C S E E,2(阅 吟,24(7):8 0 一 8 4.2 李啸独,程时杰,韦化,等.一种高性能的非线性励磁控制 J .中国电机工程学报,2 003,2 3(1 2):37一 4 2.IJX i ao一 c o n g,C H E N GS h i 一 j i e,W E I H u a,etal.Ah i gh p e rfor-m anc en o n l i n e are x c i t at i o nc on的l for 罗 n e l a t o r u n i t J .巧 此 e e-d i n g s oft h eC S E E,2 0(3,2 3(1 2):3 7 一 4 2 3 胡兆庆,毛承雄,陆继明.基于输人对状态反馈线性化的非线性 励磁控制 J .继电器,2 加4,3 2(5):3 2 一 3 5.H Uz h a o 一 qi 飞,M A oC h e n g 一 x i o 叱,L UJ i 一 m i n g.N o n l i n e are x c i-t at i o nc o n trol l e rb as e do ni n p u t 一 o u t p u tl i n e ar J .R e l 叮,2 X)4,3 2(5):3 2 一 3 5.4 S C H A E FER R,KIY O N G K.E x c i t at i o nc o n t rol of th es y n-c h r o n o u s 罗 n e rato r J .I E E EI n d u s t 巧A p Pl i c at i o n s M a g aZ i n e,2(X)1,7(2):3 7 一 4 3 5 郝晋,王杰,陈陈,等.基于H o lton 系统理论的结构保持多机电 力系统非线性励磁控制 J .中国电机工程学报,2005,25(18):6 一 1 2 H A O J i n,W A N G J i e,C H E N C h e n,e tal.N o n l i n e ar e x c i t at i o n c o n trolofm u l t i 一 m ac h i n ep o w er s y s t e mw i t hs t ru c tu re p re s s u re p re s e rv i n gm Od e l s b as e do nH a l1 1 i l t o n i an s y s t e mt h e 呷仁 J Pro-c eed i n g s证the C S E E,2(刃 5,2 5(1 8):6 一 1 2,6 周雪松,马幼捷,何彦民.复杂系统非线性励磁控制的数字仿真 研究【J.中国电机工程学报,2 004,2 4(1 0):3 2 一 3 5.Z H O UXue 一 so n g,M AY o u 一 j i e,H EY an一 m i n.Ad i gi t als i mul a-t i o nfor n o 记 i n e ar exc i t 丽on c o n t ro li nam u l t i 一 mac h i n es”t e m J .P n c e e d i n g s oft h eC S E E,2(X4,2 4(1 0):3 2 一 3 5.7 M E N GY u e,S C H 切E TERR.N on l i n e ar e ffec t sof a汕u s t c o n t IOl d e s i,J .I E E ET r a n s ac t i o n so nP owe r s y st e m s,2(X)5,20(1):5 0 8 一 5 1 0.仁 8赵辉,刘鲁源,王红君,等.规则自 适应模糊控制在同步发电机励 磁系统中的应用 J.电网技术,2 1洲)4,2 8(1):27一 2 9.Z H A OH u i,ll ULu一”an,WA N GH o n g 一 j u n,e t al.A P Pl i c at i o n Ofru l eadaPt i v efu 哪 c o n 加I i ns ync h ro n o u sge n e rato re x c i t i n g s y s te m J .P o w e r 勿s t e mTec h nol o 群,2 0(M,2 8(1):2 7 一 2 9.9 姜惠兰,魏强,唐晓骏.基于模糊神经网络的发电机励磁控制器 的研究【J.电网技术,2(X)5,29(1):5 0 一 5 5.J I A N G Hui 一 l an,WE IQ i ang,T A N G X i ao一 j u n.S tu d yo nth e 罗 n e r a t o r e x c i 俪o nc o n t r o l l e r b as e do nfu z 叮n e u r a l n e t work J .P o w ers y st e mTec h nol O gy,2(X)5,2 9(1):5 0 一 5 5.10 王江,李韬,曾 启明.基于神经网 络的同步发电机励磁反步控制 J .中国电 机1程学报,2(X)3,2 3(1 2):1 40一 1 4 5.W A N GJ i ang,ll T ao,TSA N GK ai一 而n g.B a c k s t e p P i n gc o n 加1 o f t h es 扒c h ro n ousg e n e rato r b as e do nth en eural n e tw Orks J .P r oc eed i n 邵Ofth eC S E E,2 0()3,2 3(1 2):1 4 0 一 1 45.【1 1徐敏,林辉.同步发电机迭代学习励磁控制器的仿真研究【J.电网技术,2 的5,2 9(1 2):8 1 一 8 4.X UM i n,llNHui.Si m ul at i o nof e x c it at i o nc o n t roll er Of s”-cbIonousge n e r a t orbased on i t e r a t i ve le oi ng co n 加1 1*口 .P o w e r 勿s te mTec h n ol o 盯,2(X)5,2 9(1 2):8 1 一 8 4.12 梁志珊,张化光,王红月,等.同步发电机励磁非线性预测控 制 J .中国电 机工程学报,2 以 x ,2 0(1 2):5 2 一 5 6.U A N GZ h i/sh an,Z H A N GHua 一 别a n g,W A N GH ong 一 抖e,e t al.N o d i n e arP re d i c t i ve c o nt ro1 Of叮 n c h ro nou smac h i n ee xc i t atio n J .P r oC e e d i n g s oft h eC S E E,2 以 x ,2 0(1 2):5 2 一 5 6.【13 刘辉,李啸雏,韦化,等.基于目 标状态方程的非线性预测励磁 控制器的 设计【J 中国电 机工程学报,2 0(5,25(1 7):27一 31 ll UHui,ll X i ao一 c o n g,WE IH u a,e tal.Thed e s i,ofn o n-l i n ear p re d i c t i v e e xc i t at i o nc o 咖 l l erb a s e do nrISE J .P r o c e e-d i n g s oft h eC S E E,2(X)5,2 5(1 7):2 7 一 3 1.【14 兰海,李殿璞,杨丽华 多机系统励磁的非线性LZ增益干扰抑 制控制 J.电 机与控制学报,2 005,9(2):5 卜55.LAN H ai,11 压an一 p u,Y A N G Li一 h u a.N o n l i n e ar 皿 邵 i n d i stuth 叨c eatte n u at i o nc o n t r o l for mul t i 一 mac h i n e POw e r s y s t e m exci t atio n J l.E l ectricM ach i ne andC o nt ro l,2(X)5,9(2):5 1 一 5 5.15 蔡超康,非线性H。励磁控制器的设计【J.电网技术,2(X)3,2 7(3):5 0 一 5 2万方数据份电 力 自 动 化 议 备第 2 7 卷C A I J C h a o 一 h a o.D e s i g no fn o n 一 l i n e ar H.e x c it a t i o n p o w e r s y s t e mT e c h n o l o 舒,2 0()3,2 7(3):5 0 一 5 2.cont ro ller【19 梅生伟,申铁龙,刘康志.现代鲁棒控制理论与应用 M.北京:清华大学出版社,2 003,仁 1 6 K I Y O N GK,S C H A E F E RRC.Tun i n gap I Dc on trol l e rfor a d i g i t ale x c i t a t i o nc o n t rol s y s t e m J .I E E ET ra n s ac t i o n so nl n-d u s t 砂A p p l i c a t i o n s,2 0 0 5,4 1(2):4 8 5 一 4 9 2.1 7 L UQ i a n g,M E IS h e n g 一 w e i,H UW e i,e ta l.N o n l i n e ard e c e n-t ral i z e d d i s t u rbanc e att e n u a t i o n e x c i t ati o n c o n t rol v i a n e w r e c u r s i v ed e s i,fo rm u l t i 一 m a c h i n ep o w e rs y s t e m s J I E E E T r a n s a c t i o n s o nPOw erS”t e m s,2 0()l,1 6(4):7 2 9 一 7 3 6.1 8 卢强,王仲鸿,韩英铎 输电系统最优控制【M .北京:科学出版 社,1 9 8 2.(责任编辑:李育燕)作者简介:王锡淮(1961一),男,江苏淮安人,教授,博士研究生导师,研究 方向为 复杂系 统建 模与 控制、电 力系 统(E 一 m ai l:wxh sh m t u.e d u.c n);郑天府(1 9 81一),男,江苏 徐州人,硕士研究生,研究方向为电力系统鲁棒控制。N o n l i n e a rr o b uste x c i tat i o nc o n t r o l s t r a t e g y初t hv o l tag er e g u l a t i o n WANG Xi 一 h u a i(S h a n g h a i M a r i t i m e,Z H E N G T i an一 fu,X I A O J i a nU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 1 3 5,Ab s t r 8 C t:n o n l i n e arC o mb i n e dr o b u s t H二w i t h t h ec o n t role x a c tfee d b a c k l i n e a r i z a t i o n b a s e d o n1 l l elC h i n a)d i ffe r e n t i a lt h e o 叮,a ne X C l t a t l o flc o n t ro ls t rate gyi sp r o P o s e dn o n l i n e a ri t yo f p o w e r s y s t e ma n dt h eI nnefo r e x t e rna l d i s t u r b a n c e so f p o w e rs y s t e mg e o m e t ry a n dt h e,w h i c h t a k e s t h ei n t o c o n s i d e r a t i o na n di n t r o d u c e sth et e rmi n a Iv o l t a g efe e d b ac kofe n h a n c e st h et ra n s i e n ts t a b i l i t yo fP o w e rs y s t e mc o n t r o lrul e s.t h e t e rm i n a lThed e s i 即e dc o n t r o l l e rv o l t a g ea b o u tt h ei n gp o i n tw h e nm e c h a n i c a lp o w e rv a ri e sg e n e r ator t oa n d s t abi l i z e sw i t h l o a d o rs P e e dre 孕l a t i o n.I ti sa p p l i e dg l v e nt oam a c h i n ei n fi n 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M分布式控制系统”最近在河南省长葛市生物质能发电工程中得到了成功的应用,该控制系统在机组正式投运生产三个月来一直在稳定高效地运行。长葛恒光发电厂是河南省首例生物质能发电的新型节能电厂,为保证该电厂的投运,国电南自 派出了自动控制系统开发与设计的骨干力量。P A S 一 3 o 0 M 分布式控制系统软、硬件全部由国电 南自自 主开发,并被鉴定为“部分软件技术,全部硬件技术达到了国际先进水平”。此次在长葛现场投运,其模块化智能1/0模件既能满足现场强抗干扰要求又能灵活布置,软件操作人性化等特点获得用户全面肯定和一致好评。当前,我国正面临能源与环境问题的严峻挑战。采用新技术、新模式开发利用秸秆等农林废弃物生产电力,涉及能源开发、环境保护、农村发展、生态平衡等诸多利益,是事关我国国民经济可持续发展、能源安全和社会进步的重大问题。目 前,我国大部分秸秆主要用在农村炊事、取暖,或丢失在田间腐烂、直接焚烧,秸秆转换效率低下(仅ro%左右),不仅浪费时间,而且污染环境。建设秸秆发电厂可以变废为宝、兴利除害,节约资源、减少污染,既缓解电力短缺,又增加农民收人,还可生产出含丰富钾、镁、磷、钙等元素的优质肥料,降低农民施肥成本,提高农作物产量和质量,具有一系列的生态、社会和经济效益。生物质能发电 体现了“节能增效,可持续发展”的方针政策,为我国的电力事业开辟了一条新的道路。为国 家的“节能、环保”事业做贡献是国电 南自 发展电 站自 动化产品的主 要目 标,此次工程是国电 南自 在生物质能发电厂自 动控制中的一次有益探索。(国电南自过程自动化事业部)万方数据