(基于最优化的电力系统负荷频率控制).doc

《(基于最优化的电力系统负荷频率控制).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(基于最优化的电力系统负荷频率控制).doc（36页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、毕 业 论 文基于最优化的电力系统负荷频率控制叶杰华200530530525指导教师 孔莲芳 讲师学院名称工程学院 专业名称电气工程及其自动化论文提交日期2009年5月 论文答辩日期年月答辩委员会主席 _评 阅 人 _ 摘 要电力系统频率是电力系统运行中最重要的参数之一。对系统频率控制的分析与研究是电力系统安全运行中一个不可忽视的部分。现代电网已发展成为在电力市场环境下的多控制区域互联系统，负荷频率控制作为互联电网实现功率和频率控制的主要手段，其控制效果直接影响着电网品质。因此，电网负荷频率控制采用何种控制方法是近年来调度自动化关注的一个热点问题。基于最优化的负荷频率控制是指根据电力系统的状态

2、空间方程、系统频率和发电机物理特性的限制，在考虑电能的质量，发电机组的发电量以及互联区域的联络线功率的基础上，制定一性能指标函数，通过对状态方程的求解，得出指标函数的最小值解，自动发调整发电机的有功整定值，改变系统有功出力，实现系统有功功率平衡，维持电力系统频率偏差以及联络线功率偏差在允许范围内。 本文简单介绍了负荷频率控制的基本概念及相关问题，以控制模型为线索对各种控制方法进行了系统的分析，并在此基础上综合论述了负荷频率控制的模型与方法。通过对负荷频率的数学建模，采用最优控制策略，使得机组处于优化运行状态，既保证电能的质量，又符合了经济利益，从而达到双赢。关键词：负荷频率控制 自动发电控制

3、最优化控制 目 录1绪论11.1引言11.2电力系统运行特点11.3电力系统运行的基本要求21.4本章小结42负荷频率控制42.1调整频率的必要性42.2电力系统频率特性52.2发电机机组频率特性62.3电力系统的一，二次调频72.4电力系统频率控制的基本任务92.5负荷频率控制方法102.5.1传统控制策略102.5.2基于人工智能的控制策略122.6负荷频率数学模型142.7本章小结173最优化控制173.1最优化控制发展173.2最优化问题的基本概念与分类183.3求解最优化问题的常用方法193.4全局最优化方法全面新发展203.4.1确定性方法203.4.2随机法203.5最优化软件2

4、03.6本章小结214基于最优化的负荷频率控制214.1电网AGC发展及其运行控制应用简介214.2最优化控制策略的应用234.2.1单区域的负荷频率控制234.2.2多区域的负荷频率控制254.3最优化的求解274.4本章小结275结论28致谢29参考文献301绪论1.1引言自电力系统诞生以来，对电力系统的实时运行控制一直是广大科研工作者及运行实践人员重点关注的问题。电力系统实时控制，直接影响着系统的安全运行和经济效益。我国现正处在电网改革的关键时期。五大发电集团的成立、国家电网公司从国家电力公司的剥离标志着厂网分开的初步完成，电力市场化的脚步己越来越加快。然而，作为电力市场化最彻底、运行经

5、验最丰富的美国、加拿大电网却接连发生全网稳定破坏、电网瓦解、大面积停电的事故。这不得不提醒人们需要重新认识电力市场条件下的实时控制问题，在电网安全的基础上寻求经济效益。从对电力系统的实时控制发展历程的回顾，可以得到一些有意义的启发:a)加强对电网基础数据的研究。任何一种控制策略，都是依赖于电网基础数据的支持。频率特性、负荷特性、发电机固有惯量等等，这些数据为目前的控制策略提供了理论研究所依赖的基础。从发展眼光看，电力市场化即将在我国推广，对电网中和市场化相关的一些基础参数的研究也应得到深入。b)AGC作为电力系统频率控制中广泛使用的技术，其控制策略，一直随电力系统自动发电控制策略及机组出力优化

6、最优解的研究统调度中心对系统的总体控制策略的发展而发展。在不同的历史时期，不同的考核体系下，会产生很多实际的问题。因此，有必要对AGC的控制策略做多方面，多方向的研究，为调度运行人员提供决策参考。c)加强对机组出力优化的算法研究。以内点法为代表的现代线性规划算法的兴起，很大程度上取代了传统的线性规划算法（但在一些特殊的场合，特定的约束条件情况下，传统的线性规划算法仍然存在生命力）。加强这方面的研究，提高算法的精度及速度，将为电力系统的经济运行提供直接的帮助。1.2电力系统运行特点由于电能的生产、输送和使用本身所固有的特点，以及连接成电力系统后出现的新问题，决定了电力系统的运行与其他工业生产过程

7、相比具有许多显著不同的特点。（1）电能的生产和使用同时完成。这一特点决定了电力系统中电能的生产和使用只能同时完成，即在任一时刻，系统的发电量都只能取决于同一时刻的用电量（包括输配电环节的损耗）。因此，在系统中必须保持电能的生产、输送和使用处于一种动态的平衡状态。如果在系统运行中发生了供电与用电（包括有功功率和无功功率）的不平衡，系统频率就会发生变化，系统运行的稳定性就会遭到破坏，甚至发生事故，给电力系统及国民经济造成严重损失。（2）正常输电过程和故障过程都非常迅速。由于电能是以电磁波的形式传播的，其传播速度为光速（300000km/s），因此不论是正常的输电过程还是发生故障的过程都极为迅速。因

8、此，为了保证电力系统的正常运行，必须设置完善的自动控制和保护系统，以便对系统进行灵敏而迅速的监测、测量和保护，完成各项调整和操作任务，将系统的变化限制在允许的范围之内，保证系统的稳定性。电力系统的这一特点给电力系统的运行、操作带来许多复杂的课题。（3）具有较强的地区性特点。电力系统的规模愈来愈大，其覆盖的地区也愈来愈大，各地区的自然资源情况存在较大差别。同时各地区的经济发展情况也不一样，工业布局、城市规划、电力负荷不尽相同。因此制定电力系统的发展和运行规划时必须充分考虑地区特点。（4）与国民经济各部门关系密切。由于电能具有方便、高效地转换成其他形式的能（如机械能、光能、热能等），使用灵活及易于

9、实现工作过程自动化和远程控制等突出优点，所以被广泛应用于国民经济的各个部门和人民生活的各个方面。而且随着国民经济各部门的电气化、自动化和人民生活现代化水平的日益提高，整个社会对电能的依赖性也愈来愈强。由于电力供应不足致使电力系统频率下降，当频率继续降至45Hz以下，造成频率崩溃或电力系统故障造成的停电，给国民经济造成的损失和对人们日常生活的影响也愈来愈严重。1.3电力系统运行的基本要求由于电力系统与国民经济和人民日常生活密切相关，电能不足或质量不好以及停电等都将直接影响国民经济的发展和人民的日常生活。同时，电能的生产成本也会影响到国民经济各部门的生产成本。因此对电力系统运行的基本要求可以简单地

10、概括为：安全、可靠、优质、经济。（1）保证供电的安全可靠性：保证供电的安全可靠性是对电力系统运行的基本要求。这就要求从发电到输电以及配电，每个环节都必须保证安全可靠，不发生故障，以保证连续不断地为用户提供电能。（2）保证电能的良好质量：电力系统不仅要满足用户对电能的需要，而且还要保证电能的质量。频率、电压和波形是电能质量的三个基本指标，其额定值是电气设备设计的最佳运行条件。当系统的频率、电压和波形不符合电气设备的额定值要求时，往往会影响设备的正常工作，造成振动、损耗增加、使设备的绝缘加速老化甚至损坏，危及设备和人身安全，影响用户的产品质量等。因此要求系统所提供电能的频率、电压和波形必须符合其额

11、定值的规定。系统频率主要取决于系统中有功功率的平衡。发电机发出的有功功率不足，会使系统的频率偏低。结点电压主要取决于系统中无功功率的平衡。无功不足，则电压偏低。波形质量问题是由谐波污染引起的。波形质量用波形总畸变率来表示，正弦波的畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比。保证波形质量就是限制系统中电压、电流中的谐波成分。我国规定的电力系统的额定频率为50Hz，大容量系统允许频率偏差0.2Hz，中小容量系统允许频率偏差0.5Hz。35kV及以上的线路额定电压允许偏差5%；10kV线路额定电压允许偏差7%，电压波形为正弦波，其波形总畸变率不大于4%。电力系统的负荷是不断变化的，系

12、统的电压和频率必然会随之变动。这就要求调度必须时刻注视电压、频率变化情况和系统的有功和无功负荷平衡情况，随时给发电厂及变电所下达指令，通过自动装置快速地、及时地调节发电机的励磁电流或原动力，停止或启动备用电源及切除部分负荷等，使电力系统中发出的无功和有功功率与负荷的无功和有功功率保持平衡，以保持系统额定电压和额定频率的稳定，确保系统的电能质量。（3）保证电力系统运行的稳定性：电力系统在运行过程中不可避免地会发生短路事故，此时系统的负荷将发生突变.当电力系统的稳定性较差，或对事故处理不当时，局部事故的干扰有可能导致整个系统的全面瓦解（即大部分发电机和系统解列），而且需要长时间才能恢复，严重时会造

13、成大面积、长时间停电，因此稳定问题是影响大型电力系统运行可靠性的一个重要因素。为使电力系统能保持稳定运行，除要求系统参数配置得当，自动装置灵敏、可靠、准确外，还应做到调度合理，处理事故果断、正确等。（4）保证运行人员和电气设备工作的安全：保证运行人员和电气设备工作的安全是电力系统运行的基本准则。为此要求不断提高运行人员的技术水平和保持电气设备处于完好状态。这一方面要求在设计时，合理选择设备，使之在一定过电压和短路电流的作用下不致损坏；另一方面还应按规程要求及时安排对电气设备进行预防性试验，及早发现隐患，及时进行维修。在运行和操作中要严格遵守有关的规章制度。（5）保证电力系统运行的经济性：为使电

14、能生产、输送和分配过程中效率高、损耗小，以期最大限度地降低电能成本，实现电厂和电力网的经济运行，就要最大限度地降低电厂的燃料消耗率（或水的消耗率）、厂用电率及线路损耗等。应该看到，电能成本的降低不仅会使各用电部门的成本降低，更重要的是节省了能量资源，因此会带来巨大的经济效益和长远的社会效益。综上所述，保证电力系统运行的稳定性，安全可靠地向用户提供充足、优质而又经济的电能，是人们对电力系统的基本要求。1.4本章小结本章介绍了电力系统运行特点及其基本要求，电能的质量对生活和工作生产都会产生比较大的影响，强调了对电力系统进行实时控制的重要性，要求系统所提供电能的频率、电压和波形必须符合其额定值的规定

15、。2负荷频率控制2.1调整频率的必要性 衡量电能质量的另一个重要指标是频率，保证电力系统的频率合乎标准也是系统运行调整的一项基本任务。 电力系统中许多用电设备的运行状况都是同频率有密切的关系。工业中普遍应用的异步电机，其转速和输出功率均与频率有关。频率变化时，电动机的转速和输出功率随之变化，其而严重地影响到产品的质量。现代工业，国防和科学研究部门广泛应用各种电子技术设备，如系统频率不稳定，将会影响这些电子设备的精确性。频率变化对电力系统的正常运行也是十分有害的，汽轮发电机在额定频率下运行时效率最佳，频率偏低或偏高对叶片都有不良的影响。电厂用的许多机械如水泵，循环水泵，风机等在主频率降低时都要减

16、少出力，降低效率，因而影响发电设备的正常工作，使整个发电厂的有工出力减少，而导致系统的频率进一步下降。频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流增大，无功功率损耗增加，这些都会使电力系统无功平衡和电压调整增加困难。 频率同发电机的转速有严格的关系。发电机的转速是由作用在机组转轴上的功率平衡所确定。原动机输入的功率扣除了励磁损耗和各种机械损耗后，如果能同发电机输出的电磁功率严格地保持平衡，发电机的转速就恒定不变。但发电机输出的电磁功率是由系统的运行状态决定的，全系统发电机输出的有功功率之和，在任何时刻都是同系统的有功功率负荷相待。由于电能不能存储，负荷功率的任何变化都立刻引起发电机的输出功率的相应

17、变化。这种变化是瞬时出现的。原动机输入功率由于调节系统的相对迟缓无法适应发电机电磁功率的瞬时变化。因此，发电机转轴上的转矩的绝对平衡是不存在的，也就是说，严格维持发电机转速不变或频率不变是不可能的。但是把频率对额定值的偏移限制在一个相当小的范围内则是必要的，也是能够实现的。系统负荷可以看作由以下三种具有不同变化规律的变动负荷所组成：第一种是变化幅度很少，变化周期较短的负荷分量;第二种是变化幅度较大，变化周期较长的负荷分量，属于这类负荷的主要有电炉，电气机车等;第三种是变化缓慢的持续变动负荷，引起负荷变化的原因主要是工厂的作息制度，人民的生活规律，气象条件变化等。 负荷的变化将引起频率的相应变化

18、，第一种变化负荷引起的频率偏移将由发电机的调整器进行调整，这种调整常称为频率的一次调整。第二种变化负荷引起的频率变动仅靠调整器的作用往往不能将频率偏移限制在容许的范围内，这时必须有调频器参与频率调整，称为频率的二次调整。2.2电力系统频率特性电力系统负荷的有功功率随频率变化的关系曲线，称为电力系统负荷的有功功率频率静态特性，一般简称为负荷频率特性。由于工业生产中广泛应用异步电动机，所以电力系统的综合负荷是和频率密切相关的。虽然负荷和频率间呈现非线性关系，但考虑到在实际运行中频率偏移的允许值很小，因而可以认为在额定频率附近，电力系统综合负荷的有功功率与频率变化之间的关系接近于一直线。因此，可以近

19、似地认为负荷频率特性是一条直线。在这样的电力系统中，当系统频率升高时，负荷有功功率也会自动增大；反之，负荷有功功率就自动减少。且这种关系可以用直线的斜率来表示： (2-1)式中：为有功负荷变化量，MW；为频率变化量，Hz；称为负荷调节效应系数，MW/Hz。将式（2-1）中的和分别以额定有功负荷和额定频率为基准值的标幺植表示，则频率静态特性斜率的标幺值为： (2-2) 式中：为负荷调节效应系数的标幺值。由式（2-2）可以看出，不能人为的整定，它的大小取决于整个电力系统各类负荷的性质比重。在实际的电力系统中，=13，它的意思是：频率变化莫测1%时，有功负荷功率就相应变化1%3% 。2.2发电机机组

20、频率特性电力系统的负荷功率是靠发电机组供给的，当有功负荷发生变化时，发电机组输出的有功功率就随之发生变化，以保证频率偏移不超出允许范围。发电机组输出的有功功率与频率之间的关系称为发电机组的有功功率频率静态特性，简称发电机组的功频特性。发电机组输出有功功率的大小随频率变化的关系可由图1中直线的斜率来确定。即：图1 发电机组的功频特性如图1所示，发电机组功频特性的斜率为：（2-3）式中：为发电机组的单位调节功率，MW/Hz；为发电机组输出有功功率的变化量；为频率变化量，Hz。式（2-3）中的负号表示的变化与的变化相反。单位调节功率的标幺值（以额定频率和发电机输出的额定有功功率为基准值）为：（2-4

21、）式中：也称为发电机组的功频静态特性系数。另外，可以人为调节整定，但其大小，即调整范围要受机组调速机构的限制。2.3电力系统的一，二次调频电力系统的一次调频主要是依靠发电机组调速器自动调节发电机组有功功率输出的过程来调整频率的控制方法。在负荷变化时，除了已经满载运行的机组外，系统中的每台发电机都要参与一次调频。电力系统中负荷功率增加，系统会自动通过调速器调整发电机组的出力，使其输出功率增加，从而使得系统频率回升；当负荷功率减少时，通过调速器调整发电机组的出力，使其输出功率减少，系统频率就会回落，从而保证系统频率不会偏离允许值。电力系统进行一次频率调整时，仅发电机组的调速器动作，其调频过程可以描

22、述为：在正常运行的情况下，发电机组的输出功率和系统所消耗的总有功负荷功率相等，此时电力系统对应的频率为额定频率，系统处于平衡状态。若负荷增加了，发电机组此时还维持在原来的出力状态，则电力系统就会到达一个新的功率平衡。在这个新的功率平衡中，电力系统频率就变成了，功率变为。由于系统频率出现了偏差（小于0），为了维持原来的功率平衡，保持系统的稳定，发电机组的调速器会调节发电机组的转速，所以发电机组会增发功率（这个功率为：，其中为发电机组的单位调节功率）。另外，由于负荷本身的调节效应，负荷功率会减少，在这两者的共同作用下，就可以平衡了频率为时的负荷功率增量，即：（2-5）（2-6）式中：为电力系统的单

23、位调节功率，MW/Hz。电力系统的单位调节功率由两部分组成，由于的值不能人为改变，因此要改变的大小，只能通过发电机组的单位调节功率来改变。当电力系统中负荷增加量保持不变，电力系统的单位调节功率的增大，由式（2-3）可知，可以减少系统频率的扰动，甚至有可能保持稳定状态。根据式（2-4），的增大可以依靠增大来实现，增加发电机组的运行台数又能实现的增大，此时有：（2-7）（2-8）式中：为系统所有发电机组的等值单位调节功率；为第i台机组的单位调节功率。电力系统的一次调频控制是一种最为简单的控制方法，其响应速度较快，可适应小负荷短时间的波动,但是它不能运用于负荷分量变化幅度较大且变化周期较长的电力系统

24、中。因为所有的发电机组的调整速系统均为有差调节特性，因而一次调频只能改善系统的频率，并不能起到保证频率稳定的作用。当一次频率调整不能将频率调整到允许偏移范围内时，就需要在一次调频的基础上再进行频率调整，这就是二次频率调整。频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器，使发电机组的有功功率输出增大或者减小，从而使负荷功率变化所引起的频率偏移可保持在允许的范围内。负荷增加幅度较大时，根据一次调频的分析，我们可知，发电机组由于调速器的调整将会增发一部分功率，又由于负荷本身的调节效应，负荷功率会减少一部分，这就是一次调频。在一次调整的基础上进行二次调整，就是在负荷变动引起的频率偏移超出允许范围内时，操作调

25、频器增加发电机组发出的功率（设为），使频率回升到额定频率，保证系统运行质量。二次调频时，负荷增量由三部分调节功率所平衡。这三部分调节功率分别为：（1） 调速系统一次调频增发的功率；（2） 由于负荷调节效应的作用而自动减少的功率；（3） 同步器二次调频增发的功率。其数学表达式为（2-9）（2-10）由此可见，有二次调整时，除增加一项因操作调频器而增发的功率外，其它与仅有一次调整时没有差别。而正是因为发电机组增发了这一部分功率，使得系统频差有所下降，负荷所能获得的功率有所增加，当等于零时，也就实现了无差调频。2.4电力系统频率控制的基本任务 电力系统以自动负荷频率控制的发电控制方式维持系统中有功功

26、率和负荷之间的平衡，确保频率稳定在额定值附近。在自动负荷频率控制的实现中同时存在以下两个过程：1）当系统频率偏差超过机组的调节器死区时，调速器根据各自整定的调差率来改变机组的出力，以维持系统频率偏差在一定的范围内。这一过程称为一次调频。2）区域AGC根据相应的控制策略，计算出当前时刻维持频率于额定值所要求的本区输出有功功率的变化量，通过参与AGC控制机组出力的调整，来完成这种有功功率的改变。这一过程称为二次调频（二次控制）。一次调频是实时控制过程。只要系统偏差超过调速器死区，机组就会立即改变出力。它的响应过程较快，一般在数秒内完成。一次调频完成时，频率仍出现偏差。二次调频响应比一次调频慢，一般

27、区域AGC的控制周期为几秒，而各AGC控制机组改变实际出力达到目标值需要数十秒以上不等。在任意时刻，电源有功功率输出的变化量等于当前时刻一，二次调频引起机组出力变化的总和。 调整发电功率进行频率调整，即频率的二次调整控制。而电力系统频率控制与有功功率控制密切相关，其实质就是当系统机组输入功率与负荷功率失去平衡而使频率偏离额定值时，控制系统必须调节机组的出力，以保证电力系统频率的偏移在允许的范围之内。为了实现频率控制，系统中需要有足够的备用容量来应对计划外负荷的变化，而且还须具有一定的调整速度以适应负荷的变化。现代电力系统频率控制的研究主要有两方面的任务：分析和研究系统中各种因素对系统频率的影响

28、，如发电机出力、其本身的特性及相应的调整装置、负荷波动和旋转备用容量等，从而可以准确地寻找有效进行调频的切入点。建立频率控制模型，即在某一特定的系统条件下，选择恰当的发电机和负荷模型（在互联系统中还应考虑多系统互联的模型），并采用最优算法确定模型参数，在维持系统频率在给定水平的同时，考虑机组负荷的经济分配和保持电钟的准确性。根据GB/T 159451995，我国电力系统的额定频率为50Hz，电力系统正常频率允许偏差为0.2Hz（该标准适用于电力系统，但不适用于电气设备中的频率允许偏差），系统容量较小时可放宽到0.5Hz。2.5负荷频率控制方法2.5.1传统控制策略由于传统的比例积分控制不但应用

29、简单，而且在大量的工业应用中都能成功地将系统稳态误差调整为零，所以其应用非常广泛。但是它在动态性能控制方面表现出相对的不足，如过大的超调量或过长的动态调节时间，以及伴随着的暂态频率的震荡。控制实践表明积分增益的增大会导致超调量的增大，但是当积分增益减至零时，系统又将呈现稳态误差。为了静态和动态系统的精确性，一个可行的办法就是根据误差与标准值之间的比较值，将控制输出在比例和积分之间进行转变。然而，这种技术可能会导致系统输出的震荡响应，并且系统在适应新条件时，积分和比例增益的选择以及偏差值的得到都是相当困难的。由于电力系统负荷的改变引起的不稳定特性，系统运行点将会在一个周期内改变很大。固定增益控制

30、器都是在正常运行条件下而设计的，所以可能会在一个大范围扰动运行条件下并不能达到良好的控制效果。所以为了在大幅度扰动的运行条件下仍然能保持一个良好的控制效果，控制策略里就要求加入一些自适应的功能。自适应控制的任务是使系统在参数变化时能及时改变相应的参数，从而减小其敏感度。现在已经出现了带有自身调节的自适应控制器。虽然自适应控制器能够改善控制效果，但其设计过程复杂，并且需要在线模型识别系统。线性优化控制理论的应用能提高系统的暂态响应。但是这些控制器的实现却是很困难的，并且代价也是昂贵的。基于线性反馈控制技术和基于里卡提方程的鲁棒控制器也已经被应用于AGC问题。基于里卡提优化矩阵的控制器包含了需要计

31、算的大量的负荷和时间。即使状态估测技术是用来估测那些不可观测的状态变量的，但是数据却往往需要通过一定时间长距离的传输才能得到。将所有信息经过一段时间进行长距离的传输是很不经济的，不实用。并且优化控制理论必须要依赖于权值矩阵，但这些矩阵并不是唯一。在负荷频率控制问题方面，一些研究者已经应用变结构控制做了大量的工作。变结构控制VSC(Variable Structure Controllers)已经被应用到各种工程问题中，包括电力系统、航空、机器人。近20年来，变结构控制理论发展很快，与VSC控制设计的一个主要问题是选择反馈增益，通常情况下，增益选择通过实验校正来确定满足系统的增益。变结构控制增益

32、选择的问题是一个值得研究的问题。变结构控制理论是一种综合方法，它的突出特点是对内部参数的变动和外部扰动作用具有鲁棒性，或称不灵敏性，自适应性。因此变结构控制受到世界范围的重视，发展非常迅速。电力系统是一个典型的大维数动态系统，它具有强非线性、时变性且参数不确切可知，并含有大量未建模动态部分。而变结构控制器具有响应速度快，对被控系统的参数变化不敏感，鲁棒性好等优点，成为电力系统研究者关注的一个焦点。随着非线性系统线性化理论的突破性进展。产生了非线性系统变结构控制器的设计方法，这种方法设计的控制器将非线性系统的线性化理论和线性系统的变结构理论有机地结合起来，具有很强的鲁棒性。应用变结构控制的目的在

33、于当系统参数变化需要一个在实际中没有精确的状态空间描述时，却能够提供一个敏感的控制。但是变结构控制器在控制点切换时存在颤振现象，且它需要复杂的结构和设计，所以其实现是很困难与昂贵的。Sivaramakrishnan等人应用极点替换技术为LFC提供了一个变结构控制系统，这个系统为LFC应用了极点配置技术，从而在没有指定满足的滑模条件下,得到了期望的滑动模态,这个模态需要并行变换与增益的改变。上述所有的方法都需要在一定的现实条件下才能得到良好的性能。由于电力系统的非线性，要在广域范围内无条件的情况下得到如此的理想的性能是相当困难的。虽然上述这些方法某些方面确实在进步，但是他们全部比经典的PID控制

34、策略要复杂。2.5.2基于人工智能的控制策略随着人工智能技术的出现,比如模糊逻辑、神经网络以及神经-模糊系统等等,以及基于启发式算法的出现,比如遗传算法（GA）、模拟仿真（SA）与粒子群优化（PSO）,这些方法也逐渐被应用到AGC控制的研究中。人们对神经网络的研究是从1943年Mcculloch和Pitts提出第一个神经模型(MP)开始的。1982年美国物理学家Hopfield提出HNN模型，使神经网络的研究有了突破性进展。他通过引入能量函数的概念，给出了网络的稳定性判据，之后Rumelhart和Mcclelland以及他们领导的PDP小组致力于认知微观结构的探索提出了PDP理论。同时发展了多

35、层网络的BP学习算法，不仅为解决多层网络的学习问题开辟了成功之路，而且客观上将神经网络的研究推向了高潮。进入90年代以来，神经网络的研究进入了一个空前高涨的时期，多数研究集中在网络结构，学习算法和实际应用三个方面。例如对静态网络，提出了许多网络模型：如BP网络，正交函数网络，径向基函数RBF网络，样条函数网络，小波函数网络等模型。从应用角度看BP网络有很强的生物背景，虽与函数逼近理论略有差异，但是其卓越的输入输出映射特性在多变量函数逼近方面具有很强的优势。BP网络是目前应用最为广泛的一种网络模型。由于人工神经网络具有大规模并行、分布式存储和处理、自组织、自适应和自学习能力，所以它适合处理条件不

36、准确和模糊的信息。在1994年，有研究者已经将神经网络应用于负荷频率问题。通过在线反馈传播算法(BP)训练的前馈神经网络用来控制汽轮机的蒸汽调节阀。前面提到的控制器已经被运用于单区域和两区域系统中。通过每个区域的负荷扰动来研究其响应。没有竞争的人工神经网络也已经被采用，状态空间方程直接应用于表述系统的模型。研究者在1999年提出了基于两个区域互联系统的BP神经网络控制器。此控制器包括了两个模型，内部模型用于系统识别，以及作为控制发电机产生功率的逆模型。在此控制策略中,应用了基于步长滚动优化的离散优化的控制策略。Beaufays等人描述了在非线性电力系统控制中多层神经网络的应用，其神经网络应用于

37、控制计算机模拟发电机组的设定发电机功率输出。而Birch等人研究了一种利用神经网络联同一个标准自适应负荷频率控制策略进行智能控制。El-Metwally等人设计了一种控制器，它整合了基于神经网络的自动电压调节器与传统的电力系统稳定器。Chaturvedi等人研究了一种自动负荷频率控制器，应用人工神经网络，通过水与汽流量的控制用以控制发电机的转速从而达到调节输出功率与系统频率的目的。Salem等人在文章中设计实验验证了一种单一神经网络控制器作为励磁控制器应用于一个大规模电力系统物理模型中。另一种单一神经网络控制器的设计用来控制互联电力系统中每个区域的输入，并与传统的PI控制器相比较，其控制性能更

38、优。Demiroren等人设计了一种两区域互联电力系统的神经网络控制器，考虑其调节器死区效应和再热器，取得很好效果，且在设计了一种动态的神经网络模型自适应负载频率控制。然而仅仅用人工神经网络或小波神经网络构成的控制器有一些缺点，比如许多表示电力系统的状态的并行输入向量组成的神经网络需要经过很长的训练时间，并且需要大量的神经元、大量的训练数据与许多层来描绘这个复杂的功能。为了改善这些问题，动态小波神经网络和基于广义的神经网络已经开始被应用到LFC问题里。同时，自从Zadeh在1964年提出模糊逻辑理论以来，许多学者也将它引入到AGC的控制策略里去，并取得了一定的成果。Indulkar等人最早设计

39、了一个模糊控制器应用于自动发电控制并与经典PI控制器进行了仿真比较。Chang等人提出了一种新的模糊控制方法来研究负荷频率控制问题，其模糊逻辑与设定的PI控制器结合成一种新型的模糊控制器，并已经把这种方法应用于四个区域互联电力系统中，这个电力系统考虑了死区与GRC特性。Ha应用了鲁棒模糊滑模控制技术在负荷频率问题中，由一个等价控制、转换控制以及模糊控制构成控制信号，在电力系统中考虑了GRC特性与调节器死区特性。另一方面，Chown等人设计的模糊控制器在应用中不仅能使电网得到更好的控制，而且更经济。Talaq等人在他们的研究中提出了一种模糊自适应控制器，与基于自适应策略的神经网络控制器相比需要更

40、少的训练模式，并且仿真性能优于传统PI控制器。Ha等人提出了一种结合了变结构和模糊控制显著特征的控制方法，以实现高性能和鲁棒性。El-Sherbiny设计了一种具有两个层次的模糊逻辑控制器，仿真结果与常规的模糊控制器相比具有更小的超调量与更短的调节时间的优点。Ghoshal提出了一种为传统的积分增益自调整、快速计算的模糊积分增益调节方案的自动发电控制策略，在三个区域电力系统以及因此形成的径向和环向连接关系中获得了很好的应用。Yensil等人为解决负荷频率控制问题提出了一种自校正模糊PID控制器，与一般的模糊PID控制器比较得到了令人满意的结果。模糊控制的优点在于它可以很好地解决数学模型未知条件

41、下复杂系统或者对象动态特性时变系统的控制问题。因此，模糊控制器特别适合于模拟专家对模型未知的、复杂的、非线性的被控对象进行控制。不仅如此，近年来，随着对智能控制研究的深入，混合智能控制的应用成为一大潮流，也逐渐开始有学者将此应用到AGC里。Magid等人用遗传算法优化常规自动发电控制系统的参数，并展示了调整的自动发电控制参数的有效性。Dangprasert等人针对负荷频率控制的问题提出了基于遗传算法的智能控制器，其得到的仿真结果表明系统取得了良好的控制特性。Abdennour提出用智能算法为一系列电力系统的运行条件优化积分增益，通过仿真比较显示所提出的方案从性能和设计的角度来看是一个很有吸引力

42、的替代方式。介绍了两种不同的解决负荷频率问题的方法，一种是采用线性矩阵不等式方式基于H控制设计的方法，另一种是基于GA优化的方法，以达到与第一种方法同样的性能。这两种控制器的仿真结果表明它们本身都具有鲁棒性。Chia-Feng Juang等人给出了一种基于设定增益的模糊遗传算法在电力系统负荷频率控制中的应用。2.6负荷频率数学模型在自由的电力市场背景下，完整一体的“发电输电配电”结构已不存在，代替它的是分成 3 种配置任务的结构体，包括发电公司、输电公司、配电公司。发电公司是自由的电能生产者，他们可以通过相互间的竞争卖出生产的电能。输电公司的作用是在发电公司与配电公司之间传输电能。电力市场解制

43、前，每个控制区域都有固定的发电、配电界限范围，而解制以后，每个配电公司都可以自由选择与发电公司签订买卖电能合同，既可以选择与自己区域内的发电公司交易，也可以选择其他区域内的发电公司交易，此谓“双边交易”。输电公司发电公司配电公司配电公司联络线图2 电力市场结构由两个子系统组成的在电力市场背景下的电力系统动态模型如图2，其中为调速器时间常数；为汽轮机时间常数；为电力系统时间常数；（第一区域i=1,第二区域i=2，下同）为调速器速度的调节量；为频率偏移设定值；为电力系统增益；为控制器的控制量；为负荷干扰；为频率偏移增量；为联络线扰动的功率增量变化；为区域1和区域2之间的联络线功率同步系数。 图3

44、电力市场背景下的电力系统动态模型大型电力系统的供电地区幅员宽广，电源和负荷的分布情况比较复杂，频率调整难免引起网络中潮流的重新分布。如果把整个电力系统看作是由若干个分系统通过联络线连接而成的互联系统，那么在调整频率时，还必须注意联络线交换功率的问题。在这里，每个子系统看成一个被控域，每个域看成由一台发电机组与一个阻抗串联组成。 图4 负荷-频率控制（两区域）域的状态空间表示如下： （由个域）其中： ：域的母线相角偏离量（rad）；：域频率偏离量（Hz）；：域发电机组的输出功率量（p.u.）；：域的负荷扰动（p.u.）；：域系统模型时间常量（s）；：域系统增益；：域与域间联络线的同步系数；：域与

45、域间联络线上交换功率的偏离量（p.u.），与两区域母线相角偏离量之差成正比。系统全局状态空间为（设互联电力系统有个域）： 其中： 2.7本章小结本章介绍了电力系统的频率特性以及调频的重要性，电力系统频率控制的基本任务，传统的负荷频率控制方法，整个电力系统看作是由若干个分系统通过联络线连接而成的互联系统，每个子系统看成一个被控域，每个域看成由一台发电机组与一个阻抗串联组成，建立系统的状态方程，为后续的最优控制建立了动态模型。3最优化控制3.1最优化控制发展 最优化理论与算法是一个重要的数学分支，它所研究的问题是讨论在众多的方案中什么样的方案最优以及怎样找出最优方案。这类问题普遍存在。例如，工程设

46、计中怎样选择参数，使得设计方案既满足设计要求又能降低成本;资源分配中，怎样分配有限资源，使得分配方案既能满足各方面的基本要求，又能获得好的经济效益；生产计划安排中，选择怎样的计划方案才能提高产值和利润；原料配比中，怎样确定各种成分的比例，才能提高质量，降低成本；城建规划中，怎样安排工厂、机关、学校、商店、医院、住户和其它单位的合理布局， 才能方便群众。有利城市各行业的发展。农田规划中，怎样安排各种农作物的合理布局，才能保持高产稳产，发展地区优势；军事指挥中，怎样确定最佳作战方案，才能有效的消灭敌人，保存自己，有利于战争的全局；在人类活动的各个领域中，诸如此类，不胜枚举。最优化这一数学分支，正是

47、为这些问题的解决，提供理论基础和求解方法，它是一门应用广泛、实用性强的学科。最优化是个古老的课题，长期以来，人们对最优化问题进行探讨和研究。早在17世纪，英国的伟大科学家Newton发明微积分的时代，已经提出极值问题，后来又出现Lagrangian乘数法。1874年法国科学家Cauchy研究了函数值沿什么方向下降最快的问题，提出最速下降法。1939年苏联科学家提出了解决下料问题和运输问题这两种线性规划问题的求解方法。人们关于最优化问题的研究工作，随着历史的发展不断深入。但是，任何科学的进步，都受到历史重要重要条件的限制，直至本世纪三十年代，最优化这个古老课题并未形成独立的有系统的学科。四十年代以来，由于生产和科学研究突飞猛进的发展，特别是电子计算机日益广泛应用，便最优化问题的研究不仅成为一种迫切需要，而且有求解的有力工具。因此最优化理论和算法迅速发展起来，形成一个新的学科。最优化理论和算法在实际应用中正在发挥越来越大的作用。3.2最优化问题的基本概念与分类 建立最优化问题的数