可控励磁发电系统综合性实验的设计电气工程及其自动化专业本科毕业论文

可控励磁发电系统综合性实验的设计电气工程及其自动化专业本科毕业论文内容摘要：

数学模型描述而采取的一种简单实用的控制方法，但对增益 K 的调整却出现了矛盾。 要使闭环系统成为稳定系统，必须将增益 K 的值限制在一定范围，而要提高系统的稳态精度就得使增益 K 大于某一值，有时这二者是无法满足的。 随之，就诞生了 PID 调节方式，它在一定程度上缓和了对单反馈量的励磁调节系统，按系统稳定性与按稳态调压精度对调节器放大倍数要求之间的矛盾，它就相当于一台可自动改变增益的比例式调节器。 蹉蘖 蹉蘖 6 蹉蘖 基于现代控制理论的多变量控制方式 蹉蘖 为了进一步改善与提高电力系统的动态品质与 小干扰稳定性，多变量反馈的励磁控制方式便逐步发展起来。 具有代表性的方法就是增加了 PSS环节的 PID 励磁控制和 LOEC 线性最优励磁控制。 所谓 PSS 的控制方式，实际上是采用双状态变量的反馈控制方式，就是在励磁调节器中除了用状态量  Vt 作为反馈量外再引入一附加镇定参量。 为了得到尽可能好的控制效果，所引的镇定参量不是直接进行反馈于另一反馈量  Vt 相加，而是经过一定的校正环节后再与反馈量  Vt 相加，目前所采用的附加镇定参量种类有转速  w，发电机端电压的频率  f，发电机电磁功率  pe。 PSS环节的存在，在其参数设计和选取得比较合适的条件下，可使原有的 PID控制系统主导特征值左移，起到改善电力系统阻尼特性和小干扰稳定性的作用。 蹉蘖 为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及动态品质，科学工作者提出了线性最优励磁控制方式，简称 LOEC。 该控制方式由于考虑了电力系统多个控制目标的综合，并采用最优化设计，因而具有更好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也有很大的改善。 弥补了 PSS 控制方式的不足之处。 最优控制理论的主要特点是 :不是建立在传递函数的基础上，而是建立在空间状态方程的基础上，是基于系统稳定性的方法。 适用于多控制量的系统。 可以根据被控对象的实际要求，用解析的方法得出最优控制规律，以保证要求的性能指标达到极值。 不局限于常系数线性系统，而亦适用于时变的线性系统、非线性系统及离散系统等。 描述发电机系统的运动方程是一系列非线性方程，线性最优控制将这些 非线性方程在时域内逐点线性化，计算出最优控制规律。 控制效果与 PSS 相比，可提高发电机的静稳 20%，提高暂稳 30%。 其局限性之一是线性化的结果与实际的非线性方程有一定的偏离；其二是当电力系统的接线方式发生变化，其描述系统的状态方程将和实际的系统出现偏差而导致控制性能出现微小的下降。 但这种控制规律比起 PID+PSS 仍然具有明显的优势。 它是基于电力系统状态变量的线性组合，这种控制方式具有以下优点 :第一，可直接根据解析结果整定控制器的最优参数。 第二，系统在偏离设计的最优运行状态下的动态响应与设计的最优运行状态下的动 态响应之间相差甚微。 第三，最优励磁控制规律是全部状态量的最优线性组合。 这种组合能够保证系统在过渡过程中各状态量对其稳态值的平方误差的积分最小，故其控制效果不受振荡频率的影响。 第四，可使系统获得高的微动态稳定极限。 蹉蘖 但是， LOEC 励磁控制方式也存在一些不足，首先由于设计是基于平衡点处的近似线性化模型，因而当系统远离所设计的平衡点时或在系统受大干扰引起的暂态过程中，不能够保证具有很好的控制特性，即对系统的运行点变化的鲁棒性得不到保证。 蹉蘖 蹉蘖 7 蹉蘖 其次所设计的控制器和网络结构相关，对系统网络结构变化的适应能力也无法 得到保证。 再次在多机系统线性最优分散协调励磁控制中，由于只能获取有限的状态变量，因此只能获得相对次最优的控制效果。 最后，与 AVR/PSS 式励磁控制器相比，往往缺少足够高的电压反馈增益。 蹉蘖 非线性多变量励磁控制方式 蹉蘖 由于电力系统是一个强非线性和结构多变的系统，大多数实际工程控制系统也都是非线性系统，非线性系统的问题最后要用非线性的控制理论来解决。 随着非线性控制理论的发展，如微分几何法、直接反馈线性化法，李雅普诺夫函数法，变结构控制、逆系统法等等，各种非线性励磁控制方式也迅速发展起来。 蹉蘖 a)李雅普诺夫方法 蹉蘖 李雅普诺夫 (LyaPunov)稳定性定理是关于运动稳定性问题的一般理论和方法，提出一个多世纪以来，大量学者围绕其应用作了系统的研究。 该方法以李雅普诺夫第二稳定性理论为基础，通过构造能反映机组运行规律的李雅普诺夫函数并以其为最小目标进行设计。 它的特点是直接考虑系统的非线性特性从而进行控制。 将李雅普诺夫函数法运用到单机无穷大系统励磁控制器的设计，并取得了较为满意的结果。 另外，该方法具有原理简单易于掌握等优点，但缺点是 LyaPunov 函数不容易找到。 且在多机系统的设计中难以实现分散控制。 文献将 李雅普诺夫第二稳定性理论应用到电力系统控制中，通过构造反映机组运行规律的李雅普诺夫函数并以其为最小目标进行设计。 这些方法直接考虑系统的非线性特性，原理简单，易于掌握。 其中推导了以同步发电机机端电压、功角 (转子运行角 )和转速等作为变量的非线性状态方程，构造出一个能反映机组运行规律的 LyaPunov函数，并根据 LyaPunov 渐进稳定原理设计发电机组的励磁控制规律。 用大范围线性化方法将非线性系统转化为线性系统，然后利用线性系统的Lyapunov 方法进行设计。 但是使用这种方法有一个较大的局限就是李雅普诺夫函数不容 易得到，尤其是对于复杂系统，当系统数学模型超过三阶时，寻找李雅普诺夫函数非常困难。 蹉蘖 b)基于微分几何数学方法 蹉蘖 基于微分几何方法属于反馈线性化方法的一种，它通过合理的坐标变换找到非线性反馈规律，引入虚拟控制量将非线性系统映射为一个线性系统，使非线性系统在一定范围内实现精确线性化，线性控制理论所有的方法都可以直接加以利用，从而把非线性系统的分析与设计转化为线性系统的分析与设计问题。 蹉蘖 近年来，许多学者将微分几何方法引入到发电机非线性励磁控制规律的设计中，取得了较为满意的控制效果。 该方法的缺点是数学过程 复杂、不直观，不易为工程技术人员所掌握。 蹉蘖 蹉蘖 8 蹉蘖 直接反馈线性化方法是另一种使非线性系统实现线性化的方法，与微分几何法相比，这种方法数学过程非常简单，不需要进行复杂的坐标变换和数学推导，直接便可得到线性化的结果。 通过变化系统的状态方程，使非线性因素和控制量集中出现在某一高阶微分方程中，通过虚拟控制输入量的建立，直接找到非线性补偿规律，从而使原非线性系统达到线性化的目的。 该方法的优点是数学过程简单，物理概念清晰，且适用于所有非线性系统，易于工程应用。 缺点是运用该方法设计的控制器与网络参数有关，因此无法保证对网络变 化的鲁棒性。 用解析的方法证明直接反馈线性化方法和微分几何法可以得到完全相同的非线性励磁控制规律。 蹉蘖 上述应用于电力系统的微分几何方法，直接线性化和逆系统方法实质上都是一种反馈线性化的方法。 它们把非线性的电力系统控制问题，采用各种方法，线性化成线性系统，再利用线性控制理论加以分析与设计，克服了采用单点线性化模型产生的不足，对发电机运行点的变化和系统网络结构的改变具有较好的适应能力。 蹉蘖 c)非线性变结构和鲁棒控制设计方法 蹉蘖 八十年代以来，变结构控制开始应用于电力系统同步发电机励磁控制器的设计中，研究表明其 能有效地解决电力系统控制的鲁棒性问题。 蹉蘖 但目前这些方法还存在一些问题，如滑动模态的到达条件比较严格，开关逻辑函数的设计比较困难等。 特别是变结构控制的抖动问题严重影响了它的广泛应用。 蹉蘖 鲁棒励磁控制的主要目的是通过一种设计方法来保证得到的控制器在预定的参数和结构扰动下仍然能保证系统的稳定性和可用性。 目前，己有大量的文献报导了以滑模变结构控制、 H 控制和  综合理论为代表的鲁棒控制理论在发电机励磁控制器设计中的 应用。 研究表明，它们具有良好的针对参数摄动、非线性项和不确定的鲁棒性，有很乐观的应用前景。 但该设计方法有其不足之处，如控制理论本身有待进一步完善，而且在应用于发电机励磁控制设计时，在模型和实现上还有许多实际问题需要进一步研究。 蹉蘖 智能控制方法 蹉蘖 随着智能控制理论的迅速发展，模糊逻辑励磁控制、基于规则 (专家系统 )的励磁控制、人工神经网络励磁控制、基于迭代学习算法的励磁控制等许多先进控制策略被广泛地应用到发电机励磁控制中。 在人工智能应用于励磁控制时，并不需要被控对象精确的数学模型，其控制效果是由控 制规则及其对系统运行变化的适应能力决定的。 近年来，模糊控制技术得到了越来越多的重视，模糊控制不依赖对象的数学模型，鲁棒性好，简单实用，可以离线形成控制表存储在控制器中，可以很好地满足励磁控制系统快速反应的要求，因而在发电机励磁控制器的设计上受到关注，并取得了蹉蘖 9 蹉蘖 一定的实际效果。 蹉蘖 蹉蘖 国外研究及发展状况 蹉蘖 大型同步发电机励磁控制研究长期以来是一个非常活跃的领域，成为各种控制理论和方法的“试金石” ,经过多年的探索，在理论和实践上 ,都已取得了丰硕的成果；而在目前和将来 ,随着电网规模的不断扩大及其对安全稳 定性水平要求的提高，以及控制理论的推陈出新 ,这一领域的研究将继续深入发展。 作者认为，在当前 ,应该对此进行一些实事求是和“承上启下”的分析和小结，以明确：哪些问题已得到了比较圆满的解决，不需要再花精力去研究了哪些关键问题还没有得到满意的解答，是今后研究的着力点；哪些问题仍然模糊不清，亟待明确。 而哪些问题乃细枝末节，不必沉溺于其中等等，将是大有裨益的事。 诚然 ,想完成这件有益的事并非一两个研究组发表一两篇文章所能胜任的。 需要不同学派同仁各抒己见、集思广益，方能奏效。 文章尝试对大型发电机组励磁控制发展的历史和现状作 一简要概括，并从工程角度对已经比较好地解决了的问题、尚存在的问题以及未来大致走向发表拙见。 “疑义相与析”，仅供广大电力科研人员特别是长期从事励磁控制研究的学者参考。 蹉蘖 现代大型同步发电机励磁控制的主要目标包括：高精度的电压调节功能。 机组无功功率分配功能；提供适当的人工阻尼和提高系统稳定性和传输功率的功能，其中稳定性主要指功角稳定性 (包括静态、暂态和动态稳定性 )和电压稳定性。 励磁控制设计需要解决的关键问题有： 计所需的多机系统降阶动态等值问题； ； 性问题 —— 包括 可微非线性和不可微强非线性 (如控制限幅 )的处理及机端电压的处理问题； ,即分散与解耦控制问题； ； 协调问题； ； ，励磁控制器对不同运行点、运行方式和扰动模式的适应能力和优化程度； ,包括闭环系统的稳定性、鲁棒性等。 蹉蘖 关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地解决，它们是进一步研究的重点所在。 多机系统中的“强”非线性问题 ,即考虑控制限幅、饱和、切换以 及各种实际约束 (如端电压约束 )条件下的控制系统综合和分析问题。 现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常规非线性 (或称为光滑可逆非线性 )问题，而对工程实际中广泛存在的强非线性“视而不见”，或者只是做事后的定性校验；针对单机无穷大电力系统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段 LQ 励磁控制策略 ,而对于一般情况的多机电力系统尚需要进行更深入的研究。 将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设蹉蘖 10 蹉蘖 计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的鲁棒自适应励磁控制问题。 多目标协 调问题。 由于控制手段增多，调节系统的侧重点和能力各异，因此有必要从整体出发。 规划不同控制手段之间的协调工作方式，以解决电力系统的多目标控制问题。 动态协调控制问题。 目前的协调控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑系统运行方式和网络拓扑变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应该考虑控制器之间的在线动态协调问题。 电力工业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励磁控制的新要求基于 GPS 的多机系统励磁优化协调控制的研究 蹉蘖 励磁控制器是同步发电机励磁系统的重要部件。 20 世纪 50 年代以来，磁放大器出现后，常被用 用直流励磁机系统。 20 世纪 60 年代初期，随着半导体技术的发展，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体励磁调节器。 到 20 世纪 70 年代初期，半导体励磁调节器已获得广泛应用。 蹉蘖 励磁控制理论的发展与自动控制理论本身的发展是息息相关的，控制理论总的发展趋势是由单变量到多变量，由线性到非线性，再到智能化控制。 同样，励磁控制方式的发展也经历了一条与之相应的道路。 蹉蘖 励磁控制发展的第一阶段可称之为古典励磁控制方式。 在这一阶段，励磁控制首先从单机系统的分析和设计开始，提出了按发电机端电压偏差进行比例式调节的单输入 —— 单输出地励磁控制方式，即比例调节方式。 由于比例调节方式不能很好满足大电力系统对抑制震荡、提高静态稳定极限以及稳态电压调节精度等方面要求，于是便发展到按发电机端电压偏差的比例 — 积分 — 微分 — 调节的 PID（ ProportionalIntergralDifferential）调节方式。 这两种调节方式都是基于线性传递函数数学模型上的单变量设计方法。 蹉蘖 美国学者 和 采用古典控制理论中的相位补偿原理，于 1969 年提出了电力系统稳定器的辅助励磁控制策略，从而形成了“ AVR+PSS”结构的励磁控制器。 这一控制方式至今仍被广泛使用。 蹉蘖 随着现代控制理论和实践的发展，研究方法和工具得到了不断的改进。 20。