端電壓及功角雙重穩(wěn)定約束魯棒自適應(yīng)勵磁控制

遲福建 劉聰 申剛 尚德華 田艷華 李桂鑫 王哲

摘要：為實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)非線性控制的端電壓和功角雙重穩(wěn)定約束，基于非線性坐標(biāo)變換方法，構(gòu)建勵磁系統(tǒng)非線性等價(jià)系統(tǒng)模型，采用魯棒自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)Lyapunov函數(shù)構(gòu)建、參數(shù)自適應(yīng)估計(jì)和等價(jià)系統(tǒng)耗散穩(wěn)定控制。在輸出功率增加和三相接地故障狀態(tài)下，對新的勵磁控制方法進(jìn)行仿真測試和分析。仿真結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)反演魯棒勵磁控制方法，狀態(tài)變量波動次數(shù)減少50%，端電壓和功角穩(wěn)定時間由0.2s縮短為0.1s，端電壓始終保持為額定電壓，沒有出現(xiàn)電壓偏移問題，不確定參數(shù)能夠在0.05s內(nèi)完成估測。研究成果對于提高勵磁系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定能力和端電壓恒定控制精度具有一定意義。

關(guān)鍵詞：非線性控制;端電壓及功角穩(wěn)定;魯棒自適應(yīng)控制;參數(shù)自適應(yīng);勵磁系統(tǒng)

中圖分類號：TM721文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0129-06

0引言

在獨(dú)立電力系統(tǒng)或陸地?zé)o窮大電網(wǎng)中，勵磁控制系統(tǒng)均擔(dān)負(fù)著電壓調(diào)節(jié)和改善電力系統(tǒng)動、靜態(tài)穩(wěn)定控制的重要功能，所以勵磁控制技術(shù)是眾多學(xué)者關(guān)注的研究內(nèi)容。

勵磁系統(tǒng)模型具有非線性、內(nèi)部參數(shù)不確定和外部干擾不確定的特征。為了提高勵磁控制的性能，文獻(xiàn)[2]采用反演自適應(yīng)設(shè)計(jì)的方法對勵磁控制進(jìn)行了分析，但是該方法更多關(guān)注的是功角穩(wěn)定性，對于發(fā)電機(jī)端電壓恒定性問題考慮不足;文獻(xiàn)14l采用自抗擾控制策略對勵磁系統(tǒng)非線性控制進(jìn)行了分析，但是并沒有考慮系統(tǒng)模型的不確定特征;文獻(xiàn)[5]采用高階滑模控制對勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定控制進(jìn)行了分析，同樣在勵磁控制過程中沒有考慮阻尼系數(shù)等模型不確定參數(shù)和端電壓恒定控制問題;文獻(xiàn)[6]采用Lyapunov函數(shù)設(shè)計(jì)與H∞控制相結(jié)合方法詳細(xì)分析了含有參數(shù)不確定和外部干擾的勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定控制問題，實(shí)現(xiàn)了勵磁系統(tǒng)功角的魯棒穩(wěn)定控制，但是并沒有考慮發(fā)電機(jī)端電壓恒定控制問題;文獻(xiàn)[7]采用精確反饋線性化方法解決了非線性勵磁系統(tǒng)最優(yōu)控制問題;文獻(xiàn)[8-9]基于耗散系統(tǒng)理論的Hamilton系統(tǒng)穩(wěn)定控制理論，從穩(wěn)定系統(tǒng)能量函數(shù)角度對勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定控制進(jìn)行了分析，但是同樣沒有考慮勵磁系統(tǒng)的參數(shù)不確定性問題;文獻(xiàn)[10]采用目標(biāo)全息方法，通過構(gòu)建勵磁系統(tǒng)布魯諾夫斯基標(biāo)準(zhǔn)型模型，給出了勵磁系統(tǒng)非線性最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)方法;文獻(xiàn)[11]采用終端滑模控制方法對勵磁系統(tǒng)控制進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了滑模勵磁控制的弱抖振控制;文獻(xiàn)[12]采用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測的方法，對不確定非線性部分進(jìn)行了估測，最終實(shí)現(xiàn)了勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定控制;文獻(xiàn)[13]通過綜合考慮電力系統(tǒng)的綜合慣量中心，在實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定控制的同時，兼顧了端電壓恒定控制，但是給出的控制律非常復(fù)雜，且含有微分項(xiàng)，增加了工程實(shí)現(xiàn)的難度。

本文在詳細(xì)分析勵磁系統(tǒng)非線性不確定模型的基礎(chǔ)上，將Ly印unoV函數(shù)構(gòu)建和耗散系統(tǒng)理論相結(jié)合，給出了一種綜合實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)端電壓恒定和功角穩(wěn)定控制的魯棒自適應(yīng)控制方法。由于所給控制方法同時考慮了勵磁系統(tǒng)的非線性、不確定和外部干擾特點(diǎn)，且在控制律推導(dǎo)過程中最大限度地保留了勵磁系統(tǒng)的非線性特征，因此，對于提高勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定控制性能具有一定的意義。為了驗(yàn)證本文方法的性能，在三相接地故障和負(fù)載突變兩種運(yùn)行狀態(tài)下，對勵磁控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。

1勵磁系統(tǒng)模型非線性及不確定性分析

在大范圍運(yùn)行狀況下，由于電抗飽和特性、阻尼系數(shù)的不精確性和外部干擾影響，勵磁系統(tǒng)非線性模型可表示為

由上述推導(dǎo)可知，勵磁控制規(guī)律式（26）完整地保留了系統(tǒng)的非線性特性，且可以達(dá)到AU為零的目標(biāo)，因此，具有非線性魯棒穩(wěn)定控制和消除端電壓偏差的雙重優(yōu)勢。

3仿真測試與分析

為了驗(yàn)證所提魯棒自適應(yīng)勵磁控制性能，并與傳統(tǒng)反演魯棒勵磁控制進(jìn)行對比，分別對負(fù)載突變和三相接地故障進(jìn)行了仿真。勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

傳統(tǒng)反演魯棒勵磁控制與本文所提控制方法主要區(qū)別是前者不具備參數(shù)自適應(yīng)功能，且沒有考慮式（4）表示的端電壓穩(wěn)定控制功能，所以除參數(shù)p外，其他控制參數(shù)選擇與本文給出的魯棒自適應(yīng)控制方法相同。

3.1負(fù)載增加仿真測試及分析

勵磁系統(tǒng)模型中發(fā)電機(jī)的額定容量為500MV'A，初始輸出功率為180MW，在1.28s時突然增加輸出功率為200MW，Q=80MWar。分別采用傳統(tǒng)反演魯棒勵磁控制與本文所提魯棒自適應(yīng)控制方法進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

比較圖2（a）和圖2（b）可知，采用本文所提魯棒自適應(yīng)勵磁控制方法后，由于考慮了勵磁系統(tǒng)參數(shù)不確定性特征和發(fā)電機(jī)端電壓恒定控制約束，△E'q的波動次數(shù)由3次降低為1次，且穩(wěn)定時間由0.2s降低0.1s左右。由圖2（c）和圖2（d）可知，不確定參數(shù)θ能夠很快地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定估測，在負(fù)載變化前后，采用魯棒自適應(yīng)控制時，端電壓始終保持為額定電壓，而采用非魯棒自適應(yīng)控制時，端電壓出現(xiàn)了較大的偏差。

3.2三相接地故障仿真測試及分析

發(fā)電機(jī)額定容量同前，初始負(fù)載值為140Mw，在1.05s時在升壓變壓器的二次側(cè)發(fā)生持續(xù)0.1s的三相接地故障。分別采用傳統(tǒng)反演魯棒勵磁控制與本文所提魯棒自適應(yīng)控制方法進(jìn)行仿真，仿真對比結(jié)果如圖3所示。

比較圖3（a）和圖3（b）可知，發(fā)生三相接地故障后，相對于傳統(tǒng)反演魯棒勵磁控制，采用本文所提魯棒自適應(yīng)勵磁控制方法后，功角和暫態(tài)電勢的穩(wěn)定時間縮短。由圖3（c）和圖3（d）可知，不確定參數(shù)能夠同樣可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定估測，且端電壓超量由原來的2.7倍縮小為2.4倍，端電壓的波動次數(shù)由5次減少為2次。

4結(jié)束語

本文基于非線性系統(tǒng)耗散系統(tǒng)穩(wěn)定控制理論，采用Lyapunov函數(shù)設(shè)計(jì)和參數(shù)自適應(yīng)估測相結(jié)合方法，給出了一種端電壓和功角雙重穩(wěn)定約束的魯棒自適應(yīng)勵磁控制新方法，解決勵磁系統(tǒng)端電壓恒定和功角雙重穩(wěn)定控制的勵磁系統(tǒng)自適應(yīng)控制問題。為驗(yàn)證所提控制方法的有效性，在輸出功率增加和三相接地故障情形下進(jìn)行了仿真測試，并與傳統(tǒng)反演魯棒控制方法進(jìn)行了對比分析，仿真結(jié)果表明，端電壓能夠始終保持為額定值，解決了傳統(tǒng)反演魯棒勵磁控制中端電壓隨負(fù)載增加而偏差增大的不足，狀態(tài)變量的穩(wěn)定速度得到明顯提高，不確定參數(shù)能夠快速實(shí)現(xiàn)跟蹤估測，在三相接地故障狀態(tài)下，端電壓的超調(diào)和震蕩明顯減弱。研究成果對于提高勵磁系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定能力和端電壓恒定精度具有一定意義。