同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式研究現(xiàn)狀

周從林

摘 ?要：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)對(duì)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性起著重要的作用，隨著快速勵(lì)磁系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，勵(lì)磁控制對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響效果越來越明顯，科技工作者對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期而廣泛的研究，取得了許多顯著的成果。研究主要集中在兩個(gè)方面：一是勵(lì)磁方式的改進(jìn)，二是勵(lì)磁控制方式的改進(jìn)。這兩方面是相互聯(lián)系的。隨著控制理論的不斷發(fā)展，勵(lì)磁控制方式主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，即單變量控制階段、線性多變量控制階段和非線性多變量控制階段。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī);勵(lì)磁控制方式;單變量;多變量;非線性多變量

一、基于單變量控制方式

單變量控制階段的控制規(guī)律是按發(fā)電機(jī)端電壓偏差△Vt的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)或△Vt的比例一積分一微分進(jìn)行調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)方式）。運(yùn)用古典控制理論建立按△Vt的比例進(jìn)行的勵(lì)磁調(diào)節(jié)是由于無法對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型描述而采取的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的控制方法，但對(duì)增益K的調(diào)整卻出現(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(shí)這二者是無法滿足的。隨之，就誕生了PID調(diào)節(jié)方式，它在一定程度上緩和了對(duì)單反饋量的勵(lì)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(duì)調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)要求之間的矛盾，它就相當(dāng)于一臺(tái)可自動(dòng)改變?cè)鲆娴谋壤秸{(diào)節(jié)器。

二、基于現(xiàn)代控制理論的多變量控制方式

為了進(jìn)一步改善電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)品質(zhì)，科學(xué)工作者提出了線性最優(yōu)勵(lì)磁控制方式，簡(jiǎn)稱LOEC。該控制方式由于考慮了電力系統(tǒng)多個(gè)控制目標(biāo)的綜合，并采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)，因而具有更好的動(dòng)態(tài)性能，在魯棒性和適應(yīng)性上也有很大的改善。

但是，LOEC勵(lì)磁控制方式也存在一些不足，首先由于設(shè)計(jì)是基于平衡點(diǎn)處的近似線性化模型，因而當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離所設(shè)計(jì)的平衡點(diǎn)時(shí)或在系統(tǒng)受大干擾引起的暫態(tài)過程中，不能夠保證具有很好的控制特性，即對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)變化的魯棒性得不到保證。

其次所設(shè)計(jì)的控制器和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力也無法得到保證。再次在多機(jī)系統(tǒng)線性最優(yōu)分散協(xié)調(diào)勵(lì)磁控制中，由于只能獲取有限的狀態(tài)變量，因此只能獲得相對(duì)次最優(yōu)的控制效果。最后，與AVR/PSS式勵(lì)磁控制器相比，往往缺少足夠高的電壓反饋增益。

三、非線性多變量勵(lì)磁控制方式

由于電力系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)非線性和結(jié)構(gòu)多變的系統(tǒng)，大多數(shù)實(shí)際工程控制系統(tǒng)也都是非線性系統(tǒng)。隨著非線性控制理論的發(fā)展，如微分幾何法、直接反饋線性化法，李雅普諾夫函數(shù)法，逆系統(tǒng)法等等，各種非線性勵(lì)磁控制方式也迅速發(fā)展起來。

a）李雅普諾夫方法

李雅普諾夫（LyaPunov）穩(wěn)定性定理是關(guān)于運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題的一般理論和方法，提出一個(gè)多世紀(jì)以來，大量學(xué)者圍繞其應(yīng)用作了系統(tǒng)的研究。該方法以李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)，通過構(gòu)造能反映機(jī)組運(yùn)行規(guī)律的李雅普諾夫函數(shù)并以其為最小目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。它的特點(diǎn)是直接考慮系統(tǒng)的非線性特性從而進(jìn)行控制。將李雅普諾夫函數(shù)法運(yùn)用到單機(jī)無窮大系統(tǒng)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)，并取得了較為滿意的結(jié)果。另外，該方法具有原理簡(jiǎn)單易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是LyaPunov函數(shù)不容易找到。且在多機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)分散控制。文獻(xiàn)將李雅普諾夫第二穩(wěn)定性理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)控制中，通過構(gòu)造反映機(jī)組運(yùn)行規(guī)律的李雅普諾夫函數(shù)并以其為最小目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些方法直接考慮系統(tǒng)的非線性特性，原理簡(jiǎn)單，易于掌握。其中推導(dǎo)了以同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、功角（轉(zhuǎn)子運(yùn)行角）和轉(zhuǎn)速等作為變量的非線性狀態(tài)方程，構(gòu)造出一個(gè)能反映機(jī)組運(yùn)行規(guī)律的LyaPunov函數(shù)，并根據(jù)LyaPunov漸進(jìn)穩(wěn)定原理設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制規(guī)律。用大范圍線性化方法將非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)，然后利用線性系統(tǒng)的Lyapunov方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是使用這種方法有一個(gè)較大的局限就是李雅普諾夫函數(shù)不容易得到，尤其是對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型超過三階時(shí)，尋找李雅普諾夫函數(shù)非常困難。

b）基于微分幾何數(shù)學(xué)方法

基于微分幾何方法屬于反饋線性化方法的一種，它通過合理的坐標(biāo)變換找到非線性反饋規(guī)律，引入虛擬控制量將非線性系統(tǒng)映射為一個(gè)線性系統(tǒng)，使非線性系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確線性化，線性控制理論所有的方法都可以直接加以利用，從而把非線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題。

近年來，許多學(xué)者將微分幾何方法引入到發(fā)電機(jī)非線性勵(lì)磁控制規(guī)律的設(shè)計(jì)中，取得了較為滿意的控制效果。該方法的缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)過程復(fù)雜、不直觀，不易為工程技術(shù)人員所掌握。

c）非線性變結(jié)構(gòu)和魯棒控制設(shè)計(jì)方法

八十年代以來，變結(jié)構(gòu)控制開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)中，研究表明其能有效地解決電力系統(tǒng)控制的魯棒性問題。

但目前這些方法還存在一些問題，如滑動(dòng)模態(tài)的到達(dá)條件比較嚴(yán)格，開關(guān)邏輯函數(shù)的設(shè)計(jì)比較困難等。特別是變結(jié)構(gòu)控制的抖動(dòng)問題嚴(yán)重影響了它的廣泛應(yīng)用。

魯棒勵(lì)磁控制的主要目的是通過一種設(shè)計(jì)方法來保證得到的控制器在預(yù)定的參數(shù)和結(jié)構(gòu)擾動(dòng)下仍然能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。目前，己有大量的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了以滑模變結(jié)構(gòu)控制、 控制和 綜合理論為代表的魯棒控制理論在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。研究表明，它們具有良好的針對(duì)參數(shù)攝動(dòng)、非線性項(xiàng)和不確定的魯棒性，有很樂觀的應(yīng)用前景。但該設(shè)計(jì)方法有其不足之處，如控制理論本身有待進(jìn)一步完善，而且在應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制設(shè)計(jì)時(shí)，在模型和實(shí)現(xiàn)上還有許多實(shí)際問題需要進(jìn)一步研究。

四、智能控制方法

隨著智能控制理論的迅速發(fā)展，模糊邏輯勵(lì)磁控制、基于規(guī)則（專家系統(tǒng)）的勵(lì)磁控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勵(lì)磁控制、基于迭代學(xué)習(xí)算法的勵(lì)磁控制等許多先進(jìn)控制策略被廣泛地應(yīng)用到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制中。近年來，模糊控制技術(shù)得到了越來越多的重視，模糊控制不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，魯棒性好，簡(jiǎn)單實(shí)用，可以離線形成控制表存儲(chǔ)在控制器中，可以很好地滿足勵(lì)磁控制系統(tǒng)快速反應(yīng)的要求，因而在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)上受到關(guān)注，并取得了一定的實(shí)際效果。

參考文獻(xiàn)

[1] ?楊冠成.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理（第四版）.2007.中國(guó)電力出版社.北京34-38

[2] ?陸繼明，毛承雄.同步發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁控制.2005.中國(guó)電力出版社.北京77-89