发电机组励磁与汽门开度的协调控制

发布时间：2016-06-25 22:25

1  绪论 

1.1  电力系统稳定性研究的背景及意义
电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等部分构成的电能的生产与消耗的系统。它是用来将一次能源通过各种电力装备转化成人们生产、生活所需要的电能。之后经过电力线路的传输，将电能分配到相应的负荷中心。最终，通过电力设备的转换变成热能、光能、机械能等，为各个地方的经济和人民生活服务。电力系统是一个复杂庞大的非线性系统，它包括发电机、变压器、输电线路和负荷等一系列电气一次装置以及相应的继电保护电气二次装置。 近年来，随着社会的进步，人们经济水平的不断提高，电力能源的消耗也在急剧上升，高电压、大容量电网正在逐步形成。因此，电力系统的的稳定性控制受到越来越多人的重视[1-3]。在开始时，人们从两方面来分析电力系统的稳定性，包括静态稳定分析和动态稳定分析，其中静态稳定（Steady-State Stability）指系统受到小干扰后，保持所有运行参数接近正常值的能力。动态稳定（Dynamic Stability）指系统受到大的扰动后，，系统运行参数恢复到正常值的能力。2004 年 8 月，人们重新制定了电力系统稳定性的定义和分类，即将电力系统稳定性分成了三类：功角稳定、频率稳定以及电压稳定[4]。所谓的功角稳定主要是用来表征电力系统在受到外界干扰时维持同步的能力。频率稳定是指当系统出现故障后，由于负荷的突然变大或减小从而引起发电机的有功不足或过剩导致系统不平衡时，能保证频率在额定值上下且偏移在一定范围内的能力。电压的稳定性表征电力系统开始是在给定的初始条件下运行，当遇到电力系统出现大的故障或者受到外界的扰动时，各个等级母线电压维持稳定的能力[5]。电力系统的稳定性研究是一个非常复杂的过程，不仅有很多不同的控制目标，还有无数个不同的控制方法。电力系统的分析针对的是高阶的、非线性系统。每一次系统的大事故，都使人们加深了对电力系统的认识，然而每一次事故都伴随着巨大的经济损失，因此我们应该尽可能的从事故中，挖掘新知识，积累经验。在 1996 年的 7 月 2 日美国西部电力系统大停电事故中[6]，由刚开始吉姆布端几（Jim  Bridger）电厂至金姆波特（Kimport）345KV 线路单相接地，由于线路继电保护误动，并行的三回 345KV 输电线切除，接着吉姆布端几电厂发电机亦跳闸，造成爱达荷州（Idaho）南部地区，缺乏大量无功功率及有功功率，于是从西部俄瑞冈州（Oregon）及东北部蒙大拿州（Montana），送入大量无功功率和有功功率，造成西部主联络线电压下降，并先后使得蒙大拿州（Montana）至爱达荷州（Idaho）及俄瑞冈州（Oregon）至爱达荷州（Idaho）的两回 230KV 输电线，因过负荷而先后切除，于是爱达荷州南部电压严重下降，从而引起一系列的线路、发电机切除，事故扩大到整个系统，导致 150 万~200 万用户停电。
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1.2  电力系统稳定性控制对象的概述 
电力系统的稳定性控制对象包括励磁控制和汽门控制。早在 20 世纪 60 年代，人们就提出了电力系统稳定器技术的概念。这项技术是指通过控制发电机的励磁系统来提高系统稳定性[7-10]，当时基于这种技术的研究就已经取得了一定的成就。后来，中国在这项技术的发展和工业推广方面，进行了出色的工作，使中国在这项技术上接近了国际水平。目前，发电机的励磁研究已经成为提高电力系统稳定性控制的必选手段。 同步发电机的励磁系统包括励磁电源和励磁装置两部分构成。其中励磁电源是指励磁变压器或者励磁机，而励磁装置是用来控制和调节励磁电流的电气调控装置。在实际正常运行的电力系统中，发电机不仅能够提供电力系统所需要的有功功率，而且还是无功功率的主要来源。发电机的励磁系统是发电机的主要组成部分，在维持电力系统稳定性方面有很大的作用。一旦电力系统发生故障，负荷急剧变化，此时，发电机励磁系统通过调节励磁装置来改变励磁电流，维持发电机的极端电压在给定的范围内，从而提高电力系统的稳定性。同时，当发电机内部出现故障时，励磁装置还会有强行增磁、减磁、以及灭磁功能，来减小故障损失。从不同的励磁电源方面考虑.
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2  考虑约束的发电机励磁和汽门开度的协调控制器设计

2.1  引言
近几年，电力行业的迅速发展，科学经济的不断进步，使得人们的生活水平得以不断提高，快速上升的用电需求让电力系统的稳定性研究越来越受关注。目前，我们国家的超高压电网正在逐步形成，电力网络变得日益复杂，因此对于电力系统的稳定性控制研究也得到了越来越多人的重视[39]。之前，在世界各地发生过的许多大的停电事故，不仅造成了大量的经济损失，而且人员伤亡也极其惨重，这也使得世界各国对电力系统的稳定性要求越来越严格。发电机的稳定性控制手段包括励磁控制和汽门开度控制，但是仅仅依靠其中一种控制手段已经不能很好地提高其稳定性，很难达到我们理想的稳定目标，因此许多人考虑将两种控制对象相结合，通过励磁与汽门开度系统的协调控制来达到系统稳定运行的目的。 电力系统的协调控制不仅很好地解决了系统中负荷随机变化或者存在外界干扰时系统的稳定性问题，并且对于发电机组的功角稳定问题也具有重要作用。因此针对发电机组协调控制的必要性，人们提出了大量的控制策略[40-44]：文献[40]研究的是单机无穷大电力系统的四阶数学模型，通过设计一个 Lyapunov 函数，使得系统在励磁电压的控制下，系统能够快速恢复到平衡点。最后通过仿真验证了发电机存在干扰或者发生三相短路时，系统仍旧能够保持动态稳定，证明了设计的非线性鲁棒励磁控制器在系统稳定运行方面相对于传统的方法比较可靠。文献[41]研究的是考虑了存在不确定参数和外部干扰时的电力系统，利用非线性 backstepping 控制方法，分步构造了闭环系统的 Lyapunov 函数，使每一阶系统均达到稳定状态，从而得到全局稳定目标，进而得到具有抑制干扰的反馈控制器。文献[42]将控制对象设置为 TCSC 和发电机励磁系统相结合，先将非线性电力系统进行线性化，再针对线性化后的模型，采用滑模控制理论设计控制器，最终使系统达到稳定。在文献[43]中，作者选取的是五阶电力系统模型，先将非线性系统进行了线性化，再通过选用基于 Lyapunov函数的滑模变结构方法设计 SVC、励磁、汽门开度的协调滑模控制器。最后的仿真实验表明，文章中设计的协调控制器相对于传统的控制器和非线性最优控制器具有更好的动态响应和鲁棒性。 
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2.2  系统描述
本文基于单机无穷大电力系统模型，对发电机组励磁与汽门系统进行协调控制。针对图 2.1 所示的单机无穷大电力系统，在系统发生故障到恢复稳态运行的过程中，发电机通过调节励磁电压从而改变系统的电磁功率维持端电压不变，同时发电机的高压缸主调节汽门通过调节原动机的输出机械功率，最终获得发电机稳定运行的目的。因为在实际的电力系统运行过程中，通常要求发电机的运行频率在 50Hz±0.2~0.5Hz 的范围内，因此发电机转子角速度也是有限制的，本章采用非线性 backstepping 控制方法，根据李雅普诺夫稳定性定理，通过在设计过程中加入一个带约束的函数，此函数是基于虚拟控制变量的函数，因此将发电机转速控制在限定范围内。最终推导出实际的控制律，即通过调节控制励磁电压和汽门开度量，最终使系统达到稳定运行的目的。 
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3  基于改进的 backstepping 方法设计励磁与汽门开度的协调控制器 .......... 18 
3.1  引言 ..... 18 
3.2  基于改进的 backstepping 方法的协调控制器设计 ....... 19
3.3  主要结果及仿真研究 ..... 22 
3.4  本章小结 .... 26 
4  发电机组励磁与汽门开度的协调自适应状态约束控制器设计 .......... 28 
4.1  引言 ..... 28
4.2  状态约束自适应协调控制器设计 ...... 30
4.3  自适应鲁棒?H 控制器设计 ......... 39
4.4  本章小结 .... 47 
5  结论 ........ 48 

4  发电机组励磁与汽门开度的协调自适应状态约束控制器设计 

4.1  引言 

社会的不断进步使得电力系统呈现出大规模、高电压和强复杂的特点，对于电力系统的动态品质要求也愈来愈高，因此越来越多的学者将他们关注的焦点放在电力系统稳定性问题的研究上。电力系统具有一个很大的特点：强非线性性。因而针对这种非线性控制系统人们也提出了很多控制方法。但是许多需要控制的动力系统都具有常值或者慢变不确定参数，电力系统中的负荷会因为许多原因发生大的变化，因此电力系统同时又是不确定性系统，存在着各种干扰和位置参数。想要设计出性能优良的控制器，就必须将不确定性因素在系统中的影响研究在内，设计出不确定参数的替换率，从而达到自适应稳定运行目的。目前针对存在外部干扰和不确定性参数的电力系统，人们已经进行了很多研究。文献[49]概括归纳了在电力系统中考虑不确定参数时的各种自适应方法的应用，包括参数自适应、鲁棒自适应以及智能化自适应控制方法。其中参数自适应只是针对系统中仅仅含有不确定参数时模型进行控制器设计的，而鲁棒自适应除了可以应用参数不确定系统还可以应用于存在其他外界干扰时的系统。智能化自适应控制相对于前两种方法的优点是：它可以在没有系统模型的情况下，仅根据一些控制目标可控制量，通过大量的控制经验的积累来最终控制系统的稳定性。文献[50]选取单机无穷大电力系统模型的励磁控制系统，考虑系统中电抗和无穷大母线电压变化时，设计的一种基于 STF的励磁控制器，设计过程采用了参数自适应控制方法，使系统能够实时得知参数值，根据参数的变化而进行自动调整，从而获得良好的控制效果。文献[51]考虑了不确定因素（发电机电抗参数）存在时的电力系统控制器设计，设计过程采用了自适应控制方法结合上干扰抑制理论，不仅有效地提高了系统的稳定性，而且在功角和频率的暂态响应性能上也大有改善。文献[52]基于发电机三阶模型，通过坐标变换，利用反步法设计了发电机鲁棒自适应励磁控制方案，设计过程中考虑了发电机阻尼系数、d 轴同步电抗和暂态电抗不确定时，最终仿真实验验证了控制器具有优良的稳定性。

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结论

近几年，我国在电力行业的发展突飞猛进，电力系统结构也变得日益复杂。随着电力等级的不断提高，大机组、高电压、强耦合的电力系统特征不断凸显，相应的电力系统的自动化水平和互联性加强。一旦出现大的电路故障，如果不能及时的控制，很可能会造成大规模的损失和无法计量的伤害。因此为了能够更加有效地管理和调节电力系统，人们对于其稳定性的研究也变得越来越多。 励磁系统可以用来控制端电压，而汽门开度是用来控制电力系统的原动机的机械功率，这两个研究对象是电力系统稳定性研究的两个主要方面，它们在电力系统中至关重要，本文就从这两个方面入手，将发电机的励磁控制系统和汽门控制系统两者结合起来，通过利用非线性的backstepping控制方法加上Lyapunov稳定性定理来进行发电机励磁系统与汽门系统的协调控制器的研究设计。 本论文主要就以下几部分内容展开研究： 首先，论文选取了四阶的电力系统数学模型，将励磁和汽门开度作为控制对象，利用非线性backstepping方法和Lyapunov稳定性理论直接方法进行考虑状态约束的协调控制器的设计研究，由于在协调控制器的设计过程中并未对非线性电力系统进行线性化，从而很好了保留了原来系统的非线性性，仿真验证了该控制器不仅在系统发生干扰和故障时能够保持系统稳定运行，而且保证了发电机的转子角速度限定在设定的范围内。 接着，在考虑状态约束的控制器设计基础上，又设计采用改进控制方法的协调控制器，设计过程中通过加入一类 K 类函数来加快系统的响应速度，由于 K 类函数是关于误差变量的函数，从而确保了系统的控制增益不会大幅增加。 之后，考虑到在实际运行的电力系统中存在许多不确定因素从而引起系统模型中的参数也具有不确定性，通过利用自适应方法和 backstepping 控制方法相结合，最终设计了参数替换率和控制输入，得到新的误差控制系统。通过 MATLAB 仿真验证，所设计的发电机励磁与汽门系统状态约束的自适应协调控制器相对传统的自适应协调控制器在响应速度和振荡幅度方面效果较好。  
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参考文献(略)

本文编号：61532