現(xiàn)代電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制研究綜述

1、<p>　　現(xiàn)代電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制研究綜述</p><p>　　摘要：現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展使其穩(wěn)定性問(wèn)題日趨重要，而暫態(tài)穩(wěn)定控制又是穩(wěn)定性研究的重中之重。文章簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前電力系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)及其穩(wěn)定控制的重要性，總結(jié)了近年來(lái)非線性控制技術(shù)在暫態(tài)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用情況，按控制對(duì)象分類討論了各控制對(duì)象的穩(wěn)定控制研究現(xiàn)狀，并討論了控制的綜合與協(xié)調(diào)問(wèn)題，最后指出了當(dāng)前穩(wěn)定分析與控制研究的主要任務(wù)。 </p&

2、gt;<p>　　關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定；非線性控制；混成控制； </p><p>　　中圖分類號(hào)：TM7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　電力系統(tǒng)可以說(shuō)是人類歷史上構(gòu)造最復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)之一，它是一個(gè)強(qiáng)非線性、高維數(shù)、分層分布的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的特點(diǎn)有以下幾方面：①系統(tǒng)

3、容量越來(lái)越大，輸電電壓等級(jí)也逐級(jí)升高；②高壓直流（High Voltage Direct Current，HVDC）輸電技術(shù)和靈活交流輸電（Flexible ACTransmission Systems，F(xiàn)ACTS）技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；③采用跨區(qū)域乃至跨國(guó)的互聯(lián)電網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的供電是現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是目前世界各國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的總趨勢(shì)；④電力系統(tǒng)的市場(chǎng)化運(yùn)行產(chǎn)生了許多不利于系統(tǒng)穩(wěn)定的因素。 <

4、/p><p>　　電力系統(tǒng)規(guī)模的迅速發(fā)展及新技術(shù)的應(yīng)用大大增加了其自身的復(fù)雜性。在現(xiàn)代社會(huì)中，電力系統(tǒng)一旦發(fā)生事故，后果將非常嚴(yán)重。2003 年世界上發(fā)生了多起大停電事故，其中“8·14”美加大停電是歷史上最大的一次停電事故，事故期間上百臺(tái)機(jī)組跳機(jī)，5000 萬(wàn)人失電，據(jù)估計(jì)停電期間每天的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300 億美元。頻繁發(fā)生的停電事故對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制提出了迫切的要求。暫態(tài)穩(wěn)定和低頻振蕩是互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定控制研

5、究的兩個(gè)重要方面。在不考慮電壓穩(wěn)定性的情況下，暫態(tài)穩(wěn)定是指，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的所有發(fā)電機(jī)組均能繼續(xù)保持同步運(yùn)行，即功角穩(wěn)定。暫態(tài)穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，具有特別重要的研究?jī)r(jià)值。 </p><p>　　1 非線性控制技術(shù)在暫態(tài)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用研究 </p><p>　　傳統(tǒng)的控制裝置都是根據(jù)系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行點(diǎn)的線性化模型設(shè)計(jì)的，這些控制器在大擾動(dòng)下可能無(wú)法發(fā)揮理想

6、的控制效果。近年來(lái)，非線性控制理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了廣泛研究，本節(jié)將總結(jié)幾種主要的非線性控制方法及其在暫態(tài)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用研究。 </p><p>　?。?）Lyapunov 直接法 </p><p>　　直接法原來(lái)用于分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及估計(jì)穩(wěn)定域等，同時(shí)也是非線性控制設(shè)計(jì)的一個(gè)有力工具。對(duì)于一般的非線性控制系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)的平衡點(diǎn)是原點(diǎn)，直接法鎮(zhèn)定設(shè)計(jì)就是尋找一個(gè)正定的Lyapu

7、nov 函數(shù)V (x) > 0，&#8704;x ≠ 0，且V (0) = 0，并求得反饋控制規(guī)律u = u(x)，使得V& (x) < 0，這樣可使閉環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定。顯然，V& 越負(fù)表明在動(dòng)態(tài)過(guò)程中軌跡趨向于平衡點(diǎn)越快，因此控制規(guī)律須使V&在所有時(shí)刻均取最大的負(fù)值，這就是Lyapunov 最優(yōu)控制的設(shè)計(jì)思想。基于Lyapunov 直接法的魯棒控制設(shè)計(jì)，是在非線性系統(tǒng)存在滿足匹配條件（matc

8、hing condition）的有界擾動(dòng)時(shí)，在原有控制規(guī)律上再設(shè)計(jì)一個(gè)附加控制來(lái)抵消擾動(dòng)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)用Lyapunov 直接法還可以進(jìn)行滑模、自適應(yīng)等控制的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　（2）映射線性化方法 </p><p>　　電力系統(tǒng)的元件和模型都是非線性的，如果能運(yùn)用某種方法將其變換成相應(yīng)的線性系統(tǒng)，便能使用強(qiáng)大的線性系統(tǒng)理論來(lái)進(jìn)行分析，這就是映射線性化的思想。線性化技術(shù)

9、是非線性控制理論在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一個(gè)非常重要的方面。線性化方法主要包括以下幾種： </p><p>　　1）基于微分幾何理論的線性化方法微分幾何理論源于 20 世紀(jì)80 年代，現(xiàn)已擁有系統(tǒng)的理論體系，我國(guó)的盧強(qiáng)院士在將微分幾何理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中做了許多開(kāi)拓性的 </p><p>　　工作?；谖⒎謳缀卫碚摰木€性化方法實(shí)質(zhì)上是通過(guò)求取一個(gè)局部微分同胚，將非線性系統(tǒng)映射成一個(gè)線性系

10、統(tǒng)。它建立在李導(dǎo)數(shù)、李括號(hào)、向量場(chǎng)、流形、關(guān)系度等概念之上，一般適用于仿射非線性系統(tǒng) </p><p>　　2）直接反饋線性化方法 </p><p>　　直接反饋線性化（DFL）理論是中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)所的韓京清教授于1981 年提出的。DFL 方法可以看作是輸入、輸出線性化的一個(gè)特例，這種方法在90 年代以后得到了很大發(fā)展。與微分幾何線性化方法相比，DFL 方法不局限于仿射非線性系統(tǒng)，且意義

11、明顯，數(shù)學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換和大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，便于掌握和實(shí)際工程應(yīng)用。 </p><p>　　3 各種控制對(duì)象的暫態(tài)穩(wěn)定控制研究 </p><p>　　暫態(tài)穩(wěn)定控制按控制對(duì)象的不同主要分為三大類：發(fā)電機(jī)控制（勵(lì)磁和原動(dòng)機(jī)水/汽門開(kāi)度控制）、FACTS 元件控制及HVDC 系統(tǒng)控制等。這些控制對(duì)象與系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有著緊密的聯(lián)系。 </p><p>　

12、　4 綜合與協(xié)調(diào)控制研究 </p><p>　　4.1 各控制對(duì)象之間的綜合與協(xié)調(diào)控制在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制中，各控制對(duì)象之間的協(xié)調(diào)控制是比較常見(jiàn)的，如勵(lì)磁與調(diào)速、FACTS裝置或HVDC 輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，以及多種 </p><p>　　FACTS 裝置間的協(xié)調(diào)控制等。作為發(fā)電機(jī)部分的兩種主要控制手段，勵(lì)磁與調(diào)速的協(xié)調(diào)控制具有更實(shí)際的意義。在Zaborsky 提出的電力系統(tǒng)觀測(cè)解耦狀態(tài)

13、空間模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)的作用，建立了適合于暫態(tài)穩(wěn)定綜合控制的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出了勵(lì)磁和快關(guān)汽門的綜合非線性最優(yōu)變目標(biāo)控制規(guī)律；輸出線性化和觀測(cè)解耦狀態(tài)空間技術(shù)設(shè)計(jì)了多機(jī)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和調(diào)速系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制規(guī)律。 </p><p>　　4.2 全局控制和混成控制近 年 來(lái) ， 有 學(xué) 者 提 出 了 全 局 控 制 （GlobalControl）的思想，它研究的是獨(dú)立控制器之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。通常來(lái)

14、講，一個(gè)非線性系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)空間中的不同子域時(shí)，可能表現(xiàn)出不同的定性特征和控制需求，這就需要針對(duì)各子域分別設(shè)計(jì)其各自的控制器，適當(dāng)?shù)貙⒏髯佑蚩刂破鬟M(jìn)行協(xié)調(diào)就可以得到一種分層控制結(jié)構(gòu)，這就是全局控制。簡(jiǎn)單地講，全局控制就是通過(guò)某些恰當(dāng)?shù)纳蠈訖C(jī)制協(xié)調(diào)各下層控制器的一種分層控制策略。 </p><p>　　4.3 基于廣域測(cè)量技術(shù)的全局信息反饋近年來(lái)，廣域測(cè)量（Wide Area Measurements，WAMs）技

15、術(shù)受到了電力系統(tǒng)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。WAMs的構(gòu)成單元包括基于全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioning Systems，GPS）的同步相量測(cè)量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）和連接各PMU的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用WAMs技術(shù)，可以在同一時(shí)間參考軸下獲取大規(guī)模電力系統(tǒng)中大量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)信息，在一定程度上緩解目前大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析與控制的困難，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制提供新的途徑。 </p&g

16、t;<p>　　對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定控制，我們之前一直強(qiáng)調(diào)控制的分散/局部化，這是因?yàn)樵诋?dāng)前的通信技術(shù)條件下，全局信息的獲取還比較困難，但WAMs技術(shù)的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)全局信息的反饋并設(shè)計(jì)全局性的暫態(tài)穩(wěn)定控制策略。混成系統(tǒng)優(yōu)化控制的目標(biāo)是在一定的約束條件下，使系統(tǒng)的離散事件部分按照優(yōu)化的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同階段的動(dòng)態(tài)演化，同時(shí)以最小的廣義能量盡量消除狀態(tài)誤差。對(duì)于混成控制系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)采用多層面的互補(bǔ)嵌套與綜合集成方法，運(yùn)用多種理論工具

17、和技術(shù)手段來(lái)研究混成控制的建模、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化控制與決策問(wèn)題。另外，還必須結(jié)合實(shí)際工程背景，從應(yīng)用角度開(kāi)展研究工作，以促進(jìn)理論研究工作的進(jìn)化和技術(shù)支持工具的革新。電力系統(tǒng)是典型的混成系統(tǒng)，在微觀上各種元件表現(xiàn)出連續(xù)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性，在宏觀上電力系統(tǒng)的調(diào)度決策又表現(xiàn)出離散邏輯的性質(zhì)。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制除了應(yīng)具備各部分的分散控制器之外，還有必要具備可靠的高層統(tǒng)一調(diào)度控制策略，混成控制的理論和方法將為此提供嶄新的思路和途徑。 </p&g

18、t;<p><b>　　5 結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　從目前電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，如何采取有效的控制方法和穩(wěn)定措施以保證交直流互聯(lián)大電網(wǎng)的全局穩(wěn)定性是當(dāng)前穩(wěn)定分析與控制研究的緊迫任務(wù)。從控制方法來(lái)看，非線性控制理論是解決電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制問(wèn)題的必需工具，多種理論的結(jié)合應(yīng)用是解決許多問(wèn)題的關(guān)鍵。從控制對(duì)象來(lái)看，對(duì)象的孤立控制正朝著綜合協(xié)調(diào)控制的方向發(fā)展，此外，全局控