考虑输出约束的发电机励磁系统backstepping控制设计

【摘要】：同步发电机转速稳定是电力系统能够正常运行的基本条件之一，它的稳定在很大程度上取决于励磁控制系统的性能是否优良。同步发电机励磁系统因为能够以较小的功率去调节机组的输出功率，这种快速的响应性能、低廉的控制成本，使它成为电力系统控制必不可少的手段之一。实际电力系统对于发电机功角的振荡幅值有一定的耐受限度，当超过这种限度时，发电机就可能失去同步，进而导致电力系统不稳定甚至崩溃，因此研究功角约束问题对电力系统稳定运行具有重要意义。 本文研究了带有励磁系统的单机无穷大电力系统的暂态稳定性问题，基于Lyapunov理论和backstepping方法设计了非线性励磁控制器。考虑到实际的同步发电机在受到干扰时功角会发生振荡，而系统需要发电机在振荡过程中不失步，就必须保证发电机的功角在一定范围内。首先，通过构造一个带有约束功能的Lyapunov能量函数来解决功角的振荡范围，运用backstepping方法设计了输出有界的非线性励磁控制器，所设计的控制器在保证闭环系统稳定的同时能使系统的功角输出始终保持在设置的约束范围内。接着，在非线性励磁控制器基础上，设计过程中加入了K类函数，设计出了改进的非线性励磁控制器，它在保证系统功角输出约束的同时，使系统的状态收敛速度更快，振荡幅值更小。然后，进一步考虑了实际电力系统中阻尼系数不易精确测量，故将其视为不确定参数，结合自适应方法，设计了约束自适应控制器。最后，引入滑模技术对含有参数不确定的系统进行了再设计，得出的约束滑模自适应控制器参数可调节性强，暂态响应也更为迅速。并且分别对上面所设计的控制器进行了仿真实验，仿真结果表明了所设计控制器的有效性和优越性。