电力系统的非线性变结构控制

【摘要】：论文提出一种新的非线性变结构发电机励磁和快关汽门控制器。这种控制器的设计结合了微分几何理论及变结构控制理论。对于单机--无穷大系统及大规模系统，均以“仿射非线性系统”建立其数学模型。非线性变结构励磁和快关汽门控制器的静态及动态特性被仿真。当系统遭受到各种扰动时，系统响应与非线性最优控制的系统响应相比较。仿真结果表明：非线性变结构控制器给出了满意的静态和动态行为和很好的鲁棒性。 长期以来，电力系统控制方式一直受到的人们的极大关注，为了改进控制方式人们已经做了大量的研究工作。最初的控制方式是按发电机端电压误差来实现的所谓比例调节和比例-微分-积分调节方式。这种单变量控制方式不能有效地改善系统的动态品质和提高系统的稳定水平。后来，各种控制理论(例如：线性最优控制、线性自适应控制等等)被用于设计高性能的电力系统稳定器。虽然这些多变量控制方式能显著地改善系统的静态稳定性，但它们不能明显地提高动态稳定水平。事实上，电力系统是典型的非线性系统，用平衡点局部线性化方法设计控制器可能导致无法容忍的错误，甚至当系统状态远离平衡点时控制器发生错误行为。 八十年代，中国学者基于微分几何线性化理论首先提出了非线性最优励磁和调速稳定器。这种全局线性化方法是一种很有发展前景的方法。与传统的控制方法比较而言，它能显著地改善系统的静态和动态稳定性。基本的想法就是首先把非线性系统变换成一个(全部或部分)线性的系统，然后再用熟知和有效的线性系统设计方法去完成控制设计。这一方法适用于一些重要类型的非线性系统(所谓输入-状态可线性化系统或最小相位系统)，同时它要求全部状态都能够测量。但是这个方法不能保证系统具有参数不确定性或存在干扰时的鲁棒性。 变结构控制理论能成功地解决这个问题。这个理论对线性或非线性系统的最大优势是当面临内部参数或系统模型不确定及外部扰动时系统状态轨迹在滑动面或开关超平面上的运动有不变性、不灵敏性或自适应性。在一个变结构系统中，控制律是当状态轨迹经过规定的超平面时状态变量的不连续函数。控制器是使得开始于任何初始点的轨迹都被强迫到不连续面，然后被限制在其上。在不连续面上的运动被称为“滑动运动”，令人感兴趣的是：在滑动面上的运动对系统的不确定