淺談電力系統穩定性非線性控制方法

摘要：介紹電力系統穩定性非線性控制的方法及其特點，分別對基于微分幾何理論的反饋線性化方法、直接反饋線性化方法、Lyapunov 直接法、非線性控制、變結構控制、自適應控制、和智能控制等主要方法在電力系統非線性控制中的應用進行了闡述，指出了目前電力系統非線性控制存在的問題， 并對以后的研究方向作了展望。

關鍵詞：電力系統 非線性控制 反饋線性化方法

電力系統是一個復雜的非線性動態大系統，隨著大機組、超高壓電網的迅速發展，改善電力系統運行的安全穩定成為日趨重要和緊迫的研究課題。隨著微型計算機和現代控制理論的不斷進展，各種先進的控制方法在電力系統控制方面得到了廣泛的應用，它們在提高電力系統性能的同時，也為解決電力系統安全、穩定和經濟運行問題提供了各種各樣的途徑。

一、基于電力系統非線性模型的設計

通常對非線性系統進行控制主要有兩大類處理方法：①先將非線性系統在某一鄰域內進行反饋線性化，然后運用現代控制理論的思想進行控制的設計，如基于微分幾何理論的反饋線性化法、直接反饋線性化方法等。②直接應用非線性控制理論的結果，如變結構方法、魯棒控制和智能控制等。

1.1 基于微分幾何理論的反饋線性化法

基于微分幾何理論的反饋線性化法通過微分同胚映射實現坐標變換，根據變換后的系統設計非線性反饋，實現非線性系統的精確線性化。微分幾何方法適合仿射非線性系統。這種方法具有堅實的理論基礎，但其控制律的推導對于數學基礎要求較高，同時非線性反饋的引入令控制器結構復雜，限制了它在工程中的運用。

1.2 直接反饋線性化方法（DFL）

DFL方法不需要進行復雜的坐標變換和大量數學推導，具有計算簡單、物理概念清晰的優點，便于工程應用。運用DFL方法設計了新型變結構勵磁和綜合控制器，仿真表明該控制器提高了系統的暫態穩定性和故障后的電壓調節性能。

1.3 Lyapunov直接法

Lyapunov 直接法由于直接考慮了系統的非線性特性，且物理概念清晰，在電力系統暫態穩定的分析及控制器的設計中得到了廣泛的應用。基于Lyapunov直接法研究了非線性勵磁控制，數字仿真和基于微機實現的控制裝置驗證了所提出的控制規律的有效性。

1.4 無源系統理論

無源系統是一類考慮系統與外界有能量交換的動態系統，系統無源可以保持系統的內部穩定。從無源系統的角度看，Lyapunov 函數的構造過程正是使系統無源化的過程，此時的Lyapunov 函數正是保證系統無源性的存儲函數。Lyapunov 意義下的穩定是指無外部激勵條件下系統廣義能量的衰減特性，而無源性是指系統有外界輸入時的能量衰減特性。

對于存在干擾的系統來說，為了使得系統內部穩定，可依靠無源理論來構造反饋控制器，使得相應的閉環系統無源而保持內部穩定。一般來說，無源性、穩定性與最優性密切相關，但是Lyapunov 函數的構造還沒有規律可循，需要經一步研究。

1.5 自適應控制

自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統。自適應控制器能夠修正自己的特性以適應對象和擾動的動態變化。采用自適應控制技術能夠有效地解決模型不精確和模型變化所帶來的魯棒性問題，但是由于它需要復雜的在線計算和遞推估計，只是適合于一些漸變和實時性不高的過程。

1.6 智能控制

基于人工神經網絡（ANN）、模糊控制（FC）和專家系統（ES ）的智能控制由于具有處理各種非線性的能力、并行計算的能力、自適應、自學習和自組織的能力以及容許模型不精確甚至不確定等多方面優點，使之可以綜合解決多機電力系統控制所面臨的諸多問題。應用ANN 實現了勵磁、快關汽門和電阻掣動三種不同控制器的最優綜合控制。用模糊控制與線性最優控制結合實現了非線性自適應變增益勵磁控制，彌補了固定增益的線性最優勵磁控制對大、小干擾或不同目標采用折中設計和無法考慮強非線性約束的不足。

二、結束語

非線性控制理論在電力系統中成功的應用明顯地提高了電力系統暫態穩定性，對增強電壓穩定性也有顯著的作用。不過，由于非線性系統控制問題的復雜性，不能找到一種萬能的非線性控制方法。每一種方法只適合解決一些特殊的非線性系統控制問題。另外，具體的電力系統控制問題有其自身的復雜性，如要同時滿足互相矛盾的幾個控制目標等，目前控制器大多基于單機無窮大系統模型設計，而在實際多機電力系統中，如何得到分散解耦控制并加以妥善協調，進而提高整個系統的穩定性是值得研究的問題。

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