同步發電機勵磁控制方式研究現狀

周從林

摘 ?要：同步發電機勵磁調節對提高電力系統穩定性起著重要的作用，隨著快速勵磁系統的廣泛應用，勵磁控制對電力系統穩定性的影響效果越來越明顯，科技工作者對發電機勵磁控制系統進行了長期而廣泛的研究，取得了許多顯著的成果。研究主要集中在兩個方面：一是勵磁方式的改進，二是勵磁控制方式的改進。這兩方面是相互聯系的。隨著控制理論的不斷發展，勵磁控制方式主要經歷了三個發展階段，即單變量控制階段、線性多變量控制階段和非線性多變量控制階段。

關鍵詞：同步發電機;勵磁控制方式;單變量;多變量;非線性多變量

一、基于單變量控制方式

單變量控制階段的控制規律是按發電機端電壓偏差△Vt的比例進行調節或△Vt的比例一積分一微分進行調節（PID調節方式）。運用古典控制理論建立按△Vt的比例進行的勵磁調節是由于無法對控制對象進行精確的數學模型描述而采取的一種簡單實用的控制方法，但對增益K的調整卻出現了矛盾。要使閉環系統成為穩定系統，必須將增益K的值限制在一定范圍，而要提高系統的穩態精度就得使增益K大于某一值，有時這二者是無法滿足的。隨之，就誕生了PID調節方式，它在一定程度上緩和了對單反饋量的勵磁調節系統，按系統穩定性與按穩態調壓精度對調節器放大倍數要求之間的矛盾，它就相當于一臺可自動改變增益的比例式調節器。

二、基于現代控制理論的多變量控制方式

為了進一步改善電力系統小干擾穩定性及動態品質，科學工作者提出了線性最優勵磁控制方式，簡稱LOEC。該控制方式由于考慮了電力系統多個控制目標的綜合，并采用最優化設計，因而具有更好的動態性能，在魯棒性和適應性上也有很大的改善。

但是，LOEC勵磁控制方式也存在一些不足，首先由于設計是基于平衡點處的近似線性化模型，因而當系統遠離所設計的平衡點時或在系統受大干擾引起的暫態過程中，不能夠保證具有很好的控制特性，即對系統的運行點變化的魯棒性得不到保證。

其次所設計的控制器和網絡結構相關，對系統網絡結構變化的適應能力也無法得到保證。再次在多機系統線性最優分散協調勵磁控制中，由于只能獲取有限的狀態變量，因此只能獲得相對次最優的控制效果。最后，與AVR/PSS式勵磁控制器相比，往往缺少足夠高的電壓反饋增益。

三、非線性多變量勵磁控制方式

由于電力系統是一個強非線性和結構多變的系統，大多數實際工程控制系統也都是非線性系統。隨著非線性控制理論的發展，如微分幾何法、直接反饋線性化法，李雅普諾夫函數法，逆系統法等等，各種非線性勵磁控制方式也迅速發展起來。

a）李雅普諾夫方法

李雅普諾夫（LyaPunov）穩定性定理是關于運動穩定性問題的一般理論和方法，提出一個多世紀以來，大量學者圍繞其應用作了系統的研究。該方法以李雅普諾夫第二穩定性理論為基礎，通過構造能反映機組運行規律的李雅普諾夫函數并以其為最小目標進行設計。它的特點是直接考慮系統的非線性特性從而進行控制。將李雅普諾夫函數法運用到單機無窮大系統勵磁控制器的設計，并取得了較為滿意的結果。另外，該方法具有原理簡單易于掌握等優點，但缺點是LyaPunov函數不容易找到。且在多機系統的設計中難以實現分散控制。文獻將李雅普諾夫第二穩定性理論應用到電力系統控制中，通過構造反映機組運行規律的李雅普諾夫函數并以其為最小目標進行設計。這些方法直接考慮系統的非線性特性，原理簡單，易于掌握。其中推導了以同步發電機機端電壓、功角（轉子運行角）和轉速等作為變量的非線性狀態方程，構造出一個能反映機組運行規律的LyaPunov函數，并根據LyaPunov漸進穩定原理設計發電機組的勵磁控制規律。用大范圍線性化方法將非線性系統轉化為線性系統，然后利用線性系統的Lyapunov方法進行設計。但是使用這種方法有一個較大的局限就是李雅普諾夫函數不容易得到，尤其是對于復雜系統，當系統數學模型超過三階時，尋找李雅普諾夫函數非常困難。

b）基于微分幾何數學方法

基于微分幾何方法屬于反饋線性化方法的一種，它通過合理的坐標變換找到非線性反饋規律，引入虛擬控制量將非線性系統映射為一個線性系統，使非線性系統在一定范圍內實現精確線性化，線性控制理論所有的方法都可以直接加以利用，從而把非線性系統的分析與設計轉化為線性系統的分析與設計問題。

近年來，許多學者將微分幾何方法引入到發電機非線性勵磁控制規律的設計中，取得了較為滿意的控制效果。該方法的缺點是數學過程復雜、不直觀，不易為工程技術人員所掌握。

c）非線性變結構和魯棒控制設計方法

八十年代以來，變結構控制開始應用于電力系統同步發電機勵磁控制器的設計中，研究表明其能有效地解決電力系統控制的魯棒性問題。

但目前這些方法還存在一些問題，如滑動模態的到達條件比較嚴格，開關邏輯函數的設計比較困難等。特別是變結構控制的抖動問題嚴重影響了它的廣泛應用。

魯棒勵磁控制的主要目的是通過一種設計方法來保證得到的控制器在預定的參數和結構擾動下仍然能保證系統的穩定性和可用性。目前，己有大量的文獻報導了以滑模變結構控制、 控制和 綜合理論為代表的魯棒控制理論在發電機勵磁控制器設計中的應用。研究表明，它們具有良好的針對參數攝動、非線性項和不確定的魯棒性，有很樂觀的應用前景。但該設計方法有其不足之處，如控制理論本身有待進一步完善，而且在應用于發電機勵磁控制設計時，在模型和實現上還有許多實際問題需要進一步研究。

四、智能控制方法

隨著智能控制理論的迅速發展，模糊邏輯勵磁控制、基于規則（專家系統）的勵磁控制、人工神經網絡勵磁控制、基于迭代學習算法的勵磁控制等許多先進控制策略被廣泛地應用到發電機勵磁控制中。近年來，模糊控制技術得到了越來越多的重視，模糊控制不依賴對象的數學模型，魯棒性好，簡單實用，可以離線形成控制表存儲在控制器中，可以很好地滿足勵磁控制系統快速反應的要求，因而在發電機勵磁控制器的設計上受到關注，并取得了一定的實際效果。

參考文獻

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[2] ?陸繼明，毛承雄.同步發電機微機勵磁控制.2005.中國電力出版社.北京77-89