第26卷第13期 中国电机工程学 报 ol.26No.13Jul.2006 2006年7月 Proceedings of the CSEE 2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013(2006)13-0074-05 中图分类号：TM76 文献标识码：A 学科分类号：47040 发电机励磁及调速综合控制可行性分析 王剑1，毛宗源，许敬涛2 (1.华南理工大学自动化科学与工程学院，广东省广州市510640； 2.广州电器科学研究院，广东省广州市510300) A Feasibility Analysis of Integrated Generator Excitation and Governing Control WANG Jian',MAO Zong-yuan',XU Jing-tao (1.College of Automation Science Engineering.South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong Province,China;2.Guangzhou Electric Apparatus Research Institute,Guangzhou 510300,Guangdong Province,China) ABSTRACT:For the feasibility of integrated generator 精确线性化不可行等问题，导致不适合用于励磁、调速综合 excitation and govering control,their bandwidths are analyzed 控制。但对水轮发电机组而言，操作层面的励磁、调速综合 in the paper,which shows that the reason of the large difference 控制有较多的优点，可提高系统可靠性、有利于优化机组工 between the bandwidths of excitation and governing control 况等， system is because that the mechanical structure of goveror and 关键词：发电机控制：综合控制：最优控制：励磁：调速 the requirement to safety and reliability do not allow high speed and frequent operation,however,it has little relation with 0引言 control law.On this reason,the integrated control of generator 发电机组励磁与调速系统具有强耦合特性，二 excitation and governing control system can not be fully realized in practice.Therefore,it is difficult to improve the 者的综合控制被认为是改善电力系统稳定性及电 stability of the generator effectively.The disadvantage of 能品质的有效措施，长期以来一直受到重视，国内 quadratic linear/nonlinear optimal control methods is the low 外学者对这一问题进行了大量研究，如大型气轮机 order of its model,in addition,the definition of performance 最优综合控制与试验1-2)，汽轮机励磁、调速综合最 indexes also can not.exactly express the idea of optimal control 优控制)，励磁、调速综合控制非线性反馈方法4： and exact linearization can not be easily realized,so it is not 采用输出反馈极点配置方法设计汽轮发电机组综 suitable for integrated generator excitation and governing 合控制律，利用直接反馈线性化(DL)方法研究励 control.For hydraulic turbine-generator units,the centralization 磁、调速协调控制6；多机系统励磁、调速综合最 control for generator excitation and governing control system is feasible,such as improving system reliability,being capable of 优控制川，利用多变量系统的反馈线性化技术研究 optimizing unit operation states,and so on. 水轮发电机的功角稳定和电压调节的综合控制8]： 发电机励磁与汽门系统解耦控制的神经网络逆系 KEY WORDS:generator control:integrated control:optimal 统方法)，基于Hamilton能量理论的发电机汽门与 control:excitation:governing 励磁非线性稳定控制器的设计1：利用耗散理论中 摘要：针对发电机励磁、调速综合控制的可行性，分析了二 的无源性概念提出汽轮发电机励磁与汽门协调无 者的系统带宽，通过分析得知导致二者带宽相差悬殊的原因 源控制1等。 与控制规律关系不大，其原因在于：调速系统机械结构及其 然而，发电机励磁、调速综合控制一直停留在 安全可靠运行的要求不允许系统过于快速、频繁地动作。带 理论研究阶段，难以用于工程实际。本文指出并分 宽相差悬殊使得励磁、调速系统的综合控制不能真正实现， 因此难以有效地提高发电机组的稳定性。二次型线性最优及 析了其中存在的一些原因为综合控制的优点体现 非线性最优控制存在模型阶次不能太高、性能指标定义不能 在操作层面，而算法层面的综合控制较独立的励 真正体现最优控制，使得难以充分发挥允许控制的作用以及 磁、调速控制没有明显的优越性，难以达到提高电 基金项目：广东省工业攻关项目(2004A10506001)。 力系统稳定性及其动态品质的目的。该结论可供有 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 卷 第 ! 期 以拓 年 ∀ 月 中 国 电 机 工 程 学 报 巧戊# #∃ %&∋ ( ) ∗ +, # − . / / 0) 1 2 3 ) 2 ! 45 1 2 67巧 8 加 − ,% &2 .)9 2 ∗): /1 #9 2/ &∋ 2 文章编号 ; 8 ! 一 加∀ ? 一 8 Β Δ# Ε (% Φ 址+Γ Β & Ε 】Γ(%( )∗ 1& +# ∋ :Ε +#∃ Η #& # :Ε + ) : /Ι ∃ +Ε 廿)& Ε& ∃ Η )ϑ #川吨 − ) & +: 8 Κ Β 3 ) 4%Ε& 1 , ΑΛ 8 Μ ) & ∋ 一”Ε& 1 , 郑4%& ∋ 一 +Ε) Ν 6 2 − ) 1 # ∋ # ) ∗ Β 5 +) Ο Ε + 8 & (# %#& ## Π /& ∋ %& # # :七。∋ , . ) 5 +, − , % & Ε Θ &% ϑ # :( %+Γ ) ∗ ≅ # # ,& ) ∗) ∋ Γ , Η 5 Ε& ∋ Μ, )5 ( 1仅拼8 , Η5 Ε& ∋ ∃ ) & ∋ Ρ Σ ϑ 1 & # # , − ,% & Ε ; 2 Η5 Ε& ∋ Ν , ) 5 /1 #9 +:% # Β ΤΤΕ: Ε +5 ( Ρ # ( # Ε:9 , Υ & (+% +5 +# , Η5 Ε& ∋ Μ , ) 5 , Η 5 Ε& ∋ ∃ ) & ∋ Τ: ) ϑ %&9 # , − ,ς 由Ε> Β Ω . ≅ Ρ Β − ≅ ; Δ) : +, # ∗# Ε (%Φ % 1%+Γ ) ∗ %& +# ∋: Ε +#∃ ∋ # &# :Ε +) : #Ι # %+Ε +% ) & Ε& ∃ ∋ ) ϑ # :&% & ∋ # ) & +:) 1 , +,# %: ΦΕ& ∃Κ %∃ +, ( Ε:# Ε& Ε1 ΓΜ # ∃ % & +,# ΤΕ Ξ# :, Κ ,% #, (, ) Κ ( +, Ε+ +,# :# Ε‘) & )∗ +,# 1Ε:∋ # ∃ %∗1七:# & # # Φ# +Κ # & +,# Φ Ε& ∃Κ %∃+, ( ) ∗ # Ι # %+Ε +% ) & Ε& ∃ ∋ ) ϑ # Ο %& ∋ # ) & +:) 1 (Γ(+# Ο 。 关键词 ; 发电机控制 Χ 综合控制 ; 最优控制 Χ 励磁Χ 调速 8 引 言 发 电机组励磁与调速系统具有强祸合特性 , 二 者的综合控制被认为是 改善 电力系统稳定性及 电 能品质的有效措施 , 长期以来一直受到重视 , 国内 外学者对这一 问题进行了大量研究 , 如大型气轮机 最优综合控制与试验【‘ 一 _ Χ 汽轮机励磁 、 调速综合最 优控制⎯!_ ; 励磁 、 调速综合控制非线性反馈方法⎯?4 Χ 采用 输出 反馈极点 配置 方法设 计汽 轮发 电机组综 合控制律Υ方法研究励 磁 、 调速协调控制⎯_ Χ 多机系统励磁 、 调速综合最 优控制1∀_ Χ 利用多变量系统的反馈线性化技术研究 水轮发电机的功角稳定和 电压调节的 综合控制 = Χ 发电机励磁与汽 门系统解祸控制的 神经网络逆系 统 方法⎯β_ Χ 基于χ Ε: &% 1+) & 能量理论的发 电机汽门与 励磁非线性稳定控制器的设计〔, 8_ Χ 利用耗散理论 中 的无源性概念提 出汽轮 发电机励磁 与汽 门协调无 源控制【川等 。 然 而 , 发电机励磁 、 调速 综合控制一直停 留在 理论研究阶段 , 难 以用于工程实际 。 本文指出并分 析了其 中存在 的一 些原因 为综合控制的优 点体现 在操作层 面 , 而 算法层面 的综 合控制较独立的 励 磁 、 调速控制没有明显的优越性 , 难以达到提高电 力系统稳定性及其动态品质的 目的 。 该结论可供有
第13期 王剑等： 发电机励磁及调速综合控制可行性分析 75 关研究人员参考。 滞后，导致控制系统性能降低。实际上，由于轴系 1算法层面的综合控制中存在的问题 机械结构的复杂性、轴系通过发电机与电网形成弹 性联接，以及机组运行方式及负荷的变化，造成实 1.1励磁、调速控制系统的带宽比较 际的一阶扭振频率并不严格固定，尽管有一些关于 图1所示为汽轮发电机组并网后的高压调节汽 扭振问题的研究，目前还没有满意的扭振解决办法。 阀转速控制（实际是功频调节）系统，，、、@分 图2为水轮机调速系统，系统带宽主要受水流 别为给定频率、机组轴速度及电网频率。在图中给 惯性时间常数T限制，在图中给定参数下，系统的 定参数下，相位裕度-86°，闭环带宽f=0.4Hz。考 闭环带宽为0.0665Hz,相位裕度为30°。水轮机调 虑到此相位裕度较大，若用虚线框2替代虚线框1， 则轴速@经PD构成速度环路，只需简单地取 速器一般取发电机端电压角频率而非发电机组轴 速作为转速反馈，并网后动态过程中此信号与机组 PD>1/6,就可以提高系统闭环带宽及保证足够的相 位裕度，同时可以维持系统静态特性不变，如当取 轴速差别较大而更接近网频，因为发电机同步电抗 PD=100时，=62°，f=3.86Hz。显然，这个带宽 一般明显大于线路电抗，所以此调速系统对机组轴 将使得调速侧电力系统稳定器(GPSS)有能力阻尼 速的有效控制只体现在并网之前。由于并网后反馈 电力系统可能发生的整个低频范围(0.2~2Hz)的有 信号不再完全等于轴速，故此时水轮机调速器调速 功振荡，而且GPSS还具有多机解耦特性，这将会从 作用较小，主要起功频调节作用，轴速与网频的偏 根本上提高电力系统的稳定性。另外，如此高的调 差主要由功角的变化来自动消除。事实上，一旦并 速系统带宽过于接近轴系扭振频率，使EEE推荐的 网，由于网频几乎不随单台机组出力变化，故往住往 励磁侧加速度功率积分型P$$中的斜坡跟踪滤波器 还会有意减小暂态转差系数b,来提高系统带宽。 不能有效地滤除轴系扭振信号。但实际情况并非如 水锤效应直接限制了导叶的移动速度以及所表 此，因为调速系统带宽还受下面3个因素限制： 现出来的非最小相位特性而将系统带宽限制在很低 (1)机械功率测量因难，用电功率表示汽轮 的频带上，目前还没有解决这个问题的有效方法。 机功率只有在静态时才可认为是准确的，因此不能 图3所示为励磁控制系统，在图中给定参数下， 得到汽轮机功率的高频分量，使得功率环路的闭环 静止励磁系统的带宽为6.55Hz,励磁机励磁系统带 带宽受到很大的限制。假定图1所示功率反馈通道 宽为1.71Hz。与调速器不同，附加合适PSS(如电功 率或加速度功率积分型PSS)的励磁系统带宽不受 存在一惯性环节1/(2s+1),当PD=25,PID=2.5+ 轴系扭振频率的限制。 0.1/s+s/(0.005+1),其他参数不变时，速度环p-47°， 比较图13可见：励磁控制系统具有比调速系 f1.49Hz,可见速度环带宽下降很多，且相位裕度 统宽得多的频带，而自并励静止励磁控制系统的带 明显减小。 宽比调速系统要高一个数量级以上。水轮发电机组 (2)调速系统带宽越宽越易引起机械疲劳和磨 损，过于频繁、快速的机械动作不利于设备安全12。 几乎都采用自并励静止励磁系统，汽轮发电机组越 (3)调速系统带宽一般应低于机组轴系一阶 来越广泛地采用自并励静止励磁系统。 扭振频率（通常在20Hz甚至10Hz以下13的1/5~ 存在一系列机械动作的调速控制系统与完全 1/10(取决于阻尼大小)，否则稳定裕度不易满足要 不存在机械动作的励磁控制系统带宽相差较大是 求。随着汽轮机单机容量的不断增大，轴系固有扭 很自然的事，若要求二者相同或相近，则既不合理 振频率也越来越低。采用滤波器将会引入大的相位 也难以做到。 负荷参考 l@- 精差 电液转换器 油动机 蔡汽容积 PD 当P1D=15+0.25/s+s0.005s+1),=0.04,T=0.02s,Tc=0.2s,TH=0.3s,T=10s时，相位裕度m-86°，速度环路-3db闭环带宽f-0.4Hz. 图1汽轮机调速系统 Fig.I Turbine governing system 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 ! 期 王 剑等 ; 发 电机励 磁及调速综合控制可行性分析 关研究人员参考 。 , 算法层面 的综合控制 中存在 的问题 2 , 励磁 、 调 速控制系统的带宽比较 图 所示为汽轮发电机组 并网后 的高压调节汽 阀转速控制6实际是 功频调节>系统 , 琳 、 低 、 码分 别为给定频率 、 机组轴速度及 电网频率 。 在 图中给 定参数下 , 相位裕度介= 8 , 闭环带宽几δ8 2 ? χ Μ 。 考 虑到此相位裕度较大 , 若用虚线框 替代虚线框 , 则轴 速 低 经 尸⊥ 构 成 速 度 环 路 , 只 需简 单 地 取 尸⊥ ε Ζ 疾 就可 以提高系统闭环带宽及保证足够的相 位裕度 , 同时 可 以维持系统静态特性 不变 , 如当取 Τ⊥ δ ) 时 , 介 8 , 儿δ !2 = χ Μ 。 显然 , 这个带宽 将使得调 速侧 电力系统稳定器6ΗΤ . .> 有 能力 阻尼 电力系统可 能发生 的整个低频范 围68 2 φ χ Μ> 的有 功振荡 , 而且Η Τ..还具有多机解祸特性 , 这将会从 根本上提高电力系统的稳定性 。 另外 , 如此高的调 速系统带宽过于接近轴系扭振频率 , 使正/ / 推荐的 励磁侧加速度功率积分型Τ. . 中的斜坡跟踪滤波器 不 能有效地滤除轴系扭振信号 。 但实际情况并非如 此 , 因为调速系统带宽还受下面 ! 个 因素限制 ; 6 > 机械功率测量 困难 , 用 电功率表示 汽轮 机功率只有在静态时才可认 为是准确 的 , 因此不 能 得到汽轮机功率的高频分量 , 使得功率环路的闭环 带宽受到很大的限制 。 假定图 所示功 率反馈通道 存在 一 惯性环 节 16 (γ 1> , 当 尸刀δ , 其他参数不变时 , 速度环 介? ∀ “ , 介 2 ?β χΜ , 可见速度环带宽下 降很 多 , 且 相位裕度 明显 减小 。 6 > 调速系统带宽越宽越易 引起机械疲劳和 磨 损 , 过于频 繁 、 快速的机械动作不利 于设备安全⎯1_ 。 6! > 调速系统 带宽一 般应低于机组轴系一 阶 扭振频率6通常在 Ν)χ Μ 甚至 一) χ Μ 以下 ⎯ ‘’_>的 , 否 则稳定裕度不 易满足要 求 。 随着汽轮机单机容量的不断增大 , 轴系固有扭 振频率也越来越低 。 采用滤波器将会引入大的相位 滞后 , 导致控制系统性能降低 。 实际上 , 由于轴系 机械结构的复杂性 、 轴系通过发 电机与 电网形成弹 性联接 , 以及机组运行方式及负荷的变化 , 造成 实 际 的一阶扭振频 率并不 严格固定 , 尽管有一些关于 扭振问题的研究 , 目前还没有满意的扭振解决办法 。 图 为水轮机调 速系统 , 系统带宽主要 受水流 惯性时 间常数≅Κ 限制 , 在图中给定参数下 , 系统的 闭环带宽为 82 8 的励磁系统 带宽不受 轴系扭振频率的限制 。 比较图 φ! 可 见 ; 励磁控制系统具有比调 速系 统宽得多的频带 , 而 自并励静止励 磁控制系统 的带 宽比调速系统要 高一个数量级 以上 。 水 轮发 电机组 几乎都采用 自并励静止励磁系统 , 汽轮发电机组越 来越广泛地采用 自并励静止励磁系统 。 存在一 系列机械动 作的调 速控制系统 与完全 不 存在机械动作 的励磁 控制 系统带宽相差较 大是 很 自然的事 , 若要 求二者相同或相近 , 则 既不合理 也难 以做到 。 负 荷 参 考 几 ι 玄 频 差 放 大 ϕ几 ’ γ1 ϕ 电 液 转 换 器 几 4 十 油 动 机 ϕ几 ( γ 蒸 汽 容积 稗 负荷 扰 洲 动 宣 转 动 惯 量 δ一占 团 当尸了。 δ , 拼8 2 8? , 兀拼 。 , 8 2 ? χ Μ · 图 Δ%∋ 2 汽轮机调速系统 ≅ 5 : Φ % & # ∋ )ϑ # : & % & ∋ (Γ( +# Ο
76 中国电机工程学报 第26卷 1 1-Ts 无解耦控制的必要。 1+0.5Tws (3)调速器一般会设置适当的人工频率死区， 引木系统负有找动赞致 在保证机组调频能力的同时，便于稳定出力，防止 调门过于快速、频繁地动作，不利于设备安全。因 1+Ts 此即使励磁系统的控制作用引起小的转速变化，调 速器并不响应。 当T=0.15,T4=2s, T=10s,b=0.05,b=0.65,T=9s时，=-30° f-0.0665Hz (4)若是暂态过程，励磁控制不应完全以机 图2水轮机调速系统 端电压为控制目标，而是在一定的机端电压范围内 Fig.2 Hydraulic turbine governing system 最大限度地维持同步，即在第1摆功角达到最大值 (△=0)之前，应该强励，此后应让励磁控制阻尼 电压 1 给定 有功振荡（如投入PSS),此时与速度控制不存在矛 1+Tps 晶闯管整流器发电机 盾，故不需要与调速器协调。 或励磁机 若不包含解耦或部分解耦功能，则无论是协调 d5+1 1 控制还是综合控制都不可能消除或减小励磁、调速 1+T 系统之间的不利于电力系统稳定的耦合作用，难以 电压测量 达到从根本上提高电力系统稳定性的目的。 K=1S0,T=1s,K0,T-0.02s,To=65,T=0.01s时.=-54°，=6.55Hz或当 K,=100,T=ls,Ke10.Kn=0.05,Tp0.5s.Tc-6s,T=0.01s时，=41°. 2包含控制量的二次型线性、非线性最优控 =1.71Hz. 图3励磁控制系统 制不适用于综合控制 Fig.3 Excitation control system 2.1二次型线性最优控制存在的问题 1.2其综合控制不能从根本上提高机组稳定性的 以包含控制量的二次型函数为性能指标的多 原因 变量线性最优控制用于独立的励磁、调速控制已有 所谓算法层面励磁、调速综合控制就是由同一 大量研究，并且也存在实际应用，而励磁、调速线 套控制算法实现调速与励磁系统输入、输出关系的 性最优综合控制也有一些研究2.5,9-10。将非线性模 闭环控制。由上述带宽分析可见，真正限制控制系 型精确线性化，然后采用二次型线性最优控制理论 统带宽的不是其控制算法，而是被控对象的固有特 设计控制规律，是电力系统非线性控制研究最多且 性。在调速控制系统带宽远低于励磁控制系统带宽 较为成熟的方法。从成熟性看，这2种控制理论用 的前提下，难以对二者进行解耦控制，且意义不大， 于励磁、调速的可能性比较大。然而，下面的分析 原因如下： 表明这2种控制理论即使用于励磁、调速的独立控 (1)调速控制几乎不影响励磁控制系统的性能， 制也存在一定的问题，更不适合励磁、调速综合控 因为励磁控制能及时消除调速控制作用所导致的机 制。 端电压或输出无功变化。 励磁、调速线性最优综合控制考虑了内在的机 (2)励磁系统与调速系统之间存在强耦合， 电耦合关系，对提高稳定性是有益的，这正是它的 根据解耦的思想，可以改变调速器输入来减小励磁 优点所在。但是，从实际工程角度看，采用性能指 控制引起的机组转速和输出有功波动，但调速控制 标J=[x'Qr+w'Ru]山的线性最优控制存在如 的响应速度远慢于励磁控制，故并不能真正实现这 下根本性问题： 种解耦。对调速系统而言，励磁控制是一种远在调 速控制系统带宽以外的高频扰动。因此，尽管励磁 (I)u'Rudt只是为了限制控制量u过大以 控制对转速或有功所造成的扰动不一定小，如快速 及便于通过求解riccati方程来获得u而已，不能真正 励磁系统引起高频有功振荡，但对调速控制系统的 体现最优控制思想。因为无论是调速还是励磁控 稳定性影响很小，所以快速励磁系统只需附加PSS 制，控制量除了受幅度限制，并不真正存在控制 来解决自身引起的有功振荡问题。既然PSS限制了 代价问题，即u'Rud的大小不能表示控制系统 AVR调节作用导致的机组转速或有功的变化，故也 性能的好坏，同时限制了对允许控制的充分利用。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
中 国 电 机 工 程 学 报 第 卷 转速 给定 一 ≅Κ ; 1 兀 , 1 γ 8 2 调速控制几乎不影 响励磁控制系统的性能 , 因为励磁控制能及时消除调速控制作用所导致的机 端 电压或输出无功变化 。 6 > 励磁系统 与调速系统之 间存在 强祸合 , 根据解祸的思想 , 可 以改变调速器输入来减小励磁 控制引起的机组转速和输出有功波动 , 但调速控制 的响应速度远慢于励磁控制 , 故 并不能真正实现这 种解祸 。 对调速系统而 言 , 励磁控制是一种远在调 速控制系统带 宽以外的高频扰动 。 因此 , 尽 管励磁 控制对转速或有功所造成的扰动不 一定小 , 如快速 励磁系统引起高频有功振荡 , 但对调速控制系统的 稳定 性影 响很小 , 所以快速励磁系统只 需附加Τ.. 来解决 自身引起 的有功振荡问题 。 既然Τ( .限制 了 Β 0 Ρ 调 节作用 导致的机组转速或有功的变化 , 故也 无解祸控制 的必 要 。 6!> 调 速器一般会设 置适当的人工 频率死区 , 在保证 机组调 频能力的 同时 , 便于稳定 出力 , 防止 调 门过于快速 、 频繁地动作 , 不利于设备 安全 。 因 此 即使励磁系统的控制作用引起小的转速变化 , 调 速器并不响应 。 6? > 若是暂态过程 , 励磁控制不 应完全 以机 端 电压为控制 目标 , 而 是在一定 的机端电压范围 内 最大 限度地维持 同步 , 即在第 摆功角达到最大值 6△“片Σ>之 前 , 应该强励 , 此后应让 励磁控制阻尼 有功振荡6如投入Τ. (> , 此时与 速度控制不存 在矛 盾 , 故不需要与调速器协调 。 若不包含解祸或部分解祸功能 , 则 无论是协调 控制还是综合 控制都不可 能消除或减小励磁 、 调速 系统之间的不利于 电力系统稳定 的祸合作用 , 难 以 达到从根本上提高电力系统稳定性的 目的 。 包含控制量的二次型线性 、 非线性最优控 制不适用于综合控制 2 二 次型线性最优控制存在的问题 以包 含控制量的 二次型 函数为 性能 指标的 多 变量线性最优控制用于独立的励磁 、 调速控制 已有 大量研究 , 并且 也存在实际应用 , 而励磁 、 调 速线 性最优综合控制也有一些研究「’ 一 ,< ,β 一 8_ 。 将非线性模 型精确 线性化 , 然后 采用二次型线性最优控制理论 设计控制规律 , 是电力系统 非线性控制研究最多且 较为成 熟的方法 。 从成 熟性看 , 这 种控制 理论用 于励磁 、 调速的可能性 比较大 。 然而 , 下面 的分析 表明这 种控制理论即使用于励磁 、 调速的独立控 制也存在一 定的问题 , 更不适合励磁 、 调速综合控 制 。 励磁 、 调速线性最优综合控制考虑 了内在 的机 电祸合关系 , 对提高稳定性是有益 的 , 这正 是它 的 优点所在 。 但是 , 从实际工 程角度看 , 采用 性能指 标 ‘ 一 ∗ ⎯Ι ’ κΙ γ 。 ≅ Ρ5 _∃+ 的线性最 优控制存在如 下根本性问题 ; 6‘, ∗ “‘ Ρ “∃ ‘只是为 了限制控带组量 “ 过大 以 及便于通过求解:% 9 Ε+% 方程来获得“ 而 已 , 不 能真正 体现最优控制思 想 。 因 为无论 是调 速还是励磁 控 制 , 控制量除了受幅度限制 , 并不 真正存在控制 代价问题 , 即 _8# 5 ≅ Ρ5 ∃: 的大刁 、不能表示控制系统 性能的好坏 , 同时限制了对允许控制的充 分利用 。
第13期 王剑等：发电机励磁及调速综合控制可行性分析 77 合理的性能指标应该是J=,x'Qxdt,4<K,K 统输入、输出关系的闭环控制算法依然相互独立。 在操作层面上，汽轮发电机组涉及到炉、机、电的 为励磁电压或导叶运动速度限幅值，但这是非线性 协调控制，单独的励磁、调速综合控制可能未必有 最优控制，不易求解控制规律。另外，R中非零元 优点，而水轮发电机组综合控制则可以简化装置、 素一般只在主对角线上，若其取值太大，则使得“ 协调操作，从而提高机组运行的安全可靠性及经济 太小，控制效果差，若取值太小，则“易饱和，不 再是线性控制。可见R中的非零元素应该不大不小。 效益。其有如下好处： 因此也不能通过让R中的非零元素充分小于Q中相 (1)简化软、硬件结构，提高系统可靠性。 (2)简化运行操作及维护，可综合状态监控 应元素来用性能指标J=x'Qx+u'Rudr近似替 与故障处理，以提高机组运行的安全可靠性。 代x'rdt,l4<K。 (3)包含并网同期功能，缩短同期跟踪时间。 (2)线性最优控制如何处理模型所忽略的高频 (4)有利于提高进相运行时机组的稳定性。 振荡环节及小时间常数环节的影响也值得研究。它 (5)有利于优化发电机组运行工况。 所采用的数学模型阶次不能太高，一般会忽略掉实 另外，业内有些人认为综合控制会降低发电机 际系统的一些高频振荡及小时间常数环节，如轴系 组的可靠性，这是不正确的，综合控制只会简化硬 的弹性模型，测量环节及控制器时滞等。如果不考 件结构，而附加的控制、保护功能与独立控制可以 虑这些因素或处理不合理，实际的线性最优控制甚 完全相同，因此可靠性只会提高：事实上，无论励 至可能激发次同步振荡或其他高频振荡。 磁、还是调速发生故障，都得停机，如果励磁、调 (3)对于响应速度相差很大的励磁、调速系 速控制器共用一个硬件平台，发生控制器硬件故障 统采用线性二次型最优综合控制，并没有考虑调速 的可能性就减小了一半：本文认为综合控制器会因 系统带宽的限制，会导致调速系统过于频繁、快速 励磁故障导致综合控制器不工作，从而使得停机时 动作，也可能产生轴系扭振等高频振荡，不利于设 不能像独立的调速器那样制动水轮机也是一种错 备安全可靠运行。 觉，综合控制器故障就相当于独立的励磁、调速装 2.2精确线性化方法不适用于暂态控制 置都发生故障，其安全保护措施与独立控制的情形 对于发电机组控制，非线性控制的优越性体现 是一样的。当然，综合控制器也应采用2套甚至3 在暂态控制上，然而非线性的暂态控制规律却不适 套冗余方式。 合通过精确线性化方法求得。因为：汽轮机要通过 4结语 快控汽门才能实现较好的暂态控制，励磁控制对暂 态稳定的贡献主要取决于励磁系统的响应速度与 (1)由于机械结构而非控制规律导致励磁、 强励倍数，无论是快控汽门还是强行励磁，控制输 调速系统的响应速度相差很大，使得算法层面的综 出是开关量或存在饱和限幅，具有bang-0-bang控制 合控制不能有效地协调励磁、调速装置的动作，因 的本质非线性特性。而精确线性化还往往需要很大 此难以达到提高机组稳定性的目的。 的控制量去抵消系统的非线性1，使得精确线性化 (2)具有bang-0-bang特点的快控汽门及强励/ 难以实现。另外，除了精确线性化本身不具鲁棒性 强减控制使得采用线性模型或精确线性化方法难 外，负荷及线路电抗的不确定性也使得依赖精确模 以获得满意的暂态控制规律。 型的非线性控制缺乏鲁棒性。既然不能将非线性模 (3)水轮发电机组操作层面的励磁、调速综 型线性化，自然无法利用线性控制理论获取暂态控 合控制具有较多的优点，也比较可行。 制规律。 (4)AVR+PSS的励磁控制方式已能将系统的 静稳极限提高至线路的功率极限，而励磁系统的暂 3水轮发电机组操作层面励磁、调速综合控 态稳定作用关键取决于其响应速度与强励倍数：对 制的优点 于调速控制，不是控制规律而是机械结构及其安全 所谓操作层面励磁、调速综合控制就是由同一 可靠运行要求不允许系统过于快速、频繁地动作， 控制器硬件执行同一套操作程序软件实现励磁系 即系统带宽受限而不能提高动态性能，难以期望通 统与调速器各种工况的操作，但其中励磁与调速系 过寻找更好的控制规律来大幅提高机组自身乃至 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 ! 期 王 剑等 ; 发 电机励磁及 调速 综合控制可行性分析 合 理 的性能指标应该是 ‘一 价 ≅ κΙ ∃+, 15 λ [, [ 为励磁 电压或导叶运动速度 限幅值 , 但这是非线性 最优控制 , 不 易求解控制规律 。 另外 , Ρ 中非零元 素一 般只在主 对角 线上 , 若其取值太大 , 则使得 5 太小 , 控制效果差 , 若取值太小 , 则 “ 易饱和 , 不 再是线性控制 。 可见双 中的非零元素应该 不大 不小 。 因此也 不能通过让丑中的非 零元素充分小于κ中相 应元 素来用性育旨指标4δ 丁4 〔Ι ‘ κΙ 十 “‘ Ρ “_∃ ‘近布以替 代 ∗ Ι ≅ κΙ ∃ ‘ , ϕ 5 ϕ λ [ 。 6> 线性最优控制如何处理模型所忽略的高频 振荡环节及小时 间常数环节 的影响也值得研究 。 它 所采用的数学模型阶次不 能太高 , 一般会忽 略掉实 际系统的一些 高频振荡及小时间常数环节 , 如轴系 的弹性模型 , 测量环节及控制器时滞等 。 如果不考 虑 这些因素或处理不合理 , 实际 的线性最优控制甚 至 可能激发次同步振荡或其他高频振荡 。 6! > 对于 响应速度相 差很大的励磁 、 调 速系 统 采用线性二 次型最优综合控制 , 并 没有考虑调速 系统带宽的限制 , 会导 致调速系统过于频繁 、 快速 动作 , 也可 能产生轴系扭振等高频振荡 , 不 利于 设 备安全可靠运行 。 2 精确线性化方法不适用于 暂态控制 对于发 电机组控制 , 非线性 控制的优越性体现 在暂态 控制上 , 然而 非线 性 的暂 态控制规律却不 适 合通过精确线性化方法求得 。 因为 ; 汽轮机要通过 快控汽 门才能实现较好的暂态控制 , 励磁控制对暂 态稳 定 的贡 献主要取 决于 励磁系统 的响应速度与 强励倍数 , 无论 是快控汽 门还是 强行励磁 , 控制输 出是开关量或存在饱和 限幅 , 具 有Φ Ε& ∋ 一 8 一 ΦΕ& ∋ 控制 的本质非线性特性 。 而精确线性化 还往往需要 很大 的控制量 去抵消系统 的非线性⎯1? _ , 使得精确线性化 难以实现 。 另外 , 除了精确线性化本身不具 鲁棒性 外 , 负荷及 线路 电抗的不确定性也使得依赖精确模 型的非线性控制缺乏鲁棒性 。 既然不 能将非线性模 型线性化 , 自然无法利用线性控制理论获取暂态控 制规律 。 ! 水轮发 电机组操作层面励磁 、 调速综合控 制的优点 所谓操作层 面励磁 、 调速综合控制就是 由同一 控制器硬件执行 同一套操作程序软件实现励磁系 统与调速器各种工况的操作 , 但其中励磁与 调速系 统输入 、 输出关系的闭环控制算法依然相 互独立 。 在操作层面上 , 汽轮发电机组涉及到炉 、 机 、 电的 协调控制 , 单独的励磁 、 调速综合控制可能未必有 优点 , 而水轮发 电机组 综合控 制则可 以简化装置 、 协调操作 , 从而提高机组运行的安全可靠性及经济 效益 。 其有如下好 处 ; 6 > 简化软 、 硬件结构 , 提高系统可靠性 。 6> 简化运行操作及维护 , 可 综合状态监 控 与故 障处理 , 以提高机组运行的安全可靠性 。 6! > 包含并网同期功 能 , 缩短 同期 跟踪时间 。 6? > 有利于 提高进相运行时机组 的稳定性 。 6<> 有利于优化发电机组运行工况 。 另外 , 业内有些人认为综合控制会降低 发电机 组 的可靠性 , 这是不 正确的 , 综合控制只会简化硬 件结构 , 而 附加的控制 、 保护功能与独立控制可 以 完全相 同 , 因此可 靠性只会提高 ; 事实上 , 无论励 磁 、 还是调 速发生故障 , 都得停机 , 如果励磁 、 调 速控制器共 用一个硬件平台 , 发生控制器硬件故障 的可能性就减小 了一 半 Χ 本文认为综合控制器会因 励磁故障导致综合控制器 不工作 , 从而使得停机时 不能像独立 的调 速器那样制动水轮机也 是 一种错 觉 , 综合控制器故障就 相 当于独立的励磁 、 调速装 置都发生故障 , 其安全保护措施与独立控制的情形 是一样的 。 当然 , 综合控制器也应采用 套甚至 ! 套冗余方式 。 ? 结语 61> 由于 机械结构而 非 控制规律导 致励磁 、 调速系统的响应速 度相差很大 , 使得算法层 面 的综 合控制不能有效地协调励磁 、 调速装置 的动作 , 因 此难以达到提高机组稳 定性的 目的 。 6> 具有ΦΕ& ∋ 一 8 一 Φ Ε& ∋ 特点 的快控汽 门及强励Ζ 强减控制使得采用线性模型或精确线性化方法 难 以获得满意 的暂态控制规律 。 6! > 水轮发电机组 操作层面的励磁 、 调速综 合控制具有较多的优点 , 也 比较可 行 。 6? > Β 0 Ρ γ Τ. . 的励磁控制方式已 能将系统 的 静稳极限提高至 线路的功率极限 , 而励磁系统 的暂 态稳定作用关键取决于其响应速度与强励倍数 Χ 对 于调 速控制 , 不是控制规律而是机械结构及其安全 可靠运行要求不允许系统过于快速 、 频繁地动作 , 即系统带宽受 限而不 能提高动态性能 , 难以期望通 过寻 找更好的控制规律来大幅提高机组 自身乃 至
78 中国电机工程学报 第26卷 电力系统的稳定性。 system,1999,142):620628. (5)多机、多目标、不同装置、及不同层次 【9]戴先中，张聘，等.发电机励碰与汽门系统解耦控制的神经网络 逆系统方法).中国电机工程学报，2002,22(11)：75-80. 的协调控制才可能从根本上提高电力系统的稳定 Dai Xianzhong,Zhang Teng,et al.An-inverse based decoupling 性。 control of excitation and valve system for turbogenerator(J]. Proceedings of the CSEE,2002,22(11):75-80(in Chinese). 参考文献 [10马进，席在荣，等.基于Hamilton能量理论的发电机汽门与励磁非 []卢强，王仲鸿，韩英铎，等.大型汽轮发电机组的最优综合控制 线性稳定控制器的设计J刀.中国电机工程学报，2002,22(5)：88-93 及其在动态模拟系统上的试验研究仞，清华大学学报.1981,21(2)： Ma Jin,Xi Zairong,et al.Nonlinear stabilizing control design for the 63-77. steam-valving and excitation system based on Hamiltonian energy Lu Qiang,Wang Zhonghong,Han Yingduo,et al.Integrated optimal theory[J].Proceedings of the CSEE,2002,22(5):88-93(in Chinese). control of larger turbo-generator set and tests on micro-alterator [1]王冰，季海波，等.汽轮发电机励磁与汽门协调无源控制切，中 system[J].Journal of Tsinghua University,1981,21(2):63-77(in 国电机工程学报，2004,245)：104109. Chinese). WANG Bing,Ji Haibo,etal.The coordinated passivity techniques for ☑]卢强，王仲鸿，韩英锋.输电系统最优控制M,北京：科学出版 the excitation and steam-valving control of generator[J].Proceedings 杜，1982. of the CSEE,2004,24(5):104-109(in Chinese). [3]Narayana S,Iyer,Cory B J.Optimum control of a turbo-generator 【12]杨献勇.热工过程自动控制M.北京：清华大学出版社，2000. including an exciter and governor[J].IEEE Trans.PAS-290(1),1971, [I3]I如PRABHA KUNDUR著，李永庄译.电力系统稳定与控制M].北 2142. 京：中国电力出版社，2002，第1版. [4]Singh S N.Nonlinear state-variable-feedback excitation-and-governor [14]吴青华，蒋林.非线性控制理论在电力系统中应用综述).电力 control design using decoupling theory[J].IEE Proceedings,1980. 系统自动化.2001,25(3)：1-10. 127(3):131-141. Wu Q H,Jiang L.Survey on nonlinear control theory and its []陈怡，冯纯伯。大型汽轮发电机组的综合控制U,电力系统自动 applications in power systems[J].Automation of Electric Power 化，1983,7(1)：16-27. Systems,2001,25(3):1-10(in Chinese). Chen Yi,Feng Chunbo.Integrated control of large turbo-generator set[J].Automation of electric power system,1983,7(1):16-27(in 收稿日期：2006-02-28。 Chinese). 作者简介： [6]Wang Youyi,David J Hill,Richard H Middleton,et al,Transient 王剑(1963一)，男，博士，讲师，主要研究方向为电气控制、电 stability enhancement and voltage regulation of power systems 力电子技术及人工神经网络，jping(@seu,ed山.cn: [J].IEEE Trans.Power System,1993,8(2):620-627. 毛宗源(1936一)，男，教授，博士生导师，主要研究领域：工业 [7]WalkerPA W,Serag A M.Integrated excitation and turbine control in 自动化、智能控制、神经网络及人丁免疫系统： a multimachine power system[J].IEE Proceedings,1989,136(6): 许敬连(1969一)，男，高级工程师，主要研究方向为电力系统及 331-340. 自动化、电力电子应用技术。 [8]Ouassima A,Francis O,Louis A D,et al.Application of a mulitivariable feedback linearization scheme for rotor angle stability (责任编辑喻银凤) and voltage regulation of power systems[J].IEEE Trans.on Power C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
∀= 中 国 电 机 工 程 学 报 第 卷 电力系统的稳定性 。 6 多机 、 多目标 、 不 同装置 、 及不 同层次 的协调 控制才可能从根本上提高 电力系统 的 稳定 性 。 参考文献 ⎯1_ 卢强 , 王仲鸿 , 韩 英铎 , 等 2 大型汽轮 发电机组 的最 优综合控制 及其在动态模拟系统上的试验 研究Υ4_ 2 清华大学学报 2 β= , 6> ; ! 一 ∀ ∀ 2 α5 印Ε& ∋ , ] Ε& ∋ Ν , ) & ∋ Φ ) & ∋ , χ 明 ∴ %& ∋ ∃ 5 ) , # + Ε% 2 Υ& 比 ∋ : Ε+ # ∃ 8 Τ+ %Ο Ε1 # ) & +: 8 )∗ 1叮∋ #: +Θ : Φ) φ ∋ # & # :Ε +) : (# + Ε& ∃ 烧(+( ) & 而 # : )η Ε1 +# :& Ε +) : (Γ (+ # Ο ⎯4_ 2 4 ) 5 : &Ε% ) ∗ ≅ (%& ∋, 5Ε Θ &% ϑ # :( %+Γ , β = , 6 > ; ! 一 ∀ ∀ 6% & − ,%& # (# > 2 ⎯_ 卢强 , 王仲鸿 , 韩英铎 2 输电系统最优控制ΥΑ_ 2 北京 ; 科学出版 社 , β = 2 ⎯! _ 3 别旧ΓΕ& Ε ( , +Γ # : , − ) :Γ Ω 4 · ΣΤ +% Ο 5 Ο # ) & +: ) 1 ) ∗ Ε +Θ : Φ) ∋# & # :Ε+ ) : %& # 1 5 ∃ %& ∋ Ε& # Ι 9 %+# : Ε& ∃ ∋ ) ϑ #Ο ): ⎯4_ 2 Υ/ / ≅ :Ε& ( 2 ΤΒ ( · 8 6一> , β∀ , ? 2 Υ ? > . %& ∋, . 3 , 3 ) &】%& # Ε: (+Ε +# 一ϑ Ε:% ΕΦ1 # 一 介# ∃ Φ Ε9 μ # Ι 9 %+Ε +% ) & 一 胡∃ 一 ∋) ϑ # Ο ) : 9 ) & +:) 1 ∃# (%∋& 5 (% & ∋ ∃ #− ) 5 Τ1%& ∋ +,# ) :Γ ⎯ 4_ Υ/ / Τ: )9 # #∃ %& ∋ (, β =8 , ∀ 6! > ; ! 一 ? 2 ⎯ ; 一 ∀ 2 −Φ #& ∴% , Δ# & ∋ −, 5 & Φ) 2 Υ& + # ∋: Ε +# ∃ # ) & +: ) 1 ) ∗ 1啤 # +5 : Φ) 唱# &# :Ε+ ): (#+ ⎯4_ 2 Β 5 +) Ο Ε +% ) & )∗ # 1 # # +:% # Ξ) Κ #: (Γ ( +# Ο , β =! , ∀ 61> ; η ∀6% & − Φ % & #(# > 2 ⎯ _ ] Ε& ∋ ∴) 5Γ% , ⊥ Εϑ %∃ 4 χ %11 , Ρ 1 9 Φ Ε : ∃ χ Α%∃ 1 # +) & , # + Ε1 , ≅ :Ε & (% # & + ( +ΕΦ %1%+Γ # &, Ε& # # Ο # & + 曲∃ ϑ ) 1+Ε ∋ # 化∋ 5 1 Ε ) & ) ∗ Ξ) 挑 : (Γ (把Ο ( ⎯4_ 2 Υ/ / / ≅ & 切 ; 砚卜 ∀ , 汇∀ _ ] Ε1 μ # : Τ Β ] , . # : Ε ∋ Β Α 2 Υ & +# ∋ :Ε+# ∃ # Ι # %+Ε + )& Ε& ∃ +5 :Φ %& # # ) & 如1 % & Ε Ο5 1+%Ο Ε # ,%&# Ξ) Κ # : (Γ (+# Ο 田 2 Υ/ / Τ: )9 # # ∃ % & ∋ ( , β = β , ! 6 > ; ! ! 一 !? 8 2 ⎯ = ) 5 Ε( ( 5& Ε Β , Δ:Ε & # % ( ) , α) 5 % ( Β ⊥ , # + Ε1 2 Β ΤΤ1% # Ε ) & ) ∗ Ε Ο 5 1%+% ϑ Ε & Ε Φ1 # ∗# #∃ ΦΕ 改 1% & # Ε 门Μ Ε + %)& ( 9 ,#Ο # ∗): : ) +) : Ε& ∋ 1 # (+Ε Φ11%+Γ Ε& ∃ ϑ )1 +Ε ∋ # : # ∋ 51 Ε+% ) & )∗ Ξ) Κ #: (Γ (+# Ο ( ⎯4_ 2 正/ / ≅ : Ε& ( 2 ) & ΤΣ Κ # : (Γ (+# Ο , β β , ? 6 > ; 8η = 2 〔β4 截先中 , 张腾 , 等 2 发电机励磁与汽门系统解藕控制的神经网络 逆系统方法⎯4_ 2 中国电机工程学报 , 8 , 6 > ; ∀ ; ∀ 2 8 马进 , 席在荣 , 等 2 基于χ 删1咖能量理论的发电机汽 门与励磁非 线性稳定 控制器的设 计Υ4_ 2 中国电机工 程学报 , 8 , 6 ; = = 一 β! 2 Α Ε 4%& , 7% Ν Ε% : ) & ∋ , #+ Ε1 2 3 ) &1 % & # Ε‘ (+Ε Φ %1% Μ 1刀 ∋ 9 ) & +Υ ⊥ 1 ∃( ( 1∋& ∗): +,# (+# ΕΟ 一 ϑ Ε1 ϑ % & ∋ Ε& ∃ # Ι # %+Ε ∃ )& (Γ ( +# Ο Φ Ε(#∃ ) & χ Ε: &% 】+) 51 Ε& #& : ∋Γ +, # ) :Γ ⎯4_ 2 巧。9 # # ∃% & ∋ ( ) ∗ +, # − . / / , 的 , 6 ; = = 一 β !6%& −为% & #(# > · 口月 王 冰 , 季海波 , 等 2 汽轮发电机励磁与汽门协调无源控制田 , 中 国电机工程学 报 , 呢7” , ? 6<> ; 阵 8 2 ] Β 3 Η Ω % & ∋ , 4% χ Ε 1Φ) , # + Ε1 2 ≅, # # ) : ∃ % & Ε沈∃ ΤΕ( (%ϑ %+Γ +#− ,) %Ψ 5 # ( ∗) : +,# # Ι # %+Ε% ) & Ε& ∃ (+# ΕΟ 一 ϑ Ε1 ϑ %& ∋ 9) & +:) 1 )∗ ∋ # & # :Ε +) : 14_ 2 介仪创刃Υ & ∋ ( ) ∗ +, # − ./ / , 以Α , ?6 <> ; 8? 一 的6%& −Φ %& #(# > 2 口4 杨献勇 2 热工过程 自动控制 附 2 北京 ; 清华大学 出版社 , 仅刃 2 ⎯1 !_ 咖〕ΤΡ Β Ω χ Β [ Θ 3 ⊥ Θ Ρ 著 , 李永庄译 2 电力系统稳定 与控制附〕 2 北 京 ; 中国电力出版社 , 67> , 第 版 2 ⎯ ? _ 吴青华 , 蒋林 2 非 线性控制理论在电力 系统中应用 综述⎯4_ 2 电力 系 统自动 化 2 加1 , ; 1 一 8 2 Κ 5 κ χ , 4% Ε& ∋ α 2 . 5 : ϑ #Γ )& & ) & 1% φ 9) & 比Υ 出#) :Γ Ε& ∃ %+( ΕΤΤ1% # Ε 石) & ( %& Τ) Κ #: (Γ ( +# Ο ( ⎯4 _ 2 Β 5 +) Ο Ε口) & )∗ /1 #9 +:% # Τ) Κ # : .Γ(+ #Ο ( , 的1 , ; 一 86 %& − 卜Υ & #(# > 2 收稿日期 ; 《洲拓 一 8 一 =8 作者简介 ; 王 剑6_ β! 一 , 男 , 博士 , 讲师 , 主要研究方向为 电气控制 、 电 力 电子技术及 人工神经 网络 , ςΞ%&∋ ν ( #5 , #∃ 5 ￡& ; 毛宗源6 β ! (# > , 男 , 教授 , 博士 生 导 师 , 主要研究领域 ; 工业 自动化 、 智 能控制 、 神经网 络及 人丁 免 疫系统Χ 许敬涛61 β βη 一> , 男 , 高级 工程师 , 主要 研究方向为电力系统及 自动化 、 电力 电子应用技术 。 6责任编辑 喻银凤 >
