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 < 兀( 兀; Φ, 兀( γ 兀( 当 :畔。 2 < , 兀二
< , 今 8 < , 怀曰〕 2 8< , 右声习 , < , 今β < 时 , 介! 8 8 , 儿δ 6】 2 8 < χ Μ 图
水轮机调速系统 Δ%∋ 2
χ Γ∃ :Ε 5 Θ9 +5 :Φ % & # ∋) ϑ # Ο % & ∋ (Γ (+# Ο 电压 给定 1 1 1 不 , 1 γ 界( 1 γ 几 ( 凡( [ ‘ < γ 1 1 十 界 , 电压测量 [Τ δ < 8 , 卜 < , 瓦厂。月乍二 。。
< , 爪井 < , 李。 2 8 < 时 , 介<? 8 , ∗Φδ 万. χ Μ 或当 凡 δ 8 , 卜 < , 式厂 8, [∃ 1 δΣ 2 8< , , 乍δ 。 2 < < , 几δ < , 李。 2 8 < 时 , 件? “ , 2 今 ∀ 1χ Μ ) 图 ! 励磁控制系统 & ∋ 2 ! / Ι ∃ 加 )& 9 ) & +印 (Γ(+# Ο 2
其综合控制 不 能从根本上提高机组稳定 性的 原 因 所谓算法层面励磁 、 调速综合控制就是 由同一 套控制算法实现调速与励磁系统 输入 、 输出关 系的 闭环控制 。 由上述带 宽分析 可见 , 真正 限制控制系 统带 宽的不是 其控制 算法 , 而是被控对象的固有特 性 。 在调速控制系统 带宽远低于励磁控制 系统带宽 的前提下 , 难以对二者 进行解祸控制 , 且意义不大 , 原 因如下 ; 61> 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 。