山东大学现代远程教育毕业设计（论文）

法都可以直接加以利用，从而把非线性系统的分析与设计转化为线性系统的分析与设计问题。

近年来，许多学者将微分几何方法引入到发电机非线性励磁控制规律的设计中，取得了较为满意的控制效果。该方法的缺点是数学过程复杂、不直观，不易为工程技术人员所掌握。

直接反馈线性化方法是另一种使非线性系统实现线性化的方法，与微分几何法相比，这种方法数学过程非常简单，不需要进行复杂的坐标变换和数学推导，直接便可得到线性化的结果。通过变化系统的状态方程，使非线性因素和控制量集中出现在某一高阶微分方程中，通过虚拟控制输入量的建立，直接找到非线性补偿规律，从而使原非线性系统达到线性化的目的。该方法的优点是数学过程简单，物理概念清晰，且适用于所有非线性系统，易于工程应用。缺点是运用该方法设计的控制器与网络参数有关，因此无法保证对网络变化的鲁棒性。用解析的方法证明直接反馈线性化方法和微分几何法可以得到完全相同的非线性励磁控制规律。

上述应用于电力系统的微分几何方法，直接线性化和逆系统方法实质上都是一种反馈线性化的方法。它们把非线性的电力系统控制问题，采用各种方法，线性化成线性系统，再利用线性控制理论加以分析与设计，克服了采用单点线性化模型产生的不足，对发电机运行点的变化和系统网络结构的改变具有较好的适应能力。

c)非线性变结构和鲁棒控制设计方法

八十年代以来，变结构控制开始应用于电力系统同步发电机励磁控制器的设计中，研究表明其能有效地解决电力系统控制的鲁棒性问题。

但目前这些方法还存在一些问题，如滑动模态的到达条件比较严格，开关逻辑函数的设计比较困难等。特别是变结构控制的抖动问题严重影响了它的广泛应用。

鲁棒励磁控制的主要目的是通过一种设计方法来保证得到的控制器在预定的参数和结构扰动下仍然能保证系统的稳定性和可用性。目前，己有大量的文献报导了以滑模变结构控制、H?控制和?综合理论为代表的鲁棒控制理论在发电机励磁控制器设计中的应用。研究表明，它们具有良好的针对参数摄动、非线性项和不确定的鲁棒性，有很乐观的应用前景。但该设计方法有其不足之处，如控制理论本身有待进一步完善，而且在应用于发电机励磁控制设计时，在模型和实现上还有许多实际问题需要进一步研究。

1.4.4智能控制方法

随着智能控制理论的迅速发展，模糊逻辑励磁控制、基于规则(专家系统)的励磁控制、人工神经网络励磁控制、基于迭代学习算法的励磁控制等

- XIII -

山东大学现代远程教育毕业设计（论文）

许多先进控制策略被广泛地应用到发电机励磁控制中。在人工智能应用于励磁控制时，并不需要被控对象精确的数学模型，其控制效果是由控制规则及其对系统运行变化的适应能力决定的。近年来，模糊控制技术得到了越来越多的重视，模糊控制不依赖对象的数学模型，鲁棒性好，简单实用，可以离线形成控制表存储在控制器中，可以很好地满足励磁控制系统快速反应的要求，因而在发电机励磁控制器的设计上受到关注，并取得了一定的实际效果。

1.5国外研究及发展状况

大型同步发电机励磁控制研究长期以来是一个非常活跃的领域，成为各种控制理论和方法的“试金石”,经过多年的探索，在理论和实践上,都已取得了丰硕的成果；而在目前和将来,随着电网规模的不断扩大及其对安全稳定性水平要求的提高，以及控制理论的推陈出新,这一领域的研究将继续深入发展。作者认为，在当前,应该对此进行一些实事求是和“承上启下”的分析和小结，以明确：哪些问题已得到了比较圆满的解决，不需要再花精力去研究了哪些关键问题还没有得到满意的解答，是今后研究的着力点；哪些问题仍然模糊不清，亟待明确;而哪些问题乃细枝末节，不必沉溺于其中等等，将是大有裨益的事。诚然,想完成这件有益的事并非一两个研究组发表一两篇文章所能胜任的。需要不同学派同仁各抒己见、集思广益，方能奏效。文章尝试对大型发电机组励磁控制发展的历史和现状作一简要概括，并从工程角度对已经比较好地解决了的问题、尚存在的问题以及未来大致走向发表拙见。“疑义相与析”，仅供广大电力科研人员特别是长期从事励磁控制研究的学者参考。

现代大型同步发电机励磁控制的主要目标包括：高精度的电压调节功能;机组无功功率分配功能；提供适当的人工阻尼和提高系统稳定性和传输功率的功能，其中稳定性主要指功角稳定性(包括静态、暂态和动态稳定性)和电压稳定性。励磁控制设计需要解决的关键问题有：1.为简化控制器设计所需的多机系统降阶动态等值问题；2.控制规律构造问题；3.系统非线性问题——包括可微非线性和不可微强非线性(如控制限幅)的处理及机端电压的处理问题；4.多机或多子系统间关联的处理,即分散与解耦控制问题；5.多控制目标的协调问题；6.励磁控制器之间及其与别的控制手段的协调问题；7.系统不确定性问题；8.适应性问题，励磁控制器对不同运行点、运行方式和扰动模式的适应能力和优化程度；9.控制系统的特性分析,包括闭环系统的稳定性、鲁棒性等。

关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地

- XIV -

山东大学现代远程教育毕业设计（论文）

解决，它们是进一步研究的重点所在。多机系统中的“强”非线性问题,即考虑控制限幅、饱和、切换以及各种实际约束(如端电压约束)条件下的控制系统综合和分析问题。现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常规非线性(或称为光滑可逆非线性)问题，而对工程实际中广泛存在的强非线性“视而不见”，或者只是做事后的定性校验；针对单机无穷大电力系统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段LQ励磁控制策略,而对于一般情况的多机电力系统尚需要进行更深入的研究。将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的鲁棒自适应励磁控制问题。多目标协调问题。由于控制手段增多，调节系统的侧重点和能力各异，因此有必要从整体出发。规划不同控制手段之间的协调工作方式，以解决电力系统的多目标控制问题。动态协调控制问题。目前的协调控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑系统运行方式和网络拓扑变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应该考虑控制器之间的在线动态协调问题。电力工业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励磁控制的新要求基于GPS的多机系统励磁优化协调控制的研究

励磁控制器是同步发电机励磁系统的重要部件。20世纪50年代以来，磁放大器出现后，常被用用直流励磁机系统。20世纪60年代初期，随着半导体技术的发展，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体励磁调节器。到20世纪70年代初期，半导体励磁调节器已获得广泛应用。

励磁控制理论的发展与自动控制理论本身的发展是息息相关的，控制理论总的发展趋势是由单变量到多变量，由线性到非线性，再到智能化控制。同样，励磁控制方式的发展也经历了一条与之相应的道路。

励磁控制发展的第一阶段可称之为古典励磁控制方式。在这一阶段，励磁控制首先从单机系统的分析和设计开始，提出了按发电机端电压偏差进行比例式调节的单输入——单输出地励磁控制方式，即比例调节方式。由于比例调节方式不能很好满足大电力系统对抑制震荡、提高静态稳定极限以及稳态电压调节精度等方面要求，于是便发展到按发电机端电压偏差的比例—积分—微分—调节的PID（Proportional-Intergral-Differential）调节方式。这两种调节方式都是基于线性传递函数数学模型上的单变量设计方法。

美国学者F.D.Demello和C.Concordia采用古典控制理论中的相位补偿原理，于1969年提出了电力系统稳定器的辅助励磁控制策略，从而形成了“AVR+PSS”结构的励磁控制器。这一控制方式至今仍被广泛使用。

随着现代控制理论和实践的发展，研究方法和工具得到了不断的改进。20世纪70年代，作为现代控制理论分枝的状态空间法获得了迅速发展，建立了完整的控制系统状态空间描述方法以及多维空间中的算子理

- XV -

山东大学现代远程教育毕业设计（论文）

论。 加拿大学者余耀南先生在20世纪70年代首先提出将最优控制理论应用到电力系统中。国内则是清华大学卢强教授等首先建立和完善了线性最优励磁控制器（Linear Optimal Excitation Controller，LOEC）的理论体系，并与天津电气研究所共同研制出了第一台基于线性最优励磁控制理论的模拟式LOEC装置。但是应当指出，这种励磁控制器是针对电力系统局部线性化模型来设计的，这样设计出的励磁控制器能保证在运行点附近具有良好的控制性能，当偏离运行点时，控制性能就会变差。

迄今为止，线性最优励磁控制器已进入实用阶段，成为兼有AVR和PSS功能，可供大型发电机组优选的励磁控制方案之一。

我国微机励磁控制器的研制和开发工作开展的较早。第一台投入现场运行的微机励磁控制器是电力部南京自动化研究所研制的WLT-1型励磁调节器。清华大学分别与哈尔滨电机厂和北京重型电机厂合作，研制了全数字式励磁控制器。中国电力科学研究院与南京自动化设备厂合作研制的微机自动励磁控制器。华中科技大学先后与东方电机股份有限公司和葛洲坝电厂能达通用电气有限公司合作，开发了线性最优和自适应最优微机励磁控制器。此外，广州电器科学研究所、长江水利委员会陆管局自动化研究所、武汉洪山电工技术研究所、河北工业大学、福州大学以及武汉华工大电力技术研究所等科研生产单位也在微机励磁控制器的研究方面开展了相关工作。

综上所述，十几年来，我国在微机励磁控制器的研究开发领域取得了丰硕的成果，这些离不开各大专院校，科研院所的共同努力，同时也离不开诸如池覃、映秀湾、乌溪江、葛洲坝等电厂的创新精神和大力支持，各地中试所也为微机励磁控制器的推广应用做出了重要贡献。

国外微机励磁控制器进入实用也是在20世纪80年代，1989年7月日本东芝公司在日本投入了双微机系统的数字式励磁调节器；加拿大通用电气公司（CGE）于1990年也开发出微机励磁调节器；瑞士ABB公司开发了UNITROL-D型微机励磁调节器。此外奥地利ELIN公司、德国SIEMENS公司和英国的GEC公司等也都相继生产出微机励磁调节器。这些大公司均有很强的科研开发能力。其中有很多公司如瑞士ABB、加拿大CGE、奥地利ELIN、英国GEC的产品在我国的大中型发电厂得到应用。这些微机励磁控制器大多采用PID+PSS控制，各种控制限制功能较完善，装置整体制造水平高。

从整体上看，我国在微机励磁控制系统的控制算法的研究处在国际前列，所开发的微机励磁控制装置的功能也非常强大，但装置所选用的元器件的可靠性以及生产制造工艺水平与国外相比尚存在一定差距。

- XVI -