电力系统暂态稳定自适应变结构控制研究

分类号学号2222000000004532720016453272001645327200164532720016学校代码10487104871048710487密级博士学位论文博士学位论文博士学位论文博士学位论文电力系统暂态稳定自适应变结构控制研究学位申请人：马和邦学科专业：系统分析与集成指导教师：周建中教授答辩日期：2012012012012222年6666月3333日AAAADissertationDissertationDissertationDissertationSubmittedSubmittedSubmittedSubmittedininininPartialPartialPartialPartialFulfillmentFulfillmentFulfillmentFulfillmentofofofofthethethetheRequirementsRequirementsRequirementsRequirementsforforforforthethethetheDegreeDegreeDegreeDegreeofofofofDoctorDoctorDoctorDoctorofofofofScienceScienceScienceScienceStudyStudyStudyStudyononononAdaptiveAdaptiveAdaptiveAdaptiveVariableVariableVariableVariableStructureStructureStructureStructureControlControlControlControlforforforforPowerPowerPowerPowerSystemSystemSystemSystemTransientTransientTransientTransientStabilityStabilityStabilityStabilityPh.Ph.Ph.Ph.D.D.D.D.CandidateCandidateCandidateCandidate：MAMAMAMAHebangHebangHebangHebangMajorMajorMajorMajor：SystemSystemSystemSystemAnalysisAnalysisAnalysisAnalysisandandandandIntegrationIntegrationIntegrationIntegrationSupervisorSupervisorSupervisorSupervisor：Prof.Prof.Prof.Prof.ZHOUZHOUZHOUZHOUJianzhongJianzhongJianzhongJianzhongHuazhongHuazhongHuazhongHuazhongUniversityUniversityUniversityUniversityofofofofScienceScienceScienceScience&&&&TechnologyTechnologyTechnologyTechnologyWuhanWuhanWuhanWuhan430074,430074,430074,430074,P.R.ChinaP.R.ChinaP.R.ChinaP.R.ChinaJune,June,June,June,2012201220122012独创性声明独创性声明独创性声明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于I华华华华中中中中科科科科技技技技大大大大学学学学博博博博士士士士学学学学位位位位论论论论文文文文摘要我国电力系统正步入大机组、大电网、特高压、交直流混合输送的电力能源时代，电力系统复杂化程度越来越高，其运行与控制的难度越来越大，有效驾驭特大型电力系统正面临严峻挑战。电力系统作为典型的高维、强非线性、不确定性动力学系统，尚有许多不为人所知的复杂现象与运动规律，需要进一步加强理论和实践研究，以获得更加切实可行的控制策略和控制手段，保证电力系统长期稳定可靠运行。面对日益复杂多变的电力系统，传统的基于固定结构的精确化方法对于提高电力系统暂态稳定的控制能力受到很大限制。近几十年来，电力系统暂态稳定控制，尤其是励磁系统控制得到了世界各国电力系统专家广泛而深入的研究，提出了许多工程实践中行之有效的控制策略与控制方法，但仍然存在不少问题有待完善。本文以电力系统暂态稳定控制为研究对象，尤其针对励磁控制系统中出现的不确定性，在前人大量研究成果基础上，进一步研究非线性不确定电力系统暂态稳定自适应变结构控制策略，主要完成了以下几方面研究成果：(1)概述了电力系统暂态稳定的基本内涵，简要描述了系统故障发生后发电机内部机械与电磁之间的制约关系，回顾了电力系统暂态稳定控制的发展历程，综述了电力系统自适应变结构暂态稳定控制的研究现状。(2)电力系统是典型的强非线性、非自治、高维动力系统，其稳定性分析与综合比较复杂，研究工作需要合适理论指导。因此，引入了电力系统暂态稳定控制研究工作所需要的主要理论背景及其分析与设计工具。简要介绍了Lyapunov稳定性理论中常用的稳定性定理以及Barbalat引理；以一类线性化参数的不确定非线性系统控制为例，给出了反推自适应控制器的迭代设计步骤；解析了滑模变结构控制不变性的基本原理，并计算了快速终端滑模收敛时间；说明了变结构控制抖振现象产生原因以及消除措施；阐述了径向基神经网络的概念以及神经网络自适应控制基本模式。(3)将快速终端滑模变结构、反推控制以及自适应控制等控制策略进行有机结合，提出了单机无穷大电力系统暂态稳定自适应快速终端变结构励磁控制器，数字仿真实验表明，该控制器具有较好的适应性与较强的抗干扰能力，具有优良的控制品质。II华华华华中中中中科科科科技技技技大大大大学学学学博博博博士士士士学学学学位位位位论论论论文文文文(4)针对多机电力系统励磁控制，提出了自适应多级滑模励磁控制器，结合干扰界观测器，解决了多机电力系统模型结构与参数非匹配，参数不确定等技术难题。为克服变结构控制输入信号抖振问题，引入了具有无穷可导的光滑切换函数。数字仿真实验表明，设计的基于多级滑模的自适应多机励磁控制器具有很强的抗干扰能力，能有效提高多机电力系统暂态稳定性。(5)考虑到电力系统暂态稳定励磁控制系统难以精确建模的特点，引入径向基函数（RBF）神经网络逼近系统不确定性。首先针对一类非线性不确定性系统，导出了一般意义上的神经网络自适应控制器的控制律、网络权重调整律以及参数调整律。然后结合单机无穷大电力系统励磁系统模型特点，构造了神经网络自适应励磁控制器，经数字仿真检验，控制器具有良好适应性与抗扰动能力。关键词：电力系统暂态稳定，励磁控制，非线性动态，不确定性，自适应控制，变结构控制，神经网络自适应，快速终端滑模III华华华华中中中中科科科科技技技技大大大大学学学学博博博博士士士士学学学学位位位位论论论论文文文文AbstractThestatepowersystemsarenowenteringaneweraofpowerenergywhichwithlargepowerunitandwithspecialhighvoltage,andpowerenergybetransportedbyhybridalternativecurrentanddirectcurrent.Therunningandcontrollingofpowersystemarebecomingmoreandmorecomplicated.Howtocontrolspeciallargepowersystemsisfacingaseriouschallenge.Powersystemisofatypicalnonlineardynamicsofmulti-dimensionandwithstrongnonlinearityanduncertaintyandinwhichmuchintricatephenomenaandmovementlawstillunknown.Inordertoensurepowersystemsrunningcrediblestableforlongperiodandobtainsuitableandeffectivecontrolapproach,thestudyonthecontroltheoryandcontrolpracticemustbefurtherintensified.Facingonthefastchangeandcomplicatedpowersystems,theabilityoftraditionalexactingcontrolmethodwithfixedstructurewillbelimitedforimprovingpowersystemstability.Forthelastdecades,thecontrolofpowersystemstransientstabilityespeciallyexcitationcontrolmethodshadbeinvestigatedwidelyanddeeplybyelectricityspecialistsofworld.Manyeffectivecontrolstrategiesandmethodsofthepracticesandtheorybeproposed,butstillalotofproblemsremaintounresolved.Thisthesisfocusedonthestudyofthepowersystemtransientcontrolandespeciallyontheexcitationcontrolwithuncertaintybasedonpriorknowledgeandinvestigatingthemodernadaptivevariablestructurecontrolstrategyforuncertainpowersystemtransientstability.Thefollowingcontrolmethodsandcontrolstrategiesarepresentedinthisthesis.(1)Summarizingthebasicdefinitionofpowersystemtransientstabilityanddescribingtherelationshipbetweenthemechanicalandelectromagnetismbriefly,andthenreviewthedevelopmentsofcontrolstrategiesofpowersystemtransientstability.Finally,theprogressofcontrolmethodsofpowersystemtransientcontrolisintroduced.(2)Powersystemisofatypicaldynamicssystemswit