浅谈电力系统稳定性非线性控制方法

摘要：介绍电力系统稳定性非线性控制的方法及其特点，分别对基于微分几何理论的反馈线性化方法、直接反馈线性化方法、Lyapunov 直接法、非线性控制、变结构控制、自适应控制、和智能控制等主要方法在电力系统非线性控制中的应用进行了阐述，指出了目前电力系统非线性控制存在的问题， 并对以后的研究方向作了展望。

关键词：电力系统 非线性控制 反馈线性化方法

电力系统是一个复杂的非线性动态大系统，随着大机组、超高压电网的迅速发展，改善电力系统运行的安全稳定成为日趋重要和紧迫的研究课题。随着微型计算机和现代控制理论的不断进展，各种先进的控制方法在电力系统控制方面得到了广泛的应用，它们在提高电力系统性能的同时，也为解决电力系统安全、稳定和经济运行问题提供了各种各样的途径。

一、基于电力系统非线性模型的设计

通常对非线性系统进行控制主要有两大类处理方法：①先将非线性系统在某一邻域内进行反馈线性化，然后运用现代控制理论的思想进行控制的设计，如基于微分几何理论的反馈线性化法、直接反馈线性化方法等。②直接应用非线性控制理论的结果，如变结构方法、鲁棒控制和智能控制等。

1.1 基于微分几何理论的反馈线性化法

基于微分几何理论的反馈线性化法通过微分同胚映射实现坐标变换，根据变换后的系统设计非线性反馈，实现非线性系统的精确线性化。微分几何方法适合仿射非线性系统。这种方法具有坚实的理论基础，但其控制律的推导对于数学基础要求较高，同时非线性反馈的引入令控制器结构复杂，限制了它在工程中的运用。

1.2 直接反馈线性化方法（DFL）

DFL方法不需要进行复杂的坐标变换和大量数学推导，具有计算简单、物理概念清晰的优点，便于工程应用。运用DFL方法设计了新型变结构励磁和综合控制器，仿真表明该控制器提高了系统的暂态稳定性和故障后的电压调节性能。

1.3 Lyapunov直接法

Lyapunov 直接法由于直接考虑了系统的非线性特性，且物理概念清晰，在电力系统暂态稳定的分析及控制器的设计中得到了广泛的应用。基于Lyapunov直接法研究了非线性励磁控制，数字仿真和基于微机实现的控制装置验证了所提出的控制规律的有效性。

1.4 无源系统理论

无源系统是一类考虑系统与外界有能量交换的动态系统，系统无源可以保持系统的内部稳定。从无源系统的角度看，Lyapunov 函数的构造过程正是使系统无源化的过程，此时的Lyapunov 函数正是保证系统无源性的存储函数。Lyapunov 意义下的稳定是指无外部激励条件下系统广义能量的衰减特性，而无源性是指系统有外界输入时的能量衰减特性。

对于存在干扰的系统来说，为了使得系统内部稳定，可依靠无源理论来构造反馈控制器，使得相应的闭环系统无源而保持内部稳定。一般来说，无源性、稳定性与最优性密切相关，但是Lyapunov 函数的构造还没有规律可循，需要经一步研究。

1.5 自适应控制

自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统。自适应控制器能够修正自己的特性以适应对象和扰动的动态变化。采用自适应控制技术能够有效地解决模型不精确和模型变化所带来的鲁棒性问题，但是由于它需要复杂的在线计算和递推估计，只是适合于一些渐变和实时性不高的过程。

1.6 智能控制

基于人工神经网络（ANN）、模糊控制（FC）和专家系统（ES ）的智能控制由于具有处理各种非线性的能力、并行计算的能力、自适应、自学习和自组织的能力以及容许模型不精确甚至不确定等多方面优点，使之可以综合解决多机电力系统控制所面临的诸多问题。应用ANN 实现了励磁、快关汽门和电阻掣动三种不同控制器的最优综合控制。用模糊控制与线性最优控制结合实现了非线性自适应变增益励磁控制，弥补了固定增益的线性最优励磁控制对大、小干扰或不同目标采用折中设计和无法考虑强非线性约束的不足。

二、结束语

非线性控制理论在电力系统中成功的应用明显地提高了电力系统暂态稳定性，对增强电压稳定性也有显著的作用。不过，由于非线性系统控制问题的复杂性，不能找到一种万能的非线性控制方法。每一种方法只适合解决一些特殊的非线性系统控制问题。另外，具体的电力系统控制问题有其自身的复杂性，如要同时满足互相矛盾的几个控制目标等，目前控制器大多基于单机无穷大系统模型设计，而在实际多机电力系统中，如何得到分散解耦控制并加以妥善协调，进而提高整个系统的稳定性是值得研究的问题。

参考文献：

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