发电机励磁系统的抗饱和控制研究

论文摘要

发电机及其控制系统作为典型的非线性系统,存在着非线性、耦合性、时滞性等特征,而这类问题历来是控制研究的热点,其中饱和环节的存在严重影响着系统的暂态稳定。从自动控制的角度来看,控制好发电机使之高效稳定的运行,直接关系到整个区域的稳定运行。针对发电机励磁控制系统当中存在的饱和问题进行了研究和抗饱和设计,完善了非线性控制理论在工程中的应用。本文从暂态稳定和小干扰稳定两个方面来研究饱和系统的补偿设计。对励磁环节存在的饱和问题,根据已知的线性控制器,运用鲁棒控制LMI方法,设计抗饱和补偿环节,以减弱饱和问题的发生。在暂态稳定方面,励磁控制器的超调会使调节系统进入强非线性区,使控制性能不理想。通过鲁棒控制分析可知,在强干扰作用下,控制器性能指标越好则越容易进入超调状态。如采用增益矩阵反馈抗饱和理论,可设计包含抗饱和补偿环节的励磁控制器,通过线性矩阵不等式求解,便得到满足限幅约束的可行解,再得到补偿环节的增益矩阵。当控制器超调时,补偿环节会对原控制器加以修正。仿真表明,在大扰动状况下附加抗饱和环节后,能有效地抑制控制器超调,提高发电机的稳定控制能力。在小干扰稳定方面,系统稳定控制器对低频振荡的抑制起到了至关重要的作用。当饱和问题出现后,稳定器所发挥的抑制效果会降低,此时通过增益矩阵反馈抗饱和补偿控制方法,将饱和问题严重程度通过闭环反馈形式反映到补偿环节来调整控制量,补偿矩阵设计过程可以通过几个满足线性约束的矩阵不等式求解。仿真结果表明,运用抗饱和补偿理论对励磁环节进行的适度补偿有效改善了饱和的严重程度,从而使得稳定控制器的吸引域更大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 抗饱和控制系统设计方法
• 1.2.1 控制系统中执行机构饱和问题
• 1.2.2 饱和问题研究方法和抗饱和的类型
• 1.3 发电机控制的饱和问题
• 1.3.1 发电机励磁控制器饱和问题
• 1.3.2 系统稳定控制器的饱和问题
• 1.3.3 励磁环节饱和对系统暂态稳定的影响
• 1.3.4 励磁控制器和稳定控制器抗饱和研究现状
• 1.4 论文主要内容与结构安排
• 第二章 抗饱和鲁棒控制理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 鲁棒控制器设计方法
• 2.3 抗饱和补偿设计框架结构
• 2.3.1 饱和非线性特征描述
• 2.3.2 抗饱和补偿设计步骤
• 2.4 饱和函数和吸引域
• 2.4.1 饱和函数
• 2.4.2 吸引域
• 2.4.3 最大化吸引域方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 发电机励磁控制器的抗饱和设计
• 3.1 引言
• 3.2 励磁控制系统及其模型
• 3.2.1 发电机励磁控制系统原理及其分类
• 3.2.2 励磁控制系统的分类
• 3.2.3 励磁控制系统的主要任务
• 3.2.4 发电机及励磁环节模型
• 3.3 励磁系统控制器的饱和问题和抗饱和设计
• 3.3.1 励磁环节饱和问题
• 3.3.2 励磁系统饱和问题描述
• 3.3.3 励磁控制系统的鲁棒控制器设计
• 3.3.4 励磁环节抗饱和控制器的设计
• 3.4 仿真分析
• 3.4.1 机端高压侧发生瞬间单相接地短路故障
• 3.4.2 主变压器高压侧发生三相瞬间短路故障
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统稳定控制器的抗饱和设计
• 4.1 引言
• 4.2 电力系统稳定控制器的基本原理
• 4.2.1 系统稳定控制器控制理论及模型
• 4.2.2 系统稳定控制器线性模型相位补偿设计方法
• 4.3 考虑饱和因素时系统稳定控制器的抗饱和
• 4.3.1 稳定控制器的饱和约束状态方程
• 4.3.2 考虑饱和后稳定控制器吸引域的分析
• 4.3.3 系统抗饱和稳定控制器的设计
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 论文的主要工作
• 5.2 研究工作展望
• 5.3 读研期间心得体会
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文和参与项目
• 中英文摘要