先进控制理论在电力系统中的应用综述及展望

发布日期：2017-07-03 来源：中国知网 作者：魏韡梅生伟张雪敏 浏览次数：521

按照国家电网公司的发展战略，“十二五” 期间我国特高压电网将进入快速发展阶段，形成以“三纵三横”特高压交流和 14 回特高压直流为骨干网架的“三华”交直流混联电网。对于这个规模庞大的系统，研究其运行的动态特性进而构建先进的安全控制系统是极富挑战性的课题。此外，各种新技术如高压直流输电系统（HVDC）、灵活输电系统（FACTS）等电力电子元件的应用，一方面增强了系统的调控能力，另一方面也增加了电网控制的复杂性，对电力系统的安全稳定运行提出了更高的要求。因此，改善与提高我国电力大系统的动态品质、安全稳定和经济性一直是电力科技的首要任务。提高电力系统稳定性的最经济和最有效的手段之一是采用先进的控制理论和方法。在过去的半个世纪里，电力科技工作者们为改进与发展电力系统控制技术进行了大量研究。为简明起见，本文主要以大型发电机组励磁控制为主线，梳理总结电力系统在经典控制、线性最优控制和非线性控制方面的研究成果，分析了电力系统控制技术的发展趋势。这里需要说明的是，由于经典控制关注工程实用性，而现代控制聚焦理论创新性，故长久以来关于二者孰优孰劣争议不断。本文通过分析总结经典与现代控制在电力系统应用典型实例，明确指出现代控制是经典控制的发展，经典控制是现代控制的基础，二者密不可分，具有天然的互补性。将二者有机结合，是发展和提高未来电力系统控制技术水平的必然选择。
经典控制理论形成于 20 世纪 20 年代到 50 年代，主要为满足第二次世界大战前后军事技术和工业发展的需要。其代表性著作是钱学森的《工程控制论》。经典控制理论主要研究线性时不变、单输入单输出的控制问题。在分析和设计大型反馈控制系统时，经典控制论主要采用频域法，其中以 Nyquist 判据、Bode 图和根轨迹法最为广泛。经典控制理论的设计目标是使闭环系统特征方程的特征根全部位于左半开平面上。上述设计目标可以描述为一类无目标函数的优化问题，即约束满足问题。由于使系统稳定的控制器解并不唯一，所以根据经典控制理论设计的 PID 控制器往往带有较大的冗余性。也正是由于经典控制理论设计目标及方向简单明确，计算方便，特别适合需要依赖工程经验或现场测试进行控制器设计的系统，所以至今仍在工业中广泛应用。更多详细内容请见附件