电力系统非线性控制

第1章 导论1

1.1 引言1

1.2 控制理论发展概述3

1.3 线性控制系统与非线性控制系统11

1.4 非线性系统近似线性化设计方法及其局限性14

1.5 非线性系统稳定与不稳定平衡点17

1.6 非线性系统的混沌现象与电力系统非线性振荡19

第2章 非线性最优控制若干基本概念24

2.1 引言24

2.2 非线性最优控制问题的数学描述25

2.3 非线性系统的坐标变换26

2.3.1 坐标变换的一般概念26

2.3.2 线性系统坐标变换27

2.3.3 非线性坐标变换与微分同胚28

2.3.4 映射29

2.3.5 局部微分同胚29

2.3.6 非线性控制系统的坐标变换30

2.4 仿射非线性系统31

2.5 向量场33

2.6 向量场的导出映射35

2.7 Lie导数与Lie括号37

2.7.1 Lie导数37

2.7.2 Lie括号39

2.8 向量场集合的对合性43

2.9 控制系统的关系度45

2.10 非线性系统的线性化标准型48

2.11 小结53

第3章 单输入单输出非线性最优控制系统设计原理56

3.1 引言56

3.2 状态反馈精确线性化设计原理57

3.2.1 关系度r等于系统阶数n的线性化设计原理57

3.2.2 非线性控制律最优性讨论62

3.2.3 一般情况下的线性化设计原理67

3.2.4 精确线性化的条件69

3.2.5 精确线性化的算法76

3.3 零动态设计原理与方法86

3.3.1 零动态第一种设计方法86

3.3.2 零动态第二种设计方法91

3.3.3 零动态第三种设计方法94

3.3.4 零动态第四种设计方法100

3.3.5 若干问题讨论106

3.4 线性系统零动态设计方法108

3.5 输出对干扰解耦的控制系统设计原理113

第4章 多输入多输出非线性最优控制系统设计原理123

4.1 引言123

4.2 关系度与线性化标准型123

4.2.1 系统的关系度123

4.2.2 线性化标准型126

4.3 零动态设计原理138

4.4 状态反馈精确线性化设计原理148

4.4.1 状态反馈精确线性化的条件148

4.4.2 状态反馈精确线性化的算法151

4.4.3 非线性控制律最优性讨论164

第5章 非线性鲁棒控制设计原理168

5.1 引言168

5.2 非线性鲁棒控制基本概念169

5.2.1 非线性鲁棒控制问题的数学描述169

5.2.2 信号及其L2范数170

5.2.3 系统及其L2增益172

5.2.4 耗散系统与Hamilton-Jacobi不等式175

5.2.5 二人零和微分对策179

5.3 Hamilton-Jacobi-Issacs不等式180

5.3.1 L2增益意义下的非线性鲁棒控制问题180

5.3.2 Hamilton-Jacobi-Issacs不等式的推导182

5.3.3 线性鲁棒控制系统的HJI不等式--Riccati不等式187

5.4 反馈线性化H∞设计法 189

5.5 SDM混合反馈线性化H∞方法195

5.5.1 SD反馈线性化H∞方法195

5.5.2 SM反馈线性化H∞方法203

5.5.3 SDM反馈线性化H∞方法与输出设计210

第6章 电力系统基本数学描述212

6.1 引言212

6.2 同步发电机转子运动方程213

6.3 同步发电机输出功率方程215

6.4 多机系统中同步发电机实用的输出功率方程222

6.4.1 单机无穷大系统中的发电机输出功率方程222

6.4.2 多机系统中同步发电机实用化的输出功率方程224

6.5 同步发电机励磁绕组电磁动态方程228

6.6 汽轮发电机组汽门开度控制系统数学描述228

6.7 水轮发电机组水门开度控制系统数学描述232

6.7.1 水力系统动态方程233

6.7.2 水轮机子系统动态方程236

6.7.3 水轮机调速系统模型237

6.8 直流输电系统数学描述240

6.8.1 直流输电线路的动态方程240

6.8.2 直流调节系统的数学模型244

6.9 超导储能系统数学描述246

第7章 大型发电机组非线性最优励磁控制249

7.1 引言249

7.2 励磁控制方式的发展250

7.3 单机系统中发电机非线性最优励磁控制系统的设计257

7.3.1 精确线性化设计方法257

7.3.2 关于非线性最优励磁控制规律的实现问题的讨论265

7.3.3 非线性最优励磁控制的效益266

7.4 多机系统中发电机非线性最优励磁控制系统的设计270

7.4.1 多机电力系统的动力学方程271

7.4.2 励磁控制系统精确线性化的设计方法272

7.4.3 实用化的非线性最优励磁控制规律282

7.4.4 多机系统发电机非线性最优励磁控制规律的讨论283

7.4.5 多机电力系统非线性最优励磁控制器的控制效果284

第8章 大型发电机组非线性鲁棒励磁控制291

8.1 引言291

8.2 多机励磁系统建模291

8.3 非线性鲁棒励磁控制器的设计293

8.4 非线性鲁棒励磁控制器参数整定方法296

8.5 非线性鲁棒励磁控制器现场试验297

8.5.1 额定负载2%机端电压阶跃试验298

8.5.2 单机稳定极限试验299

8.5.3 双机稳定极限试验299

8.5.4 切机试验301

8.6 非线性鲁棒励磁控制器在RTDS上的实验301

8.6.1 RTDS实验系统302

8.6.2 0.1Hz低频振荡抑制实验303

8.6.3 静稳极限功率传输实验303

8.6.4 大扰动实验304

8.6.5 非线性鲁棒励磁控制器鲁棒性能测试306

第9章 大型汽轮发电机组汽门开度非线性最优控制308

9.1 引言308

9.2 单机无穷大系统中汽轮发电机组汽门非线性最优控制309

9.2.1 数学模型309

9.2.2 精确线性化设计方法311

9.2.3 单机系统汽门非线性最优控制的动态模拟实验结果316

9.2.4 单机系统主调节汽门非线性最优控制的数字仿真结果319

9.3 多机电力系统中发电机组汽门非线性最优控制320

9.3.1 数学模型320

9.3.2 精确线性化设计方法322

9.3.3 多机电力系统汽门非线性最优控制措施的效果331

9.4 若干问题的讨论332

第10章 大型水轮发电机组水门开度非线性鲁棒控制335

10.1 引言335

10.2 理想水轮机建模及水门开度非线性鲁棒控制335

10.2.1 数学模型335

10.2.2 控制器设计337

10.2.3 单机系统水轮机水门非线性鲁棒控制的效果342

10.3 多机系统中水轮发电机组水门非线性鲁棒控制343

10.3.1 数学模型343

10.3.2 控制器设计344

10.3.3 多机电力系统水门非线性鲁棒控制措施的效果347

10.4 数字式水门开度非线性鲁棒控制器355

10.4.1 非线性鲁棒控制器软件结构355

10.4.2 非线性鲁棒控制器硬件设计357

10.5 动态模拟实验358

10.5.1 实验系统358

10.5.2 实验步骤359

10.5.3 动模实验结果及分析359

10.6 现场模拟试验及结果361

10.6.1 试验系统与方案361

10.6.2 试验效果362

10.7 若干问题的讨论366

第11章 交直流联合输电系统中直流系统非线性最优控制367

11.1 引言367

11.2 换流站运行特性与常规控制方式367

11.2.1 整流器电压-电流特性367

11.2.2 逆变器的电压-电流特性368

11.2.3 整流器定直流电流、逆变器定关断越前角的常规控制方式369

11.2.4 整流器定直流电流、逆变器定直流电压的常规控制方式370

11.2.5 直流输电系统的功率调制371

11.3 换流站的非线性最优控制372

11.3.1 定电流、定关断越前角非线性最优控制器的设计372

11.3.2 定电流、定电压非线性最优控制器的设计381

11.4 直流系统非线性最优控制与互联电力系统的稳定性385

11.4.1 交直流系统非线性最优控制器设计的数学模型385

11.4.2 非线性最优直流稳定控制器设计387

11.4.3 直流系统非线性稳定控制器的控制效果389

第12章 超导储能设备非线性鲁棒控制391

12.1 引言391

12.2 装有SMES的单机无穷大系统的数学模型391

12.3 非线性鲁棒控制器设计393

12.4 单机无穷大系统中SMES非线性鲁棒控制计算机仿真效果396

12.5 SMES非线性鲁棒控制器动态模拟实验398

12.6 若干问题的讨论403

第13章 静止无功补偿器系统的非线性最优控制404

13.1 引言404

13.2 无功补偿的基本概念404

13.2.1 输电系统中的无功潮流404

13.2.2 无功功率补偿的两种基本方式406

13.2.3 线路中间无功补偿对传输功率极限的影响407

13.3 静止无功功率补偿装置的结构411

13.3.1 可控硅控制电抗器（TCR型）411

13.3.2 可控硅开关电容器（TSC型）417

13.4 静止无功补偿器（SVS）的常规控制方式420

13.5 静止无功补偿器的非线性最优控制器设计422

13.5.1 SVS控制系统模型422

13.5.2 精确线性化设计方法423

13.5.3 静止无功补偿器非线性最优控制的效益426

附录429

A 8机36节点参数429

B 非线性鲁棒控制调速器的安装地点及对应参数430

C 动模实验系统参数430

参考文献431

本书系统地阐述了电力系统非线性控制的理论及应用，在全面总结该领域国内外研究成果的基础上，重点论述了作者从事自然科学交叉重点基金、 "973”计划和杰出青年基金等有关项目所取得的最新研究成果。全书共13章，主要内容包括：非线性最优控制理论若干基本概念；单输入单输出与多输入多输出非线性最优控制系统设计原理；非线性鲁棒控制系统设计原理；电力系统建模方法和非线性数学模型；非线性最优/鲁棒控制设计原理在电力系统中的应用，包括大型发电机组非线性最优励磁和非线性鲁棒励磁控制、汽门开度非线性最优控制、大型水轮发电机组水门开度非线性鲁棒控制、交直流联合输电系统中直流输电系统的非线性最优控制、超导储能设备非线性鲁棒控制、静止无功功率补偿系统的非线性最优控制等的数学模型、设计方法、控制策略及实施方案。本书注重物理概念，理论与实际并重，把现代非线性控制理论与工程实际有机地结合起来，可供从事电力系统自动化工作的科技人员和高等院校有关专业的教师、高年级学生及研究生使用，也可供从事自动控制的工程技术人员参考。