发电机励磁与高压直流输电附加控制器的非线性协调控制

陈登义

摘要：高压直流输电系统在远距离电力输电中具有很大的优势，在电力系统的安全稳定运行中发挥着重要作用。本文先分析高压直流输电的特点，研究高压直流输电对电力系统稳定性的重要意义以及相关的稳定控制方法。然后进一步研究发电机励磁控制与高压直流输电附加控制的非线性协调控制方法及其意义。

关键词：发电机励磁；高压直流输电；协调控制

1. 前言

近年来，我国的国民经济取得了迅速发展，人民的日常生活和工业发展用电需求也跟着增长^[1]。电力是现代经济发展的动力，充足的电力供应对保障社会经济的稳步发展重关重要，如果电力供应跟不上经济的发展步伐，将严重制约国民经济的增长，降低人民的生活质量。我国的用电负荷往往离自然发电资源地区较远，因此必须建设长距离大规模的输电线路和系统^[2]。传统的长距离输电线路一般采用交流输电系统，但是交流输电系统存在输电损耗大、建设成本高等缺点。近年来，随着大容量电力电子器件和控制技术的发展，直流输电技术日趋成熟，已经在输电线路上得到成功应用。目前，我国已有多条直流输电线路已经建成或正在建设中，如三峡广东直流输电线路、葛洲坝南桥直流输电线路和广州天生桥直流输电线路等，这些直流输电线路在西电东送战略和全国电力系统联网中具有重要作用。因此，采用何种控制手段和技术稳定直流输电系统以及协调交直流输电系统，以确保电网的安全稳定运行，是一个很重要的研究课题。

当电力系统的运行状态发生变化或者受到外部扰动时，系统经过一段时间后，能自动恢复到原始的平衡点（运行状态）或者重新运行到一个新的平衡点，则电力系统是稳定的^[3]。电力系统的稳定一般是指电力系统的暂态稳定性，是确保电力系统正常运行的重要条件之一。

有很多设备可以显著提高电力系统的暂态稳定性，发电机励磁控制是电力系统中重要的稳定控制手段之一。

2. 高压直流附加控制器

直流输电系统接入交流输电系统，对系统的稳定性以及相关的稳定控制手段带来了重大挑战。最初的直流输电系统只是作为交流输电系统的备份，对系统的安全稳定运行还不会造成很大的影响。但随着直流输电系统的容量越来越大，其在交直流输电系统中所占的比重越来越高，电压等级也越来越高，直流输电系统对整个电力系统的影响越来越明显，系统的稳定控制变得越来越重要。相比传统的交流输电系统，基于电力电子器件的直流输电系统具有快速动态响应特性，对直流输电换流站的有功和无功功率调节更为迅速，能有效阻尼发电机的大范围功角振荡，可以进一步提高电力系统的暂态稳定能力。发挥这一重要作用的主要手段是直流附加控制，下面介绍几种比较重要的直流附加控制方法。

2.1 滑模控制

滑模控制是针对系统的不同状态，选择合适的切换流形，系统沿着选择的流形滑动到系统平衡点，因此称之为滑动模态。在滑动模态下，系统不受参数变动或者外部扰动的干扰，具有良好的鲁棒性和自适应性。有学者在直流附加控制中采用滑模控制方法，控制效果表现较好。鉴于电力系统是一个非线性系统，有学者先利用直接反馈线性化方法将非线性电力系统转化为线性系统，然后再利用滑模控制方法设计滑模控制器。

2.2 非线性自适应控制方法

非线性自适应控制方法可以从两方面着手，一是自动调节控制系统的控制参数，从而使被控系统的控制性能始终处于最优状态；二是自动调节被控系统的参考模型，使参考模型接近于理想模型，从而实现对被控系统的精确控制，以达到最优的控制效果。有研究将自适应控制方法应用于直流输电系统的附加控制器中，成功设计了自适应附加控制律，在抑制系统区间低频振荡以及提高系统稳定性方面取得了较好成果。

2.3 非线性鲁棒控制

非线性鲁棒控制方法在设计控制律时，考虑系统数学建模的不确定性，以及系统参数在运行过程中的随机变化，控制器的抗干扰性和鲁棒性获得了很大的提高，保证了系统的稳定运行。在设计直流输电附加控制器的过程中，为保障交直流互联系统的稳定性，应该考虑直流输电系统的未建模动态、参数不确定性以及外部干扰的影响。因此，利用非线性鲁棒控制方法设计直流输电附加控制器能有效提高系统的控制性能。

2.4 智能控制方法

直流输电系统是一种高度复杂的非线性系统，并且有些系统参数在运行过程中会受到外部环境影响而发生变化，因此要建立其精确的数学模型较为困难，只能用近似的数学模型来代替，导致控制性能的降低。近年来，人工神经网络、专家控制、遗传算法和模糊控制等智能控制得到了长足发展。智能控制不需要被控对象精确的数学模型，对不确定参数非线性系统具有很强的鲁棒性和参数自适应能力，且对内外部干扰的抑制能力很强，其控制效果很接近实际的物理模型。有文献利用人工神经网络和模糊控制方法，成功设计了直流输电非线性附加控制器，结果表明系统的区间低频振荡得到了很好的阻尼抑制，系统稳定性也显著提高。也有文献将模糊控制和能量函数法相结合，设计直流输电附加控制器，仿真结果证明了系统的控制性能优于传统的线性控制方法。

3. 附加控制器与励磁调节器的协调控制

直流附加控制器和励磁调节器都能分别提高电力系统的稳定性，但是如果两者都接在同一系统运行时，他们之间存在着一定的电气交互连接，有可能会对彼此造成一定的干扰，严重时甚至会削弱双方的控制性能，降低了总体的控制效果。因此，协调控制附加控制器和励磁调节器，以充分发挥它们各自的优势和性能，显得非常必要。许多非线性控制方法尤其是智能控制方法，广泛应用于直流附加控制器和励磁调节器的协调控制设计中。有的结合模糊控制方法和能量下降法，在多机电力系统中，设计直流输电系统整流侧触发控制和发电机励磁的协调阻尼控制器，测试系统表明了控制器具有良好的控制性能。有的采用近年来提出的多指标非线性控制设计方法，设计发电机励磁和直流输电附加控制的多指标非线性协调控制器，实现了对多个控制目标的协调控制，仿真实验验证了该设计方法的有效性和控制器的优越性。

还有的学者在广域测量系统和系统惯量中心的基础上，利用非线性鲁棒控制方法，设计直流附加控制器和发电机励磁控制器的协调控制律，实验结果表明该控制律能很好地协调附加控制器和励磁控制器，比传统的独立分开运行的附加控制器和励磁控制器具有更好的性能。对于多馈入交直流互联系统，有学者利用最优变目标控制方法，设计交直流协调层的发电机励磁和直流附加控制的协调控制器，仿真结果证明了所设计的协调控制器使协调层具有更好的自适应能力和抗干扰能力。而又的学者则先利用模糊控制方法分别设计直流附加控制器和发电机励磁控制器，再采用序优化遗传算法协调优化两个控制器的控制参数，对比仿真结果证明了控制器的参数优化控制使系统的控制性能得到了很好的提升。

4. 结束语

高压直流输电附加控制器作为一种新型的电力系统稳定控制，在电力系统中的发挥着越来越大的作用，而发电机励磁控制作为传统的稳定控制方法，一直以来都受到广大学者的好评。将两者进一步协调配合，发挥它们的稳定控制作用，对电力系统的安全稳定运行至关重要。实践表明，采用非线性协调控制方法，能更好地提高电力系统的稳定性，对保障电力系统的高可靠安全运行具有重要意义。

参考文献

[1] 王磊, 胡永银, 张珂. 交直流互联系统附加控制器设计综述[J]. 四川电力技术, 2018,41(04): 37-43.

[2] 邹延生. 提高电力系统稳定性的HVDC和SVC非线性控制研究[D]. 华南理工大学, 2017.

[3] 刘青, 张立娜. 多机系统发电机时滞反馈励磁与STATCOM的非线性鲁棒协调控制[J]. 电力自动化设备, 2017,37(04): 102-108.

作者简介：陈登义（1979-），男，广西南宁人，广西工业职业技术学院讲师，研究方向：电力系统分析和计算机仿真研究。

基金项目：广西工业职业技术学院科学研究项目资助（项目编号：桂工业院科研2018036KY006，项目名称：电力系统自适应反步非线性鲁棒控制）；广西高校中青年教师科研基础能力提升项目资助（项目编号：桂教科研2019KY1457，项目名称：电力系统自适应反步非线性鲁棒控制）