1 绪论
1.1 电力系统稳定性概述
电能作为当今社会上最主要、最清洁的能源之一，在世界上扮演着至关重要的角色。伴随着科技水平，生活水平，工业化水平越来越高，电能的供求量越来越大，对电能质量的要求也越来越高。又因为电网的规模日益增大，电力系统的结构又复杂，使得系统的稳定性越来越脆弱。如果电力系统稳定遭到了破坏，可能会引起局部停电，甚至大面积的停电事故，从而给工农业生产和人民生活带来巨大的影响。所以，保证电网的稳定性是保证电网安全可靠运行的前提，也是保证人民生活、工业生产、科技进步的重要保障。 电网稳定性的定义就是电网在稳定运行的过程中突然遭到外界干扰后，能否经过一定的时间回到原来的运行状态或者在一个新的允许运行状态下运行 [1-2]。一般，按照电网受到的干扰分类，可以分为静态稳定性、暂态稳定性和动态稳定性，按照电力系统稳定的性质不同，可分为电压稳定、功角稳定以及频率稳定。首先电压稳定是指在某个特定的运行状态下，电力系统在突然遭受外界干扰后，系统中的所有母线都可以把电压维持在一定限制范围内的状态，这种状态依赖于负荷需求以及电力系统对需求方供电的过程中整个系统的平衡能力。功角稳定，即指在电网受到各种物理扰动之后，电网中的发电机仍能保持与电网同步的能力。频率稳定就是电网受到干扰后电网能否保证频率在规定的范围内的能力。在中国，电网划分为 6 个区域电网，包括东北电网、华北电网、华中电网、西北电网、华东电网以及南方电网。区域电网的联接使得我国进入大电网、大电厂、大机组、超高压输电、交直流混合输电、高度自动控制以及风光发电等新能源发电入网的新时代。电网建设落后电厂建设，发电分配不合理，电网科学技术落后等造成了电力系统稳定性比较脆弱。如果电力系统对外界干扰没有抵抗力，那么发电机就无法并网，负荷无法接入电力系统，无法交直流转换等等，系统一旦遇到干扰就会失去同步以至崩溃。随着控制领域引入电力系统，很多控制方法和控制策略可以实现对电力系统稳定的控制和预测，从而可以很大的提高电力系统的稳定性。
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1.2 控制对象和控制方法
我们对几个重要的控制对象进行分析： （1）励磁控制：励磁控制能将发电机及控制点的电压规定在一定的安全范围内，还能改善电网运行稳定性。励磁控制系统一直是提高电网稳定性的最有效的措施，所以很多学者都很关注。采用可控硅自并励励磁方式，具有简单、可靠、造价低、调节快等特点，受到各行业的青睐。文献[5-7]利用励磁控制系统对电网运行稳定进行调控。 （2）汽门/水门控制：近几十年来，随着原动机调速系统发生了相当大的改变，机械液压式调速系统被电液式的调速系统所取代，它的传动方式也发生了很大的变化。然而在这种情况下，利用汽门/水门控制的原动机转矩，也很大的提高了电力系统稳定，它的效果与励磁控制的不相上下[8]。 （3）FACTS 控制：柔性交流输电系统(FACTS)是利用大功率电力电子元件为基础的控制器。对于这种 FACTS 控制器，它能改善电网的功率传输能力，也能让潮流变得更加可控。它可以利用改变交流功率传输中电压、相角、阻抗这三个主要的参数按系统的需求来迅速做出调整。近几年来，大功率电力电子元件发展很快，FACTS 设备已经在很多领域中得到了应用。FACTS 控制电网运行的研究是很受关注的课题之一。在文献[9-11]中阐述 FACTS 控制应用到电网的方法与好处。 （4）负荷频率控制：众所周知，电网中的负载是波动的，所以传输的功率也是波动的，为保证电的质量，因此必须调节系统频率来实现对负载进行控制。电网在正常运行时负载波动是很小的，就采用一般线性模型即可代替系统在运行点附近的波动。文献[12]利用鲁棒控制来处理小参数的不确定，而自适应控制主要针对大参数的不确定性，这种控制器进一步的接近实际，提高了电力系统稳定。
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2 带干扰励磁控制的切换双机电力系统鲁棒控制器设计
2.1 引言
电力系统是由发电机组、变电所、电力负荷、输电线路等组合的系统。而切换系统也是动态系统中极其重要的一种类型，在电力系统中，引入它即能实现电网坚强又改善了电网的响应。在整个电网运行过程中，励磁控制系统一直以来都是一个重要的提高电网稳定性的方法。众所周知，改善和提高电网运行的稳定对于国家的经济、技术、工农商业、生活水平等都有非常重要的意义。并且，励磁控制是提高电网运行稳定的一种非常重要和经济的手段，所以，研究电网的稳定性问题，大型发电机的励磁控制是重中之重的研究对象。许多研究都表示发电机的励磁控制不但能提高电网的运行稳定极限，降低频率振荡，还能优化电网的暂态稳定[38-39]。文献[40-41]针对多机电力系统，应用非线性鲁棒控制原理设计控制器，从而实现多机电力系统的分散协调控制。文献[13-15]利用发电机组的励磁和汽门系统相结合,加大系统的阻尼系数,减少系统的振荡次数,设计出最优控制器。文献[29]针对参数确定和参数不确定的切换双机电力系统进行稳定性分析，通过共同Lyapunov函数方法验证了其稳定性。文献[36-37]通过利用耗散Hamilton函数得到系统的多Lyapunov函数，设计出切换三机电力系统的励磁控制器，并证明了该系统在任意切换条件下都渐进稳定。文献[42]基于切换控制律，建立一个切换双机系统，将系统转化为切换Hamilton系统，对系统进行分析，从而使系统达到稳定。文献[43-44]利用模糊控制方法对切换动态系统进行了鲁棒性分析，得出在任意切换下的系统都是稳定的。
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2.2 励磁控制的电力系统数学模型
上一章已将电力系统与切换系统的理论与应用的知识阐述了，本章主要讲带干扰励磁控制的切换双机电力系统鲁棒控制器的设计。首先，电力系统是一个庞大的动态系统，它无时无刻都在变化，我们要将非线性控制理论的研究成果放入电力系统中，没有数学模型是不行的，所以，我们必须建立其数学模型，首先我们就必须得了解这个切换双机电力系统的组成，以及每个元器件的作用，再做出对应的数学模型。发电机、变压器、输电线路、负荷主要由这几个部分组成电力系统，还有很多小器件，但这里我们都没有考虑。我们对每一个研究对象进行充分的认识，分析他们的特点，然后用数学语言来描述，为以后考虑各方面的因素和条件提供资料，对模型进行处理时能分清楚主次，忽略某些次要因素，以得到我们想要的数学模型，只有对研究分析的对象十分熟悉，设计出来的模型就越符合实际。就像电力系统这个复杂的系统，它的模型中有很多不确定的参数和很难建模的结构，它不仅有许多环节和单位，而且每个部分都很复杂，尤其是发电机这块，它是有机械部分和电磁部分等特性，很难百分之百的符合实际。为了更好的符合实际，电力系统的数学模型注定是高维数的非线性状态方程组。在这里我们分别对单机无穷大电力系统、多机电力系统以及切换双机电力系统的数学模型进行了阐述。
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3 切换双机电力系统分散汽门控制 ...... 27
3.1 引言 .... 27
3.2 汽门控制的切换双机电力系统模型 ........ 27
3.2.1 汽门控制的单机无穷大电力系统数学模型 .......... 28
3.2.2 汽门控制的多机电力系统的数学模型 .......... 29
3.2.3 汽门控制的切换双机电力系统的数学模型 .......... 29
3.3 控制器设计 ........ 31
3.4 切换律的设计 .... 32
3.5 仿真研究 .... 33
3.6 本章小结 .... 37
4 汽门控制的不确定切换双机电力系统自适应控制 .......... 38
4.1 引言 .... 38
4.2 汽门控制的不确定切换双机电力系统的数学模型 ........ 38
4.3 控制器设计 ........ 39
4.4 切换律设计 ........ 41
4.5 仿真研究 .... 41
4.6 本章小结 .... 45
5 总结 ...... 46
4 汽门控制的不确定切换双机电力系统自适应控制
4.1 引言
随着人们生活水平的日益提高，机械化程度越来越精密，工业生产和生活质量对电力系统的要求越来越高。电力系统本身就是复杂的、多维的、非线性的动态大系统，为保证电网运行稳定性、改善电能质量和安全性，我们引入了很多非线性领域的东西。电力系统中包含着很多的未知数、不确定的模型、外界的干扰以及测量计算的误差，而鲁棒控制可以使系统预期的效果不会随不确定的东西而改变，但是鲁棒控制也有自身的缺点，它没有学习能力，控制器设计过于保守。自适应能消除参数不确定的影响，而且控制器能在系统运行的过程中进行学习，不断的接近实际值，从而使系统达到稳定。在参考文献[18]利用自适应解决了多机电力系统中参数不确定的问题。文献[34]对切换双机电力系统的参数不确定问题利用自适应设计出合适的控制器。文献[49]利用直接模糊控制多机汽门开度对电力系统稳定性的影响。 本章主要针对汽门控制的参数不确定切换双机电力系统，利用共同 Lyapunov 函数和自适应控制方法，选择合适的自适应律，得到参数不确定的双机电力系统在任意切换时刻都能达到渐进稳定的结果。与第三章相比，考虑了系统在参数不确定时的鲁棒控制问题，更贴近工程实际，设计出的控制器具有非常好的实际效果。
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总结
最近几十年来，电网的建设越来越快，改善电力系统稳定一直以来都是人们高度关注的问题。随着电网结构越来越坚强，很多问题都慢慢的得到了改善，目前来说，电网的暂态稳定性依然不高，这是电力系统急需提高的关键。因为暂态稳定主要是非线性控制中的问题，所以电力系统中存在不确定项和干扰时，需要非线性鲁棒控制理论来解决电力系统的暂态稳定问题，这个方面的研究一直受到电力系统领域的关注。 本文的主要研究任务是：考虑到切换双机电力系统具有很强的非线性、强耦合、不确定性以及干扰多的特点，结合先进的非线性鲁棒控制策略以提高电力系统运行稳定性和系统品质性能。 本文的主要工作和研究成果有：
（1）在带干扰参数不确定的励磁控制的切换电力系统模型的基础上，采用切换系统中的共同Lyapunov函数方法控制，得到了切换双机电力系统在任意切换下的渐近稳定。与参考文献[35]中的相比，使得模型更贴切实际，证明过程更加简单，最终通过仿真证明了系统在任意切换下稳定的实际意义；
（2）对于汽门控制的切换双机电力系统模型，运用共同Lyapunov函数方法，得到了该系统在任意切换下的稳定的结果，本文将切换控制理论引进到电力系统，简化了稳定性的计算和控制器的设计，最后给出仿真结果。
（3）针对汽门控制的参数不确定切换双机电力系统，建立了对应的数学模型，运用共同Lyapunov函数和自适应控制方法，分别设计了切换系统的控制器和参数自适应律，得到了该系统在任意切换条件下的渐进稳定，并仿真验证了设计的可行性。
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参考文献(略)