基于backstepping方法的电力系统励磁与汽门协调稳定控制

摘要

电力系统是一个由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的多维、强耦合的非线性系统。随着电力工业的迅速发展，电力系统结构日益复杂,其容量也逐步增大，这对电力系统运行的稳定性和可靠性提出了更为严格的要求。因此,设计先进的控制系统,保证电力系统的稳定性和可靠性显得至关重要。近年来，一些控制理论的发展为电力系统领域提供了先进的控制技术，特别是为增强电力系统的稳定性和鲁棒性以及改进电力系统的暂态性能提供了理论和技术支撑。在这种背景下，本文针对电力系统中可能出现的多种影响电力系统稳定性的情况，提出了相应的控制策略。通过励磁控制系统与汽门开度控制系统的协调控制，以保证电力系统的稳定性。本文所做的主要工作归纳如下： 首先，根据电力系统的组成部分，建立一个含有励磁控制系统和汽门开度控制系统的电力系统四阶非线性数学模型，结合固定时间理论和Lyapunov稳定性理论，运用backstepping方法，设计了固定时间backstepping协调控制器。该控制器在设计过程中引入了固定时间理论，使得被控系统的最大收敛时间不受系统故障后初始状态的影响，加快了系统的收敛速度，保证系统在发生故障后的稳定性。 然后，考虑到电力系统在运行过程中会存在一些有界时变外部干扰，所以在已建立的四阶电力系统模型的基础上建立了计及励磁绕组电磁干扰和高压缸机电干扰的电力系统模型。本文结合固定时间理论和Lyapunov稳定性理论，运用backstepping方法，设计了固定时间鲁棒backstepping协调控制器，从而保证具有有界时变外部干扰的电力系统的稳定性。此外，考虑到电力系统在运行过程中除了存在外部干扰，往往还存在不确定参数，因而设计了鲁棒自适应backstepping协调控制器，使系统对不确定参数具有自适应能力，并通过数值仿真对所提控制策略的有效性进行了验证。 最后，为解决电力系统中存在的未知边界外部干扰和不确定参数的问题，本文将H∞控制理论、自适应控制理论和backstepping方法相结合。针对建立的含有未知外部干扰和不确定参数的电力系统模型，本文设计了鲁棒H∞自适应backstepping协调控制器，并通过数值仿真验证了鲁棒H∞自适应backstepping协调控制器作用下被控电力系统对未知边界外部干扰的鲁棒性和不确定参数的自适应能力，从而提高了系统的稳定性。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课 题 研 究 背 景 和 意 义 （ Research Background and Significance）

1.2 电力系统稳定性的概念和分类（Concept and Classification of Power System Stability）

1.3 电力系统稳定控制的控制对象（ Control Objects of Power System Stability Control）

1.3.1 励磁控制

1.3.2 水/汽门开度控制

1.3.3 FACTS元件控制

1.3.4 高压直流输电系统控制

1.3.5 各元件间协调控制

1.4 电力系统稳定控制的控制方法（ Control Methods of Power System Stability Control）

1.4.1 Lyapunov直接法设计

1.4.2 映射线性化方法

1.4.3 非线性H∞控制

1.4.4 变结构控制

1.4.5 自适应控制

1.4.6 Backstepping方法

1.4.7 固定时间控制

1.4.8 智能控制

1.5 本文主要研究内容（Main Contents of this Paper）

2 电力系统固定时间backstepping协调控制器设计

2.1 引言（Introduction）

2.2 电力系统基本数学描述（ Basic Mathematical Description of Power System）

2.3 问题描述及预备知识（Problem Description and Preliminaries）

2.3.1 问题描述

2.3.2 预备知识

2.4 固定时间backstepping协调控制器设计（Design of Fixed-time Backstepping Coordinated Controllers）

2.5 数值仿真与分析（Numerical Simulations and Analysis）

2.6 本章小结(Summary)

3 电力系统鲁棒自适应backstepping协调控制器设计

3.1 引言（Introduction）

3.2 固定时间鲁棒 backstepping 协调控制器设计（ Design of Fixed-time Robust Backstepping Coordinated Controllers）

3.2.1 系统模型

3.2.2 固定时间鲁棒backstepping协调控制器设计

3.2.3 数值仿真与分析

3.3 鲁棒自适应backstepping协调控制器设计（Design of Robust Adaptive Backstepping Coordinated Controllers）

3.3.1 系统模型

3.3.2 鲁棒自适应backstepping协调控制器设计

3.3.3 数值仿真与分析

3.4 本章小结（Summary）

4 电力系统鲁棒H∞自适应backstepping协调控制器设计

4.1 引言（Introduction）

4.2.1 预备知识

4.2.2 系统模型

4.3 鲁棒H∞自适应backstepping协调控制器设计（ Design of Robust H-infinity Adaptive Backstepping Coordinated Controllers）

4.4 数值仿真与分析（Numerical Simulations and Analysis）

4.5 本章小结（Summary）

5 总结与展望

5.1 总结（Conclusions）

5.2 展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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