牟奕丞 肖健梅 王錫淮

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多機(jī)電力系統(tǒng)的神經(jīng)滑模勵磁控制

牟奕丞 肖健梅 王錫淮

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

電力是現(xiàn)代人類社會必不可少的部分，為了滿足人類生活需要和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。本文結(jié)合自適應(yīng)Backstepping方法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計神經(jīng)滑模勵磁控制器，在Matlab/Simulink上進(jìn)行仿真。為了驗證控制器效果，加入三相短路故障，仿真結(jié)果表明了設(shè)計的神經(jīng)滑模勵磁控制器可以有效地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，具有良好的魯棒性。

滑模變結(jié)構(gòu)控制 電力系統(tǒng) 自適應(yīng)Backstepping 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

電力是現(xiàn)代社會和人民生活不可缺少的部分，為了保障居民穩(wěn)定的生活，減少電力系統(tǒng)停電所帶來的損失，電力系統(tǒng)運行首要的要求就是安全穩(wěn)定。最早為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，建立電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時，先將其進(jìn)行近似線性化，再采用經(jīng)典控制理論或者線性系統(tǒng)控制的相關(guān)理論來設(shè)計控制律。比如，早期的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）以及線性最優(yōu)控制方法都能在小擾動干擾下很好的穩(wěn)定低頻振蕩，得到較好的穩(wěn)定性，但是在較大的擾動下，難以到達(dá)理想的穩(wěn)定狀態(tài)，這是因為早期研究電力系統(tǒng)控制時采用近似線性化方法來建立系統(tǒng)模型，但是其忽略了電力系統(tǒng)的非線性和未知參數(shù)。所以，為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須將電力系統(tǒng)歸為非線性模型，并開始研究各種非線性控制策略，從而設(shè)計了各種非線性控制器。因此，反饋線性化[1]、魯棒控制、自適應(yīng)控制[2]、Lyapunov直接控制法[3]、變結(jié)構(gòu)控制[4]、智能控制等控制方法越來越多地被運用到電力系統(tǒng)的研究中去。

本文針對多機(jī)電力系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)的參數(shù)不確定性，通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換將原數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為方便勵磁控制器設(shè)計的嚴(yán)格參數(shù)反饋形式?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制存在抖振，因此為了消除抖振，學(xué)者將其與其它智能控制結(jié)合起來?；？刂破魇瓜到y(tǒng)具有快速跟蹤性，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又具備強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力和較好的穩(wěn)定性。因此神經(jīng)滑?？刂瓶梢栽诰哂休^好的系統(tǒng)魯棒性的同時快速跟蹤。最后，本文采用多機(jī)電力系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真并驗證設(shè)計的控制器的魯棒性與穩(wěn)定性。

1 多機(jī)電力系統(tǒng)模型

在一些標(biāo)準(zhǔn)的假設(shè)下，通過一個傳輸網(wǎng)絡(luò)的相互連接的發(fā)電機(jī)的動態(tài)可以用磁通衰減動力學(xué)模型描述的經(jīng)典模型[5]。網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部總線已經(jīng)減少，假設(shè)負(fù)載阻抗恒定并考慮轉(zhuǎn)移電導(dǎo)存在。網(wǎng)第機(jī)的動力學(xué)模型是由經(jīng)典的三階模型表示。

其中

多機(jī)電力系統(tǒng)的第i個電機(jī)的狀態(tài)表示可以寫成以下形式：

其中：

2 神經(jīng)滑?？刂破髟O(shè)計

根據(jù)自適應(yīng)Backstepping方法[6]設(shè)計控制器如下：

采用指數(shù)趨近率：

（4）

將滑?？刂破髟O(shè)計為RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出，即

其中為隱含層神經(jīng)元個數(shù)。

3 仿真分析

為了驗證本文設(shè)計的滑模變結(jié)構(gòu)勵磁控制器的控制效果，對圖1所示的3機(jī)9節(jié)點系統(tǒng)在Matlab/Simulink上進(jìn)行動態(tài)仿真，只保留了發(fā)電機(jī)的內(nèi)部節(jié)點，消除所有外部節(jié)點。

根據(jù)參數(shù)用s函數(shù)編寫三個電機(jī)模型和三個電機(jī)控制器，三個電機(jī)的功角作為反饋量，假設(shè)系統(tǒng)初始狀態(tài)為，3個發(fā)電機(jī)參數(shù)的數(shù)值在表1中給出。

圖1 三機(jī)9節(jié)點電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為了驗證控制器在大干擾下的控制作用，在系統(tǒng)穩(wěn)定后的9s時，節(jié)點8和節(jié)點9之間的線路上，在靠近節(jié)點9處發(fā)生三相短路故障，0.1s后故障移除。

網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)節(jié)點矩陣和電納節(jié)點矩陣如下表示：

三相故障時，電導(dǎo)節(jié)點矩陣和電納節(jié)點矩陣如下所示：

故障切除后，電導(dǎo)節(jié)點矩陣和電納節(jié)點矩陣如下所示：

得到仿真結(jié)果如圖1、2所示。

圖中可見，5 s后3臺發(fā)電機(jī)均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，9 s時，3臺發(fā)電機(jī)功角和角速度偏差偏離穩(wěn)定狀態(tài)，但在1 s后均重新恢復(fù)穩(wěn)定。

仿真結(jié)果表明，在神經(jīng)滑模勵磁控制器作用下，發(fā)電機(jī)啟動后均能快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。9 s時，三相故障發(fā)生在同步發(fā)電機(jī)機(jī)端時，該發(fā)電機(jī)不提供任何功率，而且由于欠阻尼作用，多機(jī)電力系統(tǒng)在故障切除后可能變得不穩(wěn)定，仿真結(jié)果表明在三相短路故障后，功角和角速度偏差在神經(jīng)滑模勵磁控制器作用下迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。說明神經(jīng)滑?？刂破骶哂辛己玫聂敯粜裕岣吡讼到y(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。

圖2 功角仿真結(jié)果圖

圖3 角速度偏差仿真結(jié)果圖

4 總結(jié)

本文分析復(fù)雜的電力系統(tǒng)的非線性模型并建立了便于設(shè)計控制器的3階數(shù)學(xué)模型，基于Backstepping自適應(yīng)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模勵磁控制器，在Matlab/Simulink上進(jìn)行動態(tài)仿真，通過s函數(shù)編寫發(fā)電機(jī)模型和控制器。仿真結(jié)果表明，三機(jī)電力系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量和過渡時間，具有良好的魯棒性，說明本文設(shè)計的神經(jīng)滑模勵磁控制器提高了電力系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)，實現(xiàn)了穩(wěn)定安全運行的要求。

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Neural Sliding Mode Excitation Control for Multimachine Power System

Mou Yicheng, Xiao Jianmei, Wang Xihuai

（Shanghai Maritime University，Shanghai 201306, China）

TM744

A

1003-4862（2017）09-0025-04

2017-07-15

牟奕丞（1994-），男，碩士研究生。研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)控制與優(yōu)化。