基于高阶模型的电力系统非线性鲁棒优化控制技术

Power systems is a kind of complex nonlinear dynamical system. Considering parametric uncertainties and external disturbances, the robust control design for power system stability is mainly based on the simplified reduced-order model. However, with the development of the complex system structure, the influence of the unmodeled dynamics on system transient performances is getting more and more remarkable, which may cause oscillations. But if we employ a high-order model, some states of the system are often not measurable, thus, in order to make the controller practical, we can only use measurable states as feedback quantities, which is called partial state feedback. Moreover, fixed control parameters often can not satisfy different demands for transient performances of power systems under different operational states..This project mainly focuses on the design of robust and optimal control for a high-order power system model using partial state feedback. Firstly, the design of partial state feedback control would be studied in depth. Then, the design of robust control and disturbance attenuation control would be studied. Next, to meet the real-time requirements regarding transient performances of power systems under various operational conditions, the optimization problem for the control parameters would be studied. The project will be mostly of great theoretical and practical significance to provide a new way to solve the control and optimization problem of power system transient stability.

电力系统是一类复杂的非线性动态系统。对于考虑系统内部参数不确定及外部干扰的情况，电力系统稳定性鲁棒控制设计主要是基于简化的降阶模型展开的。而随着电网结构的日益复杂，未建模动态对闭环系统暂态性能的影响越来越大，严重时还可能会导致振荡现象的发生。但采用高阶模型后的系统全状态可测条件常常是无法保证的，考虑到控制器的实用性，只能采用可以测量的物理量作为反馈，即部分状态反馈。另外，单一固定的控制器参数往往无法满足复杂多变工况下电力系统不同的暂态性能调节需要。.本项目主要针对电力系统高阶模型进行部分状态反馈下的鲁棒优化控制器设计。首先深入研究系统的部分状态反馈控制器设计；然后进一步研究鲁棒控制器以及干扰抑制控制器的设计；接着研究复杂工况下的电力系统暂态性能优化问题，提高已设计控制器的实时性。本项目研究成果为解决电力系统暂态稳定控制与优化问题提供新的途径与方法，具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

电力系统是一类复杂的非线性互联系统，具有模型阶数高、模型不确定性、复杂潮流约束（代数约束）、参变量多、控制器输入受限（饱和）、时滞等特点。这就使得电力系统控制设计不同于一般的非线性控制，具有挑战性。本项目的主要研究内容包括：（1）以高阶同步电机动态方程描述发电节点模型、以任意不确定非线性光滑函数描述负荷节点模型，并考虑部分状态难以获取等情况下，设计励磁输出反馈控制系统以实现互联电网全节点变量的（渐近）稳定性；（2）考虑模型多参数不确定性，设计具有自适应机制、鲁棒性的控制系统；（3）解决非线性控制律饱和（受限）问题；（4）对于结构确定的反馈控制律，优化其参数，扩大电力系统吸引域。我们得到以下重要结果：（1）提出适用于高阶电机模型的扩展李雅普诺夫型能量函数，并分析多个不确定参数与控制器设计的关系，在此基础上，设计自适应控制器；（2）引入逻辑判断机制，设计切换型控制律，保证闭环系统在控制器饱和情况下仍是渐近稳定的；（3）建立电力系统多项式模型，利用平方和优化方法，将控制器参数调节转化为平方和优化问题进行求解。主要科学意义：在电力系统稳定性研究中，基于模型的吸引域分析（估计）、励磁控制系统设计、柔性交流输电系统设计等方法得到了广泛的运用。模型阶数越高，其与实际系统的偏差越小，越能准确刻画系统动态变化规律，但是，基于高阶模型的电力系统稳定性研究，在理论上较难得到完备的结论，而且，高阶模型仅部分状态可测，一些必须要求全状态可测的控制方法如反步法将无法直接运用。本项目解决了高阶模型对电力系统非线性控制设计带来的挑战问题，为大电网建设中面临的几类重要的稳定性问题提供了解决方案，也为提高非线性控制系统鲁棒性研究提供了一定的理论基础。