電力系統(tǒng)混沌振蕩的自適應(yīng)最優(yōu)控制

電力系統(tǒng)在周期性負(fù)荷擾動(dòng)的作用下會(huì)發(fā)生混沌振蕩，甚至由此而失去穩(wěn)定。為抑制這種情況下的混沌振蕩，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，利用自適應(yīng)最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)了在周期性負(fù)荷擾動(dòng)幅值不確定以及系統(tǒng)參數(shù)不確定情況下的混沌振蕩控制器；并利用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了受擾的、未精確建模的電力系統(tǒng)在該控制器作用下可以保持漸近穩(wěn)定。因此，當(dāng)電力系統(tǒng)所受到的周期性負(fù)荷擾動(dòng)的幅值不確定且引起電力系統(tǒng)混沌振蕩甚至失去穩(wěn)定時(shí)，自適應(yīng)最優(yōu)控制器可以使電力系統(tǒng)獲得漸近穩(wěn)定，即能回到初始平衡點(diǎn)上。數(shù)值仿真也表明了該控制器的控制效果。
　　關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；混沌控制；漸近穩(wěn)定；自適應(yīng)

Adaptive and Optimal Chaotic oscillation control of electric power system 


WANG Bao-hua1，2 ZHANG Qiang2 YANG Cheng-wu1　YANG Wei1

（1． School of Power Engineering，Nanjing University of Science 
and Technology，Nanjing 210094，China；
2．Department of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of
 Technology，Nanjing 210013，China）

　　Abstract：The electric power system is likely to emerge chaotic oscillation or instability under stronger periodic load perturbation．Adaptive and optimal controller has been designed to restrain chaotic oscillation when the magnitude of the periodic load perturbation and the model of the electric system is uncertain．Lyapunov stability theory is used to prove this control method enable the electric system asymptotical stability. The performance of the controller has been evaluated by numerical simulation．It is concluded that such a controller can drive chaotic or unstable trajectory of power system under stronger periodic load perturbation to the initial position，i.e.，the controller can restrain chaotic oscillation and make power system obtain asymptotical stability．
　　Key words：electric power system；chaos control；asymptotical stability；adaptive

1 引言
　　電力系統(tǒng)作為一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，在周期性負(fù)荷擾動(dòng)作用下，當(dāng)周期性負(fù)荷的幅值滿足一定條件時(shí)，就會(huì)發(fā)生混沌振蕩^[1-3]，甚至?xí)闺娏ο到y(tǒng)失去穩(wěn)定性。因此，為保證電力系統(tǒng)在周期性負(fù)荷擾動(dòng)的作用下仍然能穩(wěn)定運(yùn)行，就必須消除混沌振蕩現(xiàn)象。由于非線性反饋控制方法能夠補(bǔ)償系統(tǒng)模型的非線性，因而能夠抑制混沌，這已經(jīng)在許多控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用^[4-5]，同時(shí)非線性反饋控制還可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制^[6]，因此可以利用非線性反饋控制來消除混沌，穩(wěn)定系統(tǒng)。然而該方法要求系統(tǒng)必須精確建模，否則控制器無法對(duì)系統(tǒng)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，另外即使控制器對(duì)系統(tǒng)的非線性進(jìn)行了補(bǔ)償，在控制器作用下系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生混沌振蕩，但是由于周期性負(fù)荷擾動(dòng)仍然存在，系統(tǒng)就不可能回到初始平衡點(diǎn)，而是在某一個(gè)穩(wěn)定的周期軌道上運(yùn)行^[9]。變量反饋控制法^[7]通過調(diào)節(jié)反饋系數(shù)來減小系統(tǒng)非線性項(xiàng)的影響，抑制混沌，使系統(tǒng)進(jìn)入混沌吸引子中固有的不穩(wěn)定周期軌道上，而且該方法要求首先確定混沌吸引子中的不穩(wěn)定周期軌道。而對(duì)電力系統(tǒng)而言，我們希望其受擾后能夠在控制器的作用下回到初始平衡點(diǎn)或者新的平衡點(diǎn)上，因此要尋求新的控制方法，使得系統(tǒng)不論受到多大幅值的周期擾動(dòng)，無論系統(tǒng)的模型是否精確，在控制器的作用下均能回到初始或新的平衡點(diǎn)上，這就需要控制器能夠估計(jì)周期性擾動(dòng)的幅值。本文利用非線性最優(yōu)控制方法與自適應(yīng)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)最優(yōu)控制器，并利用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了受控的閉環(huán)系統(tǒng)能夠保持漸近穩(wěn)定，同時(shí)利用數(shù)值仿真，校驗(yàn)了該控制器的控制效果以及對(duì)周期性負(fù)荷擾動(dòng)幅值的逼近情況，理論和仿真都說明了控制器的有效性。

2 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)在周期性負(fù)荷擾動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)行為
　　簡(jiǎn)單互聯(lián)電力系統(tǒng)接線圖^[6]如圖1所示，其中：1為系統(tǒng)1的等值發(fā)電機(jī)；2為系統(tǒng)2的等值發(fā)電機(jī)；3為系統(tǒng)1的等值主變壓器；4為系統(tǒng)2的等值主變壓器；5為負(fù)荷；6 為斷路器；7為系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線。

　　具有周期性負(fù)荷擾動(dòng)的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下^[6]：
 
　　　　　　 　（1）
式中：δ(t) 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行角：w(t)為發(fā)電機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速；p_m和p_s分別為發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率；H為等值轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；D為等值阻尼系數(shù)；P_e為擾動(dòng)功率幅值；β為擾動(dòng)功率頻率。
 
    當(dāng)假設(shè) a、γ、ρ不變即發(fā)電機(jī)的電磁功率、系統(tǒng)的阻尼和機(jī)械功率不變，而F變化時(shí)，上述系統(tǒng)變成了一個(gè)含參數(shù)F的非線性系統(tǒng)，當(dāng)F不同即周期性負(fù)荷擾動(dòng)的幅值不同時(shí)，系統(tǒng)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。若系統(tǒng)無周期性負(fù)荷擾動(dòng)，則系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)定的平衡點(diǎn)；文獻(xiàn)[2]詳細(xì)說明了F變化時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)可能運(yùn)行于穩(wěn)定的周期軌道，也可能運(yùn)行于包含有許多不穩(wěn)定周期軌道的混沌狀態(tài)；甚至失去穩(wěn)定^[8]。

3 電力系統(tǒng)混沌振蕩的自適應(yīng)最優(yōu)控制
3.1 非線性最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)
　　假設(shè)系統(tǒng)為精確建模，系統(tǒng)的等值阻尼系數(shù)D，發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率P_m以及擾動(dòng)功率幅值P_e已知，也就是說γ、ρ和F已知。受控的閉環(huán)系統(tǒng)如下式所示。
　　
　　對(duì)該系統(tǒng)采用二次型最優(yōu)控制方法，使
　　
式中，Q、R分別對(duì)應(yīng)于狀態(tài)量的權(quán)矩陣和控制量的權(quán)系數(shù)。
 
    如果系統(tǒng)為精確建模，且干擾的周期性負(fù)荷的幅值已知，由控制器（6）與原系統(tǒng)的構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)可知，控制器將補(bǔ)償系統(tǒng)的非線性和外部干擾，并增加了系統(tǒng)的阻尼，因而將抑制混沌，保證系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定。
3.2 自適應(yīng)最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)
    由于系統(tǒng)的不精確建模，假設(shè)系統(tǒng)中等值阻尼系數(shù)D、發(fā)電機(jī)機(jī)械功率P_m、擾動(dòng)功率幅值P_e等一些參數(shù)不確定，即γ、ρ和F不確定，則最優(yōu)控制器中γ、ρ和F這些參數(shù)由自適應(yīng)控制律來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)設(shè)由最優(yōu)控制律得到的最優(yōu)反饋增益系數(shù)K₁=K₂=-1,并將△δ(t)=δ(t)

式中K₃,K_4,K₅均為大于零的自適應(yīng)控制系數(shù)。
　　 為證明閉環(huán)系統(tǒng)在控制器（7）作用下能保持漸近穩(wěn)定，構(gòu)造如下的Lyapunov函數(shù)：
　　
    于是，閉環(huán)系統(tǒng)（3）在控制器（7）作用下可以保持漸近穩(wěn)定，即當(dāng)電力系統(tǒng)受擾進(jìn)入混沌狀態(tài)甚至失去穩(wěn)定時(shí)，其也能在控制器作用下回到初始平衡點(diǎn)。 

4 數(shù)值仿真分析
    式（1）中的參數(shù)分別取為：H=100，P_s=100，D=2，P_m=20，β=1，即a=1，γ=0.02，ρ=0.2。由文獻(xiàn)[8]知，當(dāng)P_e=25.93（F=P_e/H=0.2593），系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)，如圖2（a）（b）的前100s所示；當(dāng)P_e=25.94（F=0.2594)時(shí)，系統(tǒng)不僅處于混沌狀態(tài)，而且在t=137s時(shí)已經(jīng)失去穩(wěn)定，如圖3（a）、（b）的137s所示。

　　現(xiàn)針對(duì)這兩種情況，考慮式（7）所示的控制器的作用。當(dāng)P_e=25.93（F=P_e/H＝0.2593)，系統(tǒng)處于混沌狀態(tài)運(yùn)行100s后，投入控制器，受控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及相圖（δ（t)-δ₀)與(w(t)-w₀)關(guān)系曲線）如圖2所示。由圖2可見，在控制器的作用下，系統(tǒng)的混沌振蕩得到了迅速的抑制，而且系統(tǒng)回到了初始平衡點(diǎn)，受控系統(tǒng)能夠迅速的辨識(shí)周期性擾動(dòng)的幅值，為清楚顯示受控系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的辨識(shí)能力，圖2（c）中只給出了加入控制器后50s以內(nèi)，F(xiàn)-0.2593的變化情況。
    當(dāng)P_e=25.94（F=P_e/H＝0.2594)，系統(tǒng)失去穩(wěn)定之前（t=137s時(shí)）投入控制器，受控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及相圖如圖3所示。由圖3可見，在控制器的作用下，系統(tǒng)迅速地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而且回到了初始平衡點(diǎn)，受控系統(tǒng)也能夠迅速的辨識(shí)周期性擾動(dòng)的幅值。

4 結(jié)論
    由于自適應(yīng)最優(yōu)控制方法能夠辨識(shí)系統(tǒng)所受周期性擾動(dòng)的幅值，因此在該控制器的作用下，無論周期性負(fù)荷擾動(dòng)的幅值是否已知，系統(tǒng)均能夠回到初始平衡點(diǎn)，維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)在自適應(yīng)最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)中假定系統(tǒng)是未精確建模的，因此該控制方法對(duì)系統(tǒng)模型的精確性沒有提出很高要求，比其它的非線性反饋方法具有優(yōu)越性，也可以應(yīng)用在電力系統(tǒng)其它控制器的設(shè)計(jì)中。