專利名稱：發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的逆模型控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的逆模型控制方法。
技術(shù)背景電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性問題，即動態(tài)安全可靠性問題，是電力系統(tǒng)運(yùn) 行的重要問題， 一直深受國內(nèi)外同行專家的重視，并進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn) 工作。改善與提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要手段是采用新型電力設(shè)備及控制方式。 發(fā)電機(jī)組是電力系統(tǒng)運(yùn)行中的重要設(shè)備，其有效控制有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、 安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也是改善電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一種有效環(huán)節(jié)。發(fā)電機(jī)的勵磁控制是提高輸電系統(tǒng)微動穩(wěn)態(tài)水平的主要措施之一，現(xiàn)有的發(fā) 電機(jī)的勵磁控制存在穩(wěn)定性較差、控制精度較低的技術(shù)問題。發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有發(fā)電機(jī)勵磁控制過程中存在穩(wěn)定性較差、控制精度較低的技 術(shù)問題，本發(fā)明是提供一種簡單可靠、實(shí)時(shí)性好、控制精度高的發(fā)電機(jī)勵磁的 逆模型控制方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案包括以下步驟(1) 從發(fā)電機(jī)采集端電壓K信號，送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣完成后得到 讀入CPU中；(2) 計(jì)算采樣值KW與期望值K'("l)的誤差e，誤差e大于或等于0.005時(shí)， 按步驟(3)計(jì)算勵磁控制量；否則，勵磁系統(tǒng)不動作；(3) 計(jì)算勵磁控制量為<formula>formula see original document page 3</formula> 且當(dāng)lA"("lx5(A:) ， A"(*) = 5(" ^gw(A"(A))，這里s/gw()為符號函數(shù)，""為依據(jù)勵磁系統(tǒng)物理特性的一個(gè)限幅；(4)將計(jì)算得到的A"W送入D/A轉(zhuǎn)換器，以此信號直接作用于勵磁系統(tǒng)。上述的發(fā)電機(jī)的勵磁逆模型控制方法中，所述步驟(3)中的勵磁控制量為、F(z，_。/' -1)]逆模型控制方法是一種研究比較廣泛的反饋線性化方法，利用被控對象的 逆模型與原模型串聯(lián)組成一個(gè)偽線性系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)非線性對象的線性化和 通道之間的解耦。本文的勵磁系統(tǒng)逆模型控制器由二部分組成， 一部分是基于 Taylor擴(kuò)展的等效線性化的逆模型，以此作為前饋控制器，第二部分是反饋環(huán) 節(jié)，采用一種魯棒濾波器作為反饋環(huán)節(jié)，提高端電壓調(diào)壓精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)效果在于(1)該逆模型控制器由前饋、反饋兩個(gè)環(huán)節(jié)組成， 前饋為勵磁系統(tǒng)的逆模型，反饋為魯棒濾波器，二者的結(jié)合，不僅具有可靠的 精度和穩(wěn)定性，而且不需要在線學(xué)習(xí)或者參數(shù)調(diào)整；(2)前饋控制器，即勵磁 系統(tǒng)的逆模型，是由一種基于Taylor擴(kuò)展的線性化模型，將其等效于一種線性 化模型，計(jì)算簡便，便于實(shí)際實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性較優(yōu)；(3)采用支持向量機(jī)來發(fā)電 機(jī)勵磁系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系(勵磁控制量一端電壓關(guān)系)，辨識精度較高，而且 支持向量機(jī)算法的學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)間短，范化能力強(qiáng)。(4)支持向量機(jī)參數(shù)選取看 作組合優(yōu)化，而變尺度混沌優(yōu)化算法不必考慮模型的復(fù)雜度和變量的維數(shù)。


圖l實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的結(jié)構(gòu)圖。圖2本發(fā)明中基于支持向量機(jī)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)辨識結(jié)構(gòu)圖。 圖3本發(fā)明中發(fā)電機(jī)端電壓響應(yīng)曲線。圖4本發(fā)明中發(fā)電機(jī)功角響應(yīng)曲線。 圖5本發(fā)明中發(fā)電機(jī)有功功率響應(yīng)曲線。 圖6本發(fā)明中發(fā)電機(jī)角速度響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例做進(jìn)一步說明。參見圖1，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的發(fā)動機(jī)勵磁控制系統(tǒng)包括前饋逆模型控制器與反饋補(bǔ)償兩個(gè)部分。圖中各個(gè)變量的物理意義為K0t)表示發(fā)電機(jī)端電壓期 望值，KW表示發(fā)電機(jī)端電壓測量值，《W表示發(fā)電機(jī)端電壓辨識值；"cW表 示合成的實(shí)際勵磁控制量，",W表示反饋控制量，"W表示前饋控制量。逆模 型控制器獲得發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的等效線性化逆模型，用于抵消勵磁系統(tǒng)的非線 性特性，前饋控制的方式計(jì)算簡便、便于實(shí)現(xiàn)，且可提高快速跟蹤能力。前饋 逆模型控制器與勵磁系統(tǒng)串聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)線性系統(tǒng)。反饋補(bǔ)償將采用一 個(gè)魯棒濾波器來提高控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在一定程度上消除逆模型建模誤 差的影響。前饋逆模型控制器的控制律。根據(jù)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的三階動態(tài)模型方程， 采用離散化方法得到一種等效的離散NARMA模型為^ + 1) = / 1)，-2)，, (1)上式中凍示當(dāng)前時(shí)刻，hl,A+l分別表示前一時(shí)刻和后一時(shí)刻，K0t + l)表示發(fā)電機(jī)端電壓，"("表示發(fā)電機(jī)勵磁控制量。前饋逆模型控制器采取一種基于Taylor擴(kuò)展式的等效線性化逆模型，逆控制律僅需要辨識勵磁系統(tǒng)的輸入輸出 關(guān)系，避免了復(fù)雜的逆模型控制律推導(dǎo)。將(1)所示的勵磁系統(tǒng)的NARMA模型表示為^ + 1) = / ("1)，-2)，"("] =/ ，其中柳= _1)，-2)],其Taylor擴(kuò)展式表示為<formula>formula see original document page 6</formula> (2)依據(jù)Taylor擴(kuò)展理論，可以省略留數(shù)項(xiàng)而得到勵磁系統(tǒng)等效的輸入輸出關(guān)系，即式(2)可簡化為<formula>formula see original document page 6</formula>上式中/、("l),"Ot-l)]是一個(gè)非線性函數(shù)，根據(jù)勵磁系統(tǒng)的輸入輸出信號，本發(fā)明由支持向量機(jī)(SVM)來估計(jì)/'-1)，-1)]，將SVM估計(jì)的模型表示為 /'^;t-1)]。這樣，勵磁控制增量A"(/t)便可以依據(jù)式(3)直接計(jì)算得到。 w()t) = M(;t-1) + <formula>formula see original document page 6</formula>這里K'("1)為端電壓期望值，^n(0為符號函數(shù)，A/fc)為依據(jù)勵磁系統(tǒng)實(shí)際 的一個(gè)限幅。之所以要將A"W限幅于^fc)，是因?yàn)榭紤]到勵磁系統(tǒng)的物理性能， 而盡量避免大幅度的抖動。上述的逆模型控制器是開環(huán)的，系統(tǒng)穩(wěn)定性不強(qiáng)，實(shí)際控制中的參數(shù)不確 定性和外界干擾是不可避免的。因而采取一個(gè)反饋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 和控制精度，反饋補(bǔ)償采用圖l所示的魯棒濾波器來實(shí)現(xiàn)。由圖l所示的系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)可知<formula>formula see original document page 6</formula>其中A w為魯棒濾波器的增量輸出，i 表示Taylor擴(kuò)展的留數(shù)項(xiàng)和y為干擾和不確定項(xiàng)。利用<formula>formula see original document page 6</formula>=k (*) + /'— —1)] - △"(*) — ^ (及+力 (7) 其中巧=1 —風(fēng)it)z-卞(z).因此，采用合適的濾波器F(",留數(shù)項(xiàng)/ 和干擾y在一定程度上可以抵消，從 而提高控制精度。此時(shí)，由圖l所示的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知合成的控制律為"cW=-1)+- . (8)/'[,i),"("D]此時(shí)控制律中包括了逆模型控制器和反饋補(bǔ)償兩個(gè)部分，從而兼有了逆模型控 制與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)。逆模型控制具有非常優(yōu)良的非線性處理能力，而且前饋 控制方式提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和快速跟蹤能力。反饋控制可以補(bǔ)償逆模型控 制中的誤差，在一定程度上提高控制精度，而且濾波器形式的環(huán)節(jié)，在線計(jì)算本發(fā)明中的 [^t-i)，"("i)]采用支持向量機(jī)(s叩port vector machines, SVM)來估算，SVM是一種新型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，學(xué)習(xí)訓(xùn)練速度快，范化能力強(qiáng)， 被視作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種完善和提高。其結(jié)構(gòu)見圖2。 SVM辨識的結(jié)果是 用如式(9)所示的回歸函數(shù)來建立估計(jì)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型6 (" 1) = /[柳，"W] = 2> ),"帥，(柳，"(,))]+ 6 (9)'豕l這樣便可以根據(jù)系統(tǒng)辨識來得到逆控制律計(jì)算中的/'[^t-l)，"Ot-l)]:"〗=-d，"(h)]，[柳，"柳(io)9m(A -1) 一 3基于混沌優(yōu)化算法的支持向量機(jī)參數(shù)選取方法。本發(fā)明將SVM的參數(shù)選取 看作參數(shù)的組合優(yōu)化，對組合優(yōu)化問題建立目標(biāo)函數(shù)，采用一種變尺度混沌優(yōu) 化算法來搜索最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)值，從而找到合適的參數(shù)取值。這里采用(11)式所示的Logistic映射"+1 =/wt(l-O (11) 取// = 4，系統(tǒng)完全處于混沌狀態(tài)。以方均誤差(MSE)丄j;:("/(;^來描述 SVM回歸與參考模型之間的偏差，其中 為樣本個(gè)數(shù)，y為參考模型，/W為SVM 回歸。
優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)是選取最佳的參數(shù)組合，使得SVM回歸與參考模型 具有最小的方均誤差，即<formula>formula see original document page 8</formula>
這里優(yōu)化變量z,.總共為3個(gè)，對應(yīng)于參數(shù)C、 c和"[。,,6,]為各個(gè)變量z,的定義域，對于不同的參考模型和樣本數(shù)據(jù)，變量的定義域空間也有所不同。變尺度混沌優(yōu)化算法步驟描述如下(算法步驟中，/ = 1,2,3) -步驟i初始化。*=o，細(xì)搜索標(biāo)志"o，《=,,(o)， ,；=/,(o)， <=^， ^=6,,當(dāng)前最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值/'初始化為一個(gè)較大正數(shù)；步驟2把^映射到優(yōu)化變量取值區(qū)間成為<formula>formula see original document page 8</formula> (13)步驟3優(yōu)化搜索。若/(對)《/',則/'=/(^),否則繼續(xù)。 步驟4A::=A: + 1， ,f ./f (1 - 。步驟5重復(fù)步驟2-4，直到一定步數(shù)內(nèi)/'保持不變?yōu)橹?，然后進(jìn)行以下 步驟。步驟6縮小變量的搜索范圍<formula>formula see original document page 8</formula> (14)其中—(0,0.5)， z;-。;+,;w-《)為當(dāng)前最優(yōu)解。為了保證新范圍不越界，作以下處理若《+1<《,則<+1=《；若6,+'",，則r'";。同時(shí)，依據(jù)新范圍將z;映 射到/,'。
步驟7用(15)式確定的新的混沌變量wf<formula>formula see original document page 9</formula>
15) 其中《為一較小正數(shù)。重復(fù)步驟2-4操作直到一定步數(shù)內(nèi)/'保持不變?yōu)橹?，?后進(jìn)行以下步驟。步驟8 r=r + l,減小"值重復(fù)步驟6-7操作。重復(fù)步驟8若干次后，結(jié)束尋優(yōu)計(jì)算，z;就是搜索到的最優(yōu)參數(shù)取值。 這里的仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)值為；^=2.156; =2. 101， ^=0.265; xr=0. 1; ^=1.46; Z)=5; //=8; rrf。=10;尸 =0.6。根據(jù)勵磁系統(tǒng)的特 點(diǎn)，確定足夠豐富的激勵信號作為系統(tǒng)的輸入信號。將幅值范圍在0 — 3之間的 控制信號"Ot)輸入到對象中，根據(jù)這些控制輸入，從而產(chǎn)生相應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出 KOfc)，以此建立樣本數(shù)據(jù)對。在仿真中，SVM訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)對為600， 選用Gaussian核函數(shù)，LS-SVM參數(shù)為CT = i.5 ， ；1 = 200。魯棒濾波器選擇為 f")J—v-'，而且r,Q.72。將所研究的逆模型控制系統(tǒng)與其它兩種控制器予 以了對比仿真， 一個(gè)為傳統(tǒng)的AVR調(diào)節(jié)器，另外一個(gè)神經(jīng)元勵磁控制器。在仿真 圖中，傳統(tǒng)控制器(CONVC)將用虛線來描述，神經(jīng)元控制器(NNC)將用細(xì)實(shí)線表 示，本發(fā)明的基于支持向量機(jī)的逼近逆模型控制器(SVMMC)則用粗實(shí)線來描述。在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，/^=1.0(標(biāo)幺值)，0,=0.18(標(biāo)幺值)。在 t=2 s時(shí)，給予參考勵磁電壓一個(gè)的5%階躍上升，在t40 s時(shí)，再給予參考勵磁 電壓一個(gè)的5%階躍下降。圖3 —圖6描述了不同控制器時(shí)的發(fā)電機(jī)各個(gè)狀態(tài)變量 Vt、 S、 p、 co暫態(tài)響應(yīng)曲線，與其它控制器相比，本發(fā)明的逆模型控制系統(tǒng)的 性能更優(yōu)。
權(quán)利要求
1、一種發(fā)電機(jī)的勵磁逆模型控制方法，包括以下步驟(1)從發(fā)電機(jī)采集端電壓Vt信號，送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣完成后得到Vt(k)，讀入CPU中；(2)計(jì)算采樣值Vt(k)與期望值Vt*(k+1)的誤差e，誤差e大于或等于0.005時(shí)，按步驟(3)計(jì)算勵磁控制量；否則，勵磁系統(tǒng)不動作；(3)計(jì)算勵磁控制量為u(k)＝u(k-1)+Δu(k)，其中<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>&Delta;u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mi>V</mi> <mi>t</mi> <mo>*</mo></msubsup><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>t</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msup> <mover><mi>f</mi><mo>^</mo> </mover> <mn>1</mn></msup><mo>[</mo><mi>q</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>u</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="A2007100357430002C1.gif" wi="198" he="42" img-content="drawing" img-format="tif"/-->而且當(dāng)|Δu(k)|＞δ(k)，Δu(k)＝δ(k)·sign(Δu(k))，這里sign(·)為符號函數(shù)，δ(k)為依據(jù)勵磁系統(tǒng)物理特性的一個(gè)限幅；(4)將計(jì)算得到的Δu(k)送入D/A轉(zhuǎn)換器，以此信號直接作用于勵磁系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的逆模型控制方法。包括以下步驟(1)從發(fā)電機(jī)采集端電壓V_t信號，送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣完成后得到V_t(k)，讀入CPU中；(2)計(jì)算采樣值V_t(k)與期望值V_t^*(k+1)的誤差e，誤差e大于或等于0.005時(shí)，按步驟(3)計(jì)算勵磁控制量；否則，勵磁系統(tǒng)不動作；(3)計(jì)算勵磁控制量為u(k)＝u(k-1)+Δu(k)，其中△u(k)=V^*_t(k+1)-V_t(k)/f¹[q(k-1),u(k-1)]而且當(dāng)|Δu(k)|＞δ(k)，Δu(k)＝δ(k)·sign(Δu(k))，這里sign(·)為符號函數(shù)，δ(k)為依據(jù)勵磁系統(tǒng)物理特性的一個(gè)限幅；(4)將計(jì)算得到的Δu(k)送入D/A轉(zhuǎn)換器，以此信號直接作用于勵磁系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)電機(jī)端電壓期望值與測量值，由離線設(shè)計(jì)好的控制律來實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)逆模型控制。本發(fā)明方法易于實(shí)現(xiàn)、計(jì)算速度快，不需要在線學(xué)習(xí)或參數(shù)調(diào)整，具有優(yōu)良的發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓性能。
文檔編號H02P9/14GK101162884SQ20071003574
公開日2008年4月16日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者李勇軍, 袁小芳 申請人:湖南大學(xué)