一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法， 它是針對單機無窮大總線系統(tǒng)，而給出的一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門 開度預測控制方法，用于控制汽輪發(fā)電機功角，屬于自動控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 汽輪發(fā)電機的勵磁控制和汽門調(diào)節(jié)是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的兩個重要手段。由于 勵磁控制受到勵磁電流頂值的限制，而要求發(fā)電機具有過高的勵磁電流頂值將增加發(fā)電機 制造成本；同時，發(fā)電機勵磁電流的上升速度也將受到勵磁繞組時間常數(shù)的限制。因此，僅 僅依靠勵磁控制對系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善是有限的。隨著大功率的中間再熱式汽輪發(fā)電機組應 用于電力系統(tǒng)，功率一頻率電液式調(diào)速器日益取代機械液壓式調(diào)速器，通過改善汽輪發(fā)電 機主汽門開度控制來提高中間再熱式汽輪發(fā)電機組的一次調(diào)頻能力和負荷適應性，從而提 高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有特別重要的意義。
[0003] 近年來，許多先進的控制方法被用到汽輪發(fā)電機主汽門開度控制的設計中，其中 包括反饋線性化方法、最優(yōu)控制方法等。但是這些方法不具備對參數(shù)和模型變化的魯棒性， 并且對系統(tǒng)中非匹配不確定性無能為力。預測控制方法是一種新穎的控制方法，它所需要 的模型只強調(diào)預測功能，不苛求其結構形式，從而為系統(tǒng)建模帶來方便。更重要的是，預測 控制汲取了優(yōu)化控制的思想，但利用滾動的有限時段優(yōu)化取代了一成不變的全局優(yōu)化，能 夠不斷顧及不確定性的影響并及時加以校正，從而有更強的魯棒性。所以，預測控制在復雜 的工業(yè)環(huán)境中受到青睞。雖然預測控制具有一定的魯棒性，但當控制干擾較大時，控制效果 不能達到理想的要求，所以通過設計非線性干擾觀測器進行補償，已達到理想的控制效果。
[0004] 這種技術背景下，本發(fā)明針對單機無窮大總線系統(tǒng)，給出一種基于非線性干擾觀 測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法，用于控制汽輪發(fā)電機功角。在較強干擾的情 況下，采用這種控制方法不僅保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還實現(xiàn)了汽輪發(fā)電機功角對預定 軌跡的快速且精確跟蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 1、發(fā)明目的
[0006] 本發(fā)明的目的是：針對主汽門開度控制系統(tǒng)模型，克服現(xiàn)有控制技術的不足，而提 供一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法，它在保證閉環(huán)全局 系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎上，實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)汽輪發(fā)電機功角對預定軌跡的快速且精確跟蹤。
[0007] 本發(fā)明是一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法，其 設計思想是：針對主汽門開度控制系統(tǒng)模型，設計出具有閉型解析解的控制律，然后設計非 線性干擾觀測器對控制干擾進行補償，從而在具有較強輸入干擾的情況下，保證閉環(huán)控制 系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)了汽輪發(fā)電機功角對預定軌跡的快速且精確跟蹤。
[0008] 2、技術方案
[0009] 下面具體介紹該設計方法的技術方案。
[0010] 單機無窮大總線系統(tǒng)示意圖如圖1。
[0011] 本發(fā)明一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法，該方 法具體步驟如下：
[0012] 步驟一：汽輪發(fā)電機主汽門開度控制系統(tǒng)分析與建模
[0013] 閉環(huán)控制系統(tǒng)采用負反饋的控制結構，輸出量是汽輪發(fā)電機功角。所設計的閉環(huán) 控制系統(tǒng)主要包括控制器環(huán)節(jié)和系統(tǒng)模型這兩個部分，其結構布局情況見圖2所示。
[0014] 主汽門開度控制系統(tǒng)模型描述如下：
【主權項】
1. 一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法，其特征在于： 該方法具體步驟如下： 步驟一：汽輪發(fā)電機主汽門開度控制系統(tǒng)分析與建模 閉環(huán)控制系統(tǒng)采用負反饋的控制結構，輸出量是汽輪發(fā)電機功角，所設計的閉環(huán)控制 系統(tǒng)包括控制器環(huán)節(jié)和系統(tǒng)模型兩部分； 主汽門開度控制系統(tǒng)模型描述如下：
;1) 其中：S表示汽輪發(fā)電機功角； S C!表示汽輪發(fā)電機功角初值； ?表不發(fā)電機轉子速度； ?〇表不發(fā)電機轉子速度初值； ?11表示高壓缸產(chǎn)生的機械功率； ?111表示原動機輸出的機械功率； Pm(l表示原動機輸出的機械功率初值； D表示阻尼系數(shù)； H表示發(fā)電機轉子的轉動慣量； 表示中低壓功率分配系數(shù)； CH表示高壓缸功率非配系數(shù)； E' ^表不發(fā)電機q軸暫態(tài)電勢； V表示無窮大總線電壓； X'dS表示發(fā)電機與無窮大系統(tǒng)間的等值電勢； THS表不尚壓缸汽門控制系統(tǒng)等效時間常數(shù)； u表示汽輪發(fā)電機主汽門開度控制； d表示汽輪發(fā)電機主汽門開度控制輸入干擾； 為了便于設計，分別定義三個狀態(tài)變量Xl、x2、x3如下： Xi= 8-8 0 X2= 〇-〇 〇 X3一P H_CHPm〇 這時（1)就寫成
步驟二：汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制設計 控制任務為輸出y (t)跟蹤指令w (t)，并克服汽輪發(fā)電機主汽門開度控制輸入干擾d ; 優(yōu)化目標函數(shù)為
其中j(/ + r)為d(t+t )的觀測值，+ 為y(t+t )的預測值，必(，+ r)為w(t+t ) 的預測值，T為預測區(qū)間，t為預測時間，〇<t<T，且有 當
(4) 其中+ 為U(t+T)的預測值； 模型的相對階數(shù)為p，控制階數(shù)為r，定義為
本算法中，通過泰勒展開，實現(xiàn)對未來輸出預測信號的逼近，針對+ 的逼近，取
其中f = diag{r,...，r}為mXm矩陣，m為系統(tǒng)輸出個數(shù)，
I為mXm的單位陣；由模型⑵可知，P = 3, r = 1，m = 1，所以取
其中
通過泰勒展開，實現(xiàn)對未來指令預測信號的逼近，針對w (t+ T )的逼近，取
取^ = 0,得預測控制律為 OU
(5) 其中
關于f的Lie導數(shù)，
由于 p +r+l = 5,則 i, j = 1，2, 3, 4, 5,則 表示為
T = T; 步驟三：非線性干擾觀測器設計 設計非線性干擾觀測器估計未知的干擾，對控制輸入進行補償； 設計觀測器為： d=z+p{x) z = -l(x)gjx)z-l(x)(gjx)p(x) + f(x) + g(x)u) 非線性觀測器增益定義為：
觀測誤差定義為： j J J，且干擾是慢時變的； 選擇P (X)，使方S
茜足全局指數(shù)穩(wěn)定，貝lj^指數(shù)收斂于d ; 根據(jù)模型⑵，選擇/#) = /, (A_f ??::),則，
此時，&〇 +々|/:;(1+34；^(〇=0，所以適當?shù)膮?shù)(3，對所有的13都有全局指數(shù)穩(wěn)定， 從而可得基于非線性干擾觀測器的預測控制律：
至此，一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法設計完畢； 步驟四：設計結束 整個設計過程重點考慮了三個方面的控制需求，分別為設計的簡便性，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，跟蹤的快速精確性；圍繞這三個方面，首先在上述第一步中確定了閉環(huán)控制系統(tǒng)的具 體構成；第二步中重點給出了汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制設計方法；第三步中給出了 非線性干擾觀測器的設計；經(jīng)上述各步驟后，設計結束。
【專利摘要】一種基于非線性干擾觀測器的汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制方法，該方法有四大步驟：步驟一：汽輪發(fā)電機主汽門開度控制系統(tǒng)分析與建模；步驟二：汽輪發(fā)電機主汽門開度預測控制設計；步驟三：非線性干擾觀測器設計；步驟四：設計結束。本發(fā)明針對主汽門開度控制系統(tǒng)模型，設計出具有閉型解析解的控制律，然后設計非線性干擾觀測器對控制干擾進行補償，從而在具有較強輸入干擾的情況下，保證閉環(huán)控制系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)了汽輪發(fā)電機功角對預定軌跡的快速且精確跟蹤。
【IPC分類】F01D17-10
【公開號】CN104806302
【申請?zhí)枴緾N201510192215
【發(fā)明人】陳寶林, 韓璞, 劉志杰, 劉金琨, 董澤, 王德華
【申請人】國電科學技術研究院, 華北電力大學（保定）
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月21日