电力系统混沌振荡的自适应最优控制

电力系统在周期性负荷扰动的作用下会发生混沌振荡，甚至由此而失去稳定。为抑制这种情况下的混沌振荡，保证电力系统运行的稳定性，利用自适应最优控制方法设计了在周期性负荷扰动幅值不确定以及系统参数不确定情况下的混沌振荡控制器；并利用Lyapunov稳定性理论证明了受扰的、未精确建模的电力系统在该控制器作用下可以保持渐近稳定。因此，当电力系统所受到的周期性负荷扰动的幅值不确定且引起电力系统混沌振荡甚至失去稳定时，自适应最优控制器可以使电力系统获得渐近稳定，即能回到初始平衡点上。数值仿真也表明了该控制器的控制效果。
　　关键词：电力系统；混沌控制；渐近稳定；自适应

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
　　电力系统作为一个典型的非线性系统，在周期性负荷扰动作用下，当周期性负荷的幅值满足一定条件时，就会发生混沌振荡^[1-3]，甚至会使电力系统失去稳定性。因此，为保证电力系统在周期性负荷扰动的作用下仍然能稳定运行，就必须消除混沌振荡现象。由于非线性反馈控制方法能够补偿系统模型的非线性，因而能够抑制混沌，这已经在许多控制系统中得到应用^[4-5]，同时非线性反馈控制还可以实现电力系统的稳定控制^[6]，因此可以利用非线性反馈控制来消除混沌，稳定系统。然而该方法要求系统必须精确建模，否则控制器无法对系统的非线性进行补偿，另外即使控制器对系统的非线性进行了补偿，在控制器作用下系统不会发生混沌振荡，但是由于周期性负荷扰动仍然存在，系统就不可能回到初始平衡点，而是在某一个稳定的周期轨道上运行^[9]。变量反馈控制法^[7]通过调节反馈系数来减小系统非线性项的影响，抑制混沌，使系统进入混沌吸引子中固有的不稳定周期轨道上，而且该方法要求首先确定混沌吸引子中的不稳定周期轨道。而对电力系统而言，我们希望其受扰后能够在控制器的作用下回到初始平衡点或者新的平衡点上，因此要寻求新的控制方法，使得系统不论受到多大幅值的周期扰动，无论系统的模型是否精确，在控制器的作用下均能回到初始或新的平衡点上，这就需要控制器能够估计周期性扰动的幅值。本文利用非线性最优控制方法与自适应控制相结合，设计了自适应最优控制器，并利用Lyapunov稳定性理论证明了受控的闭环系统能够保持渐近稳定，同时利用数值仿真，校验了该控制器的控制效果以及对周期性负荷扰动幅值的逼近情况，理论和仿真都说明了控制器的有效性。

2 简单电力系统在周期性负荷扰动下的动力学行为
　　简单互联电力系统接线图^[6]如图1所示，其中：1为系统1的等值发电机；2为系统2的等值发电机；3为系统1的等值主变压器；4为系统2的等值主变压器；5为负荷；6 为断路器；7为系统联络线。

　　具有周期性负荷扰动的简单电力系统数学模型如下^[6]：

　　　　　　 　（1）
式中：δ(t) 为发电机转子运行角：w(t)为发电机相对转速；p_m和p_s分别为发电机机械功率和电磁功率；H为等值转动惯量；D为等值阻尼系数；P_e为扰动功率幅值；β为扰动功率频率。

当假设 a、γ、ρ不变即发电机的电磁功率、系统的阻尼和机械功率不变，而F变化时，上述系统变成了一个含参数F的非线性系统，当F不同即周期性负荷扰动的幅值不同时，系统呈现出不同的状态。若系统无周期性负荷扰动，则系统运行于稳定的平衡点；文献[2]详细说明了F变化时，系统的运行状态，系统可能运行于稳定的周期轨道，也可能运行于包含有许多不稳定周期轨道的混沌状态；甚至失去稳定^[8]。