CN103649854B - 调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于用于系统的自动调节的方法，其中测量表征系统的多个参数并且其中至少一个控制参数（u）作为测量的参数（y）的函数而应用，其特征在于：－选择系统的标称操作点，－确定在该标称操作点处描述系统的标称模型（Mn），－确定相对于标称模型（Mn）的可能变化的代表模型集（[Mk]），－系统的标称模型（Mn）的误差通过代表可能变化的模型集（[Mk]）的模型与所述标称模型（Mn）之间的所有误差上的分解（[δ_ik]）而被参数化，－给定的优化准则（J）通过改变相对于系统的标称模型（M）的误差（Δ）的先前获得的参数（[δ_ik]）中的至少一个而最小化。本发明还涉及调节装置，其配置用于应用所述方法。

Description

调节方法

技术领域

本发明关于用于调节自动系统的方法，其特别地能适用于用于调节交流发电机的定子电压的装置。

背景技术

特别地具有高功率（几百兆瓦（MW））的交流发电机连接到配电网络，其的需求变化很大。

这些发电机经受具有非常不同种类和幅度的变化的干扰：短路、电压降、负载变化、卸载等。在所有情况下，并且在它们的整个操作范围中，预期尽可能接近最佳的性能。闭环也必须具有足够的稳定裕度。

目前特别地用于核电站中的高功率交流发电机的调节方法基于所谓的四环调节器原理，其的反馈（FBK）环用于明显地通过控制一定数量的可控参数而使输出值维持尽可能接近参考值。

基于模拟技术的这些方法对测量误差高度灵敏并且甚至在确保闭环在广范围内的稳定性方面相对低效。特别地，这些闭环方法产生振荡，其难以衰减并且通常被较差地衰减。

这些调节方法和应用它们的调节器更特定地在整个使用范围内未能满足与核电站中高功率交流发电机的励磁器和电压调整设备有关的电力供应方的技术规范。

发明内容

为了至少部分减轻先前提到的缺点，本发明在于用于系统的自动调节的方法（其中测量表征系统的多个参数并且其中至少一个控制参数作为测量的参数的函数而应用），其特征在于：

－选择系统的标称操作点，

－确定在该标称操作点处描述系统的标称模型，

－确定代表相对于标称模型的可能变化的模型集，

－系统的标称模型的误差通过代表可能变化的模型集的模型与标称模型之间的所有误差上的分解而参数化，

－给定的优化准则通过改变相对于标称模型的误差的先前获得的参数中的至少一个而最小化。

从而获得的优化方法因为代表参数中断的模型集的存在使得离开标称操作点变得可能而减敏。

方法还可以具有下面的特征中的一个或多个（独立或组合地）。

方法进一步包括通过确定至少一个反馈增益利用对固定的标称模型的误差而优化命令的补充步骤。

通过改变相对于系统的标称模型的误差的参数而最小化优化准则和通过确定至少一个反馈增益来利用相对于固定的标称模型的误差而优化命令的步骤在迭代环中相继重复。

标称模型是系统的理想传递函数的近似。

标称模型是系统的理想传递函数在操作点周围的线性化。

作为确定来减少估计的特性参数与测量的特性参数之间的误差的误差函数而应用的系统的所述至少一个控制参数通过对从初始系统得到（通过对可测量的预定参数添加积分）的增广系统应用最佳反馈而确定。

所应用的系统的控制参数通过积分准则的优化而确定。

所应用的系统的控制参数通过线性二次高斯（LQG）最佳控制方法而确定。

方法进一步包括下面的步骤：

－估计的对应于可测量特性参数的特性输出参数从所述标称模型确定，

－确定测量的特性输出参数中的至少一个与估计的特性输出参数中对应的至少一个之间的误差，以及

－系统的至少一个控制参数作为确定来减少估计的特性参数中的至少一个与测量的特性输出参数中的对应的至少一个测量值之间的误差的误差函数而应用。

方法包括命令与它的饱和值之间的差的积分的补充步骤，并且通过确定至少一个反作用增益而利用对固定的标称模型的误差来优化命令通过使用命令与它的饱和值之间的差的积分而做出。

系统包括连接到电网和它的励磁器的电站交流发电机。

系统的状态由状态向量表示，该状态向量包括定子电压、转子的旋转速度、总角度和励磁器中通量的图像。

输出幅度集包括定子电压、转子的旋转速度、有功功率和对主要干扰建模的机械功率的近似值。

所应用的所述至少一个控制参数包括励磁器控制电压和对主要干扰建模的机械功率的近似值。

本发明的另一个目标是系统的自动调节系统，其中测量表征系统的多个参数并且其中至少一个控制参数作为测量的参数的函数而应用，

其特征在于，它包括部件，所述部件配置成：

－选择系统的标称操作点，

－确定在该标称操作点处描述系统的标称模型，

－确定代表相对于标称模型的可能变化的模型集，

－通过代表可能变化的模型集的模型与标称模型之间的所有误差上的分解而使系统的标称模型的误差参数化，

－通过改变相对于系统的标称模型的误差的先前获得的参数中的至少一个而使给定优化准则最小化。

附图说明

其他特征和优势将在阅读下面的图的描述时变得明显，其中：

－图1是代表采用流程图形式的方法的一个实施例的步骤的图，

－图2是代表系统的所谓的标称模型的一个实施例的框图，

－图3是代表所谓的“前馈”预测功能的一个实施例的框图，

－图4是代表所谓的反馈系统的设计模型的一个实施例的框图，

－图5是代表根据本发明的用于减敏的增广系统的框图

－图6是代表来自图5的增广系统的简化第二版本的框图，

－图7是代表包括预测功能、反馈、减敏和对控制饱和的作用的实施例的功能框图。

相同的参考涉及所有图中相同的元件。

具体实施方式

本发明关于用于系统的自动调节的方法。图1示出用于调节系统的方法100的各种步骤。该方法特别地在耦合于电网的交流发电机的情况下使用。目标是采用关于在跟踪设定点电压时确保交流发电机稳定性这样的方式向交流发电机施加励磁器电压。建立该设定点电压以便跟踪交流发电机所连接的网络的需求。

例如，交流发电机具有涡轮交流发电机类型。它包括由连接到电抗器的涡轮机驱动的转子和定子。该定子处于某一所谓的定子电压Vs。

方法100的第一步骤101是选择标称模型Mn，其明显地可以是最简单的、线性且不变的设计模型。该标称模型可特别地代表在预定操作点处传递函数的线性化，该预定操作点被认为是认为系统操作所处的。

通过下面的等式组在操作点周围对方法建模：

在上面的等式中：

－x是状态向量，并且在交流发电机情况下x=[Vs ω θ efd]^T，其中Vs是定子电压，ω是旋转速度，θ是网络的电压与电动势之间的总角度，并且efd是励磁器中磁通量的图像，

－u_m是输入向量，并且在交流发电机情况下u_m=[u Pmec]^T，其中u是控制参数并且Pmec是传送到转子的机械功率，其被视为主要干扰，

－y是输出向量，并且在交流发电机情况下y=[Vs ω Pe Pmec]^T，其中Pe是供应的有功电功率。

在这里标记[…]^T指示转置操作，向量采用垂直向量的形式在式中使用。

模型从而由四个矩阵Am、Bm、Cm、Dm表征。

选择各种参数的值来关于给定的操作点而最佳地对系统建模。该操作点一般是这样的，设计师希望在其周围赋予要调节的系统的稳定性质。例如，在交流发电机情况下，这是正常操作点。

Am、Bm、Cm和Dm是在不变线性模型的背景下选为不变的矩阵。该不变线性模型产生第一近似，其易于根据需要的公差在操作点周围在较大或较小邻近范围操纵系统并且对其建模。该模型大体上是描述系统的实际演进的传递函数的一阶线性近似。

使时间或其他可变参数明确地有助于矩阵Am、Bm、Cm、Dm的值，这是可能的。在该情况下，计算必须考虑这些矩阵的导数的值。根据时间依赖的形式，这很快使计算复杂化，但方法整体上保持不变。

图2代表采用该方式建模的采用功能框图形式的系统。

该功能框图1的中心元件是标称模型Mn，其包括交流发电机3和励磁器5。标称模型Mn接收设定点值V_ref、控制参数u和主要干扰Pmec作为输入。

作为输出，标称模型Mn供应物理输出幅度集，其包括定子电压Vs，从其中扣除设定点值V_ref以便获得相对于设定点的误差e、电功率Pe，并且向量y=[Vs ω Pe Pmec]^T。

e和Pe的值在向量z=[e Pe] ^T中分组。

干扰多半具有已知种类并且是电站和网络的物理实现所固有的，并且特别地是电站大体上采用并联连接到可变数量的线路和消耗装置的一定数量的交流发电机这一事实所固有的。

可区分一定数量的相关干扰，其包括：

－三相短路：网络中的电压在短时段内急剧降到零，结果是仅觉察的电抗是变压器的，在其之后重新建立线路的电抗，

－电压骤降：与短路相似，但是对于中间网络电压降值，

－卸载（延长的短路或电压骤降的后果）：交流发电机与网络的全部或部分断开；在极端情况下，除了它的辅助设备维持它自身的操作外，它不再供应电力，

－相邻集损失：在并联的多个交流发电机的情况下，相邻交流发电机（集）的失效或停止可以导致所关注的交流发电机的欠励磁，

－在低压处至少一个相邻集的损失，从而导致在过励磁极限处操作：在一个或多个相邻集停止后，所关注的交流发电机切换到限流模式，以及

－频率下降（由机械功率产生现场的损失引起），其在几秒的时期中在大约几百mHz的频率下降中反映。

上文的干扰代表在现实网络中遇到的那些，并且必须能够在技术规范中阐明的时间标度中消除它们。

在图1中的步骤103中，标称模型通过对设定点和主要干扰Pmec选为空的预测器模型而增广。代表它的等式组然后如下：

其中

其中

并且向量并且

Bm₁是具有适当大小的Bm的较高子矩阵并且Ga是通过对已知的内部稳定性调节问题（PRIS）求解而确定的增益，上文的等式的形式源于其。然而，该增益可通过其它已知调节器反馈方法而获得。

增广模型然后在图1的步骤105中使用来重建过程的状态。状态重建通常基于估计器，例如卡尔曼滤波器。在这里，在另一方面，状态重建以使用的模型和测量的幅度为基础。方法从而使用标称模型（在这里是设计模型），来建立估计的参数，其将起到参考的作用。方法的该功能因此对于它通过供应参考幅度而实施的预测器方面称为前馈（FFD）预测动作，如与经典反馈相对的。

多亏FFD，免除了状态估计器。此外，使所有不可测量幅度置于所述状态向量中，没有另外的计算对它们有影响。

在图1的步骤107中，应用最佳反馈以便推断能够在标称模型的背景下获得设定点的最佳跟踪的参考控制参数。线性反馈明显地受到积分准则的优化的影响，其在交流发电机情况下可以是：

其中Sr和Rr是正加权矩阵。

更特别地可能应用例如线性二次高斯（LQG）控制方法等方法来实现该最佳反馈。

图3示出具有FFD预测环的一个实施例的采用框图形式的系统。

图3框图的中心元件是标称模型Mn。

接收机械功率Pmec和设定点电压Vref作为输入。设定点电压Vref由具有已知时间常数Tref并且从而具有传递函数（1+sTref）^-1的一阶滤波器7滤波。

从滤波的设定点电压、机械功率Pmec和系统的状态x确定参考命令u_r。该参考命令u_r供应给框Mn，其供应参考输出向量y_r作为输出。参考或估计的输出向量在交流发电机情况下包括参考定子电压V_Sr和参考电功率Pe_r。

在从预测环退出时，获得估计的参考幅度集，其由参考命令u_r和参考输出向量y_r组成。

可以在所述图3中看到用于获得参考命令的最佳反馈具有形式[G1；Ga+G1.Ta]。增益G1通过在采用常规方法中的一个的命令范围（horizon）Tr的基础上优化积分准则而获得。Ga和Ta是在PRIS问题的经典解上获得的那些，Ta是对于Ga的确定的积分范围。使用的最佳反馈的总增益是这两项的和。

估计的参考幅度的参数u_r和y_r中的至少一个然后在反馈（FBK）中使用来确定相对于标称模型的误差。为此，确定测量的特性输出参数y中的至少一个与估计的特性输出参数y_r中的至少一个之间的误差并且系统的至少一个命令参数u作为确定来减少估计的特性参数y_r与可测量特性参数y的测量值之间的误差的误差函数而应用或修改。

为了实现该反馈FBK，首先限定在图4中示出的所谓的设计模型Mc。

该图的中心框是组合交流发电机3与励磁器5的框，这次采用它们的实际形式。该框接收实际命令u作为输入并且供应输出幅度向量y作为输出，从其中扣除参考输出向量y_r来获得输出中相对于参考的误差的向量。该向量被增广以通过添加V_S-V_Sr的积分值、通过对V_S-V_Sr和通过积分器9的通道采样来产生向量。

与增广过程关联的标准模型采取以下形式：

其中E是实现输出参数（在其上要引入积分动作）选择的矩阵。

最后，在可以是与对于FFD的相同的过程的操作点处选择设计模型。

然后对设计系统在操作点处的优化的问题求解。

该解决方案可采用已知的双LQG/LTR控制型调节器。

调节器然后具有两个截然不同的功能：重建输出电压的积分的增广状态的功能，以及到重建的增广状态的最佳线性反馈。

本发明为由减敏供应的命令的健壮性的进一步改进做准备。为此，方法在选择的标称操作点周围建模如下：

其中w是重新改编状态和测量噪声的高斯白噪声。

在图1中在步骤109中利用选择来代表系统状态的可能变化形式的K模型集{M_i}来完成标称模型。经过严格选择，这些模型形成变化形式“基础”。

来自集M_k的任何模型与标称模型M_N之间的误差然后通过将差M-M_N投影到集{M_i}的模型与标称模型M_N之间的误差上而参数化：

其中从0变化到1的δ_ik是归一化参数。

然后可以限定参数δ的产生，如下：

特别地，参数δ_i的数量局限于底层实参数的数量m。然后可以获得下面的等式组来描述系统的演进：

其中

并且其中

系统的演进然后由在图5中采用框图形式表示的等式组来表征。

在该图中，中心框11代表标准系统，其由Am、Bm、Cm、Dm、Q₀、R₀和模型集{M_k}表征。

不确定性转到增益Δ的外环内。

在固定Δ处的最佳命令通过增益-K(s)的环而确定。

然后限定两个系统。第一系统H(s)包含标准系统11和增益-K(s)的环。第二H(s)包括系统H(s)和增益Δ的环。

系统H(s)接收输入w和v，并且将ζ和z作为输出而供应。ζ发送到增益Δ的环来获得v（参见上文的等式）。

然后，通过限定H_ζv、H_ζw、H_zv和H_zw，传递函数H(s)的K(s)的从属子矩阵：

这在完整的系统H(s)上转化为：

假设，其中σ是任意小的调整参数并且是是范数（例如范数是2或无穷大），传递函数H可发展为泰勒级数。

则

要优化的过程（在图6中采用框图的形式表示）通过引入重建向量和而构建，在该特定情况下使用上文描述的FFD预测器。使用通过另一个方法（例如凭借卡尔曼估计器）而获得的重建状态，这也是可能的。

该增广的系统接收独立地在两个并行线路上的w和（在向量W中结合）作为输入。乘以σH_ζw。为了获得v.，将w和v馈送到中心框，其代表系统11。在系统框11出口处，发现ζ和z。ζ乘以σH_zv来获得，其与z在单个输出向量Z中组合。

增广的系统还包括增益-K(s)的反馈环，其使输出y连接到系统框11的输入u。

以未减敏的调节器（其中反馈环的增益具有值K₀）开始，系统H的优化然后接着以具有值K₀的固定K(s)应用于Δ。从而获得有要从K(s)方面优化来确定该环的新增益K₁的新系统11。利用该新的增益K₁，新系统11通过应用于Δ的优化而建立。然后重复这些后面的步骤。δ_ik是补充调整参数。从而在优化步骤期间可以仅部分调整它们。将被修改的δ_ik的选择将基本上取决于选择的模型的形式。

H_ζw和H_zv取决于K(s)的值，并且因此在每个迭代上K(s)的大小增加。为了防止此，通过使用σ对加权，利用第二近似来取代具有静态增益g₁、g₂的H_ζw和H_zv，这是可能的。

从而获得迭代环，其可以被重复直到满足收敛条件。实际上，在大部分情况下已经证明五个重复是足够的，并且从而固定数量的重复提供可接受结果。

图7采用功能框图的形式示出如上文描述的系统的励磁器5、交流发电机3的调节器的一个实施例，其进一步包括去饱和功能。

实机器仅具有一个有界限范围的命令u。范围有界这一事实是系统的技术实现的结果，并且边界的值取决于实施例。

在图7中，图包括具有减敏功能的所述系统11、预测器框FFD、反馈功能FBK，和考虑命令u的饱和的补充框13。

框FFD接收主要干扰Pmec和参考电压V_ref并且将参考幅度u_r、y_r作为输出而供应。

框FBK接收系统框11的输出与参考输出y_r之间的差作为输入，并且利用反馈增益-K’(s)能够获得命令前体，参考命令u_r要添加到其来获得命令u，这之后输入补充饱和框13产生供应给系统11的饱和命令u_sat。

使用具有增益1/tau的去饱和积分器15（其对命令u与饱和命令之间的差求积分）来获得命令前体。

特别应该注意积分器9被置于框FBK中（接近它的输出），该输出对应于变量相对于上文描述的FBK的变化。

已经在关于在特别地与Flamanville EPR（欧洲压水电抗器）相关的模拟的背景下去除上文提到的干扰的模拟有益结果中证明所得的调节器。

特别地在短路的情况下，在小于10秒内重建电力，同时使总角度能够在广泛的操作点内单独利用调节器而维持（其确保稳定性）。

在电压骤降的情况下，连接到交流发电机的变压器的端子处的电压在检查的情况中的全部下保持在由EDF所施加的限制内。

在卸载情况下，电压在小于10秒内回到在小于最后值的1%单位（1% unitary of）内。

在频率下降的情况下，回到正常值的1%单位内花了不到8秒，而没有相对于设定点的超出4%单位的电压误差。

返回时间（特别地到需要值的1%内）证实振荡的快速且有效消除。

方法从而能够减少对系统的状态的干扰。通过使实际状态向理想状态移动，方法确保系统稳定性，其然后仅取决于使用的模型的准确性以及测量的精度。

Claims (15)

1.一种用于交流发电机的定子电压的自动调节的方法，其中，测量表征系统的多个参数并且其中至少一个控制参数（u）作为测量的参数（y）的函数而应用，

其特征在于：

－选择所述系统的标称操作点，

－确定在该标称操作点处描述所述系统的标称模型（Mn），

－确定相对于所述标称模型（Mn）的可能变化的代表模型集（[Mk]），

－所述系统的标称模型（Mn）的误差通过代表可能变化的模型集（[Mk]）的模型与所述标称模型（Mn）之间的所有误差上的分解（[δ_ik]）而被参数化，

－给定的优化准则（J）通过改变相对于所述系统的标称模型（M）的误差（Δ）的先前获得的参数（[δ_ik]）中的至少一个而最小化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它进一步包括通过确定至少一个反馈增益（-K(s)）利用相对于固定的标称模型（Mn）的误差（Δ）来优化命令（u）的补充步骤。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过改变相对于所述系统的标称模型（Mn）的误差（Δ）的参数而最小化优化准则（J）和通过确定至少一个反馈增益（-K(s)）利用相对于固定的标称模型（Mn）的误差（Δ）来优化命令（u）的步骤在迭代环中相继重复。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述标称模型（Mn）是所述系统的理想传递函数的近似（Am，Bm，Cm，Dm）。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述标称模型（Mn）是在所述系统的理想传递函数的操作点周围的线性化（Am，Bm，Cm，Dm）。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为确定来减少估计的特性输出参数（y_r）与测量的输出参数（y）之间的误差的误差函数而应用的系统的所述至少一个控制参数通过对预定测量的特性参数中的至少一个添加积分而从初始系统得到的增广系统应用最佳反馈来确定。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所应用的系统的控制参数通过积分准则的优化而确定。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所应用的系统的控制参数通过线性二次高斯（LQG）最佳控制方法而确定。

9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，它进一步包括下面的步骤：

－估计的对应于可测量特性参数（u，y）的特性参数（u_r，y_r）从所述标称模型确定，

－确定测量的特性参数（u，y）中的至少一个与估计的特性参数（u_r，y_r）中对应的至少一个之间的误差，以及

－所述系统的至少一个控制参数作为确定来减少估计的特性输出参数（y_r）中的至少一个与测量的特性输出参数（y）中的对应的至少一个测量值之间的误差的误差函数而应用。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，它包括所述命令（u）与它的饱和值（u_sat）之间的差的积分的补充步骤，并且通过确定至少一个反作用增益（-K(s)）利用对于固定的标称模型（Mn）的误差（Δ）的命令（u）的优化通过使用所述命令（u）与它的饱和值（u_sat）之间的差的积分而做出。

11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述系统包括连接到电网和它的励磁器的电站交流发电机（3）。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述系统（3，5）的状态由状态向量（x）表示，所述状态向量（x）包括定子电压（Vs）、转子的旋转速度（ω）、总角度（θ）和励磁器中的流的图像（efd）。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，输出幅度集包括所述转子的旋转速度（ω）、有功功率（Pe）和对主要干扰建模的机械功率（Pmec）的近似值。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所应用的所述至少一个控制参数包括所述励磁器控制电压和对所述主要干扰建模的机械功率（Pmec）的近似值。

15.一种交流发电机的定子电压的自动调节系统，其中，测量表征所述系统的多个参数并且其中至少一个控制参数作为测量的参数的函数而应用，

其特征在于，它包括部件，所述部件配置成：

－选择所述系统的标称操作点，

－确定在该标称操作点处描述所述系统的标称模型（Mn），

－确定相对于所述标称模型（Mn）的可能变化的代表模型集（[Mk]），

－通过代表可能变化的模型集（[Mk]）的模型与所述标称模型（Mn）之间的所有误差上的分解（[δ_ik]）而使所述系统的标称模型（Mn）的误差参数化，

－通过改变相对于所述系统的标称模型（M）的误差（Δ）的先前获得的参数（[δ_ik]）中的至少一个而使给定的优化准则（J）最小化。