結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)分岔與穩(wěn)定控制

前言

　　眾所周知，近代微分幾何方法與非線性系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)問題相結(jié)合，形成了一門新的非線性控制系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)理論學(xué)科體系。正如20世紀(jì)50年代前引入Laplace變換和傳遞函數(shù)以及60年代引入線性代數(shù)方法分別給控制理論在單輸入輸出及多變量線性系統(tǒng)方面所帶來的重大成就那樣，微分幾何理論方法引入到非線性控制系統(tǒng)，也給非線性控制理論帶來一系列突破性的進(jìn)展。從非線性系統(tǒng)的能控性和能觀性一直到各種控制設(shè)計(jì)方法及算法的一整套新的理論體系已經(jīng)初步形成，可以預(yù)見在不久的將來，凡是多變量線性控制系統(tǒng)理論體系中的一切主要成就都可以相應(yīng)地在新的非線性控制理論體系中找到。微分幾何控制方法的應(yīng)用已經(jīng)滲入到航空、機(jī)器人、電力系統(tǒng)及化學(xué)工程等諸多領(lǐng)域中。電力系統(tǒng)是典型的微分方程組和代數(shù)方程組的組合，也即是非線性微分代數(shù)控制系統(tǒng)，而關(guān)于近代微分幾何方法與非線性微分代數(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題更是結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)控制理論的新學(xué)科。　　本書在經(jīng)典的非線性系統(tǒng)幾何控制理論的發(fā)展基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了非線性微分代數(shù)控制系統(tǒng)的反饋線性化理論基礎(chǔ)和一系列幾何線性化設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)地給出了有關(guān)非線性微分代數(shù)控制系統(tǒng)的M導(dǎo)數(shù)和M括號等定義和理論結(jié)果，結(jié)合幾何反饋精確線性化、部分幾何反饋線性化理論方法及其一般控制設(shè)計(jì)和參數(shù)自適應(yīng)控制理論方法，并利用非線性微分代數(shù)系統(tǒng)幾何線性化理論，對結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)非線性控制的理論及方法進(jìn)行了深入的研究探討。隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化和規(guī)模的擴(kuò)大，提高系統(tǒng)的安全運(yùn)行和動態(tài)穩(wěn)定性特別是暫態(tài)穩(wěn)定性已成為目前主要的研究課題。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)闡述了結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)非線性控制理論及其應(yīng)用，在全面論述該領(lǐng)域國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了作者近年來從事和參加的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等有關(guān)課題所取得的最新成果。    全書共9章。主要內(nèi)容包括：線性微分代數(shù)系統(tǒng)控制、可行性域、靈敏度及分岔等基本概念和定義；微分代數(shù)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)振蕩周期解的存在與唯一性；非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的幾何線性化問題及零動態(tài)設(shè)計(jì)原理和參數(shù)自適應(yīng)控制理論與方法；結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和參數(shù)自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)原理；結(jié)構(gòu)保持的交直流聯(lián)合輸電系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)方法；結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)的廣義Hamilton實(shí)現(xiàn)與控制原理和電力網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的魯棒控制方案設(shè)計(jì)原理。    本書可作為高等院校電氣工程專業(yè)、電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)的本科生、研究生和教師的教學(xué)參考書，也可供該領(lǐng)域的科研工作者、工程技術(shù)人員閱讀參考。

作者簡介

王杰　上海交通大學(xué)電氣工程系教授、博士生導(dǎo)師。1988—1991年在華北電力大學(xué)電力工程系攻讀碩士研究生；1995-l998年在東北大學(xué)自動控制系攻讀博士研究生；1999—2001年在上海交通大學(xué)電氣工程博士后流動站工作。l992年開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)定性分析；1999年開始從事結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制的研究，并提出了非線性微分代數(shù)控制理，論和結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)非線性控制新體系。著有《結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)控制理論與應(yīng)用》等書，在IEEE、IJC、EPES、EPSR、《中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)》等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表相關(guān)論文多篇。目前主要從事大型復(fù)雜電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制研究工作。

書籍目錄

序前言符號表第1章  緒論  1.1  電力系統(tǒng)非線性控制研究進(jìn)展  1.2  電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求和控制特點(diǎn)  1.3  非線性控制在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用第2章  預(yù)備知識  2.1  隱函數(shù)定理、微分流形、子流形及代數(shù)流形    2.1.1  隱函數(shù)定理    2.1.2  微分流形    2.1.3  代數(shù)流形  2.2  分岔、極限集和穩(wěn)定性    2.2.1  奇點(diǎn)分岔    2.2.2  Poincare分岔    2.2.3  Hamilton系統(tǒng)的擾動與弱Hilbert第16問題    2.2.4  流與極限集  2.3  線性微分代數(shù)系統(tǒng)的奇異性及分岔  2.4  微分代數(shù)系統(tǒng)的一些基本定義第3章  線性微分代數(shù)控制系統(tǒng)的基本概念  3.1  線性微分代數(shù)控制系統(tǒng)的能控性    3.1.1  線性定常微分代數(shù)連續(xù)系統(tǒng)能控性定義    3.1.2  線性定常微分代數(shù)控制系統(tǒng)能控性判據(jù)  3.2  線性微分代數(shù)控制系統(tǒng)的能觀測性    3.2.1  線性定常微分代數(shù)控制系統(tǒng)能觀測性定義    3.2.2  線性定常微分代數(shù)連續(xù)系統(tǒng)能觀性判據(jù)  3.3  線性微分代數(shù)控制系統(tǒng)的魯棒性第4章  微分代數(shù)系統(tǒng)的分岔與分類  4.1  可行域的基本概念和定義    4.1.1  線性微分代數(shù)系統(tǒng)可行域    4.1.2  非線性微分代數(shù)系統(tǒng)可行域  4.2  奇異性誘導(dǎo)分岔分析    4.2.1  奇異誘導(dǎo)分岔    4.2.2  鞍節(jié)點(diǎn)分岔    4.2.3  Hopf分岔    4.2.4  中心流形  4.3  微分代數(shù)系統(tǒng)分岔在電力系統(tǒng)中的物理意義  4.4  一般微分代數(shù)系統(tǒng)特征值的靈敏度  4.5  結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)的分岔定性分析    4.5.1  結(jié)構(gòu)保持多機(jī)系統(tǒng)平筏點(diǎn)結(jié)構(gòu)    4.5.2  一類多機(jī)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析  4.6  多機(jī)電力系統(tǒng)振蕩周期解的存在性    4.6.1  經(jīng)典多機(jī)系統(tǒng)振蕩周期解的存在性分析    4.6.2  結(jié)構(gòu)保持多機(jī)系統(tǒng)振蕩周期解的存在性分析第5章  非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的幾何線性化  5.1  微分代數(shù)系統(tǒng)解的存在唯一性  5.2  M導(dǎo)數(shù)、M括號、M對合性及M關(guān)系度    5.2.1  M導(dǎo)數(shù)與M括號    5.2.2  向量場集合的M對合性    5.2.3  微分代數(shù)系統(tǒng)的M關(guān)系度  5.3  線性化標(biāo)準(zhǔn)型    5.3.1  M關(guān)系度r    5.3.2  單輸入單輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)    5.3.3  多輸入多輸出非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)  5.4  零動態(tài)設(shè)計(jì)原理  5.5  參數(shù)自適應(yīng)控制理論與方法第6章  結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)的FACTS與勵磁控制  6.1  電力系統(tǒng)與非線性負(fù)荷模型    6.1.1  基本負(fù)荷特性的描述    6.1.2  同步發(fā)電機(jī)模型的建立    6.1.3  具有結(jié)構(gòu)保持的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述  6.2  結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)SVC與發(fā)電機(jī)勵磁協(xié)調(diào)控制    6.2.1  不含F(xiàn)ACTS裝置的一般結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)勵磁控制設(shè)計(jì)    6.2.2  提高多機(jī)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的勵磁與SVC協(xié)調(diào)控制    6.2.3  仿真實(shí)例研究  6.3  結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)參數(shù)自適應(yīng)控制    6.3.1  結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)參數(shù)自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)    6.3.2  仿真研究第7章  結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)的交直流系統(tǒng)非線性控制  7.1  AC/DC并聯(lián)系統(tǒng)的非線性微分代數(shù)系統(tǒng)模型  7.2  單機(jī)無窮大交直流并聯(lián)系統(tǒng)非線性控制設(shè)計(jì)    7.2.1  單機(jī)無窮大交直流并聯(lián)系統(tǒng)非線性控制器設(shè)計(jì)    7.2.2  單機(jī)無窮大交直流并聯(lián)系統(tǒng)仿真分析  7.3  多機(jī)電力系統(tǒng)交直流并聯(lián)系統(tǒng)非線性控制設(shè)計(jì)    7.3.1  兩機(jī)交直流并聯(lián)系統(tǒng)非線性控制器設(shè)計(jì)    7.3.2  兩機(jī)交直流并聯(lián)系統(tǒng)仿真分析  7.4  交直流聯(lián)合輸電系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)    7.4.1  基于交直流動態(tài)特性的控制模型    7.4.2  線性魯棒控制器設(shè)計(jì)    7.4.3  仿真結(jié)果分析  7.5  結(jié)構(gòu)保持的交直流聯(lián)合輸電系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)    7.5.1  交直流聯(lián)合輸電系統(tǒng)微分代數(shù)模型    7.5.2   AC/DC系統(tǒng)模型線性化與控制器設(shè)計(jì)    7.5.3  仿真結(jié)果分析第8章  結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)的廣義Hamilton實(shí)現(xiàn)與控制  8.1  電力系統(tǒng)的能量函數(shù)表示    8.1.1  發(fā)電機(jī)模型    8.1.2  能量函數(shù)  8.2  廣義Poisson括號與廣義Hamilton系統(tǒng)    8.2.1  辛結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)Hamilton系統(tǒng)    8.2.2  廣義Poisson括號    8.2.3  受控耗散Hamilton系統(tǒng)  8.3  微分代數(shù)系統(tǒng)的廣義Hamilton實(shí)現(xiàn)與控制    8.3.1  廣義Hamilton實(shí)現(xiàn)的概念及簡單性質(zhì)    8.3.2  微分代數(shù)系統(tǒng)的模型及性質(zhì)    8.3.3  微分代數(shù)系統(tǒng)的廣義Hamilton實(shí)現(xiàn)（一）    8.3.4  微分代數(shù)系統(tǒng)的廣義Hamilton實(shí)現(xiàn)（二）  8.4  控制律對系統(tǒng)漸近穩(wěn)定域的影響    8.4.1  漸近穩(wěn)定域的基本概念    8.4.2  控制策略對系統(tǒng)漸近穩(wěn)定域的影響    8.4.3  算例分析  8.5  不考慮轉(zhuǎn)移電導(dǎo)的結(jié)構(gòu)保持多機(jī)電力系統(tǒng)非線性勵磁控制器設(shè)計(jì)    8.5.1  電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持模型    8.5.2  廣義Hamilton實(shí)現(xiàn)（一）    8.5.3  廣義Hamilton實(shí)現(xiàn)（二）    8.5.4  仿真分析第9章  基于廣義Hamilton能量的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持多機(jī)電力系統(tǒng)魯棒控制  9.1  復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用    9.1.1  復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論概述    9.1.2  電力系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性  9.2  基于廣義Hamilton能量的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多機(jī)電力系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)    9.2.1  問題描述及基本性質(zhì)    9.2.2  不考慮網(wǎng)絡(luò)隨饑變化的多機(jī)電力系統(tǒng)非線性勵磁控制器的設(shè)計(jì)    9.2.3  考慮網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)變化的多機(jī)電力系統(tǒng)非線性勵磁控制器的設(shè)計(jì)  9.3  考慮自導(dǎo)納和互電納的結(jié)構(gòu)保持多機(jī)系統(tǒng)非線性勵磁控制器設(shè)計(jì)    9.3.1  系統(tǒng)模型的建立    9.3.2  構(gòu)造考慮自導(dǎo)納系統(tǒng)模型的Han~iiton能量函數(shù)    9.3.3  結(jié)構(gòu)保持多機(jī)系統(tǒng)的非線性勵磁控制器設(shè)計(jì)    9.3.4  仿真分析  9.4  基于廣義Hamilton能量理論的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持多機(jī)系統(tǒng)魯棒控制設(shè)計(jì)    9.4.1  問題描述及基本性質(zhì)    9.4.2  不考慮網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)變化的結(jié)構(gòu)保持電力系統(tǒng)非線性勵磁控制器的設(shè)計(jì)  9.5  廣義Hamilton能量理論的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持多機(jī)系統(tǒng)魯棒控制設(shè)計(jì)    9.5.1  隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型    9.5.2  考慮網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)變化的多機(jī)電力系統(tǒng)非線性勵磁控制器的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)附錄

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　1.1　電力系統(tǒng)非線性控制研究進(jìn)展　　在工程實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)控制系統(tǒng)都具有非線性特性，例如，隨動系統(tǒng)的齒輪傳動具有齒隙和干摩擦等，許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)都不可能無限制地增加其輸出功率，因此就存在飽和非線性特性，實(shí)際上非線性系統(tǒng)中的這種不完善性是不可避免的。有些非線性是系統(tǒng)動態(tài)特性本身所固有的，例如，高速運(yùn)動的機(jī)械手各關(guān)節(jié)之間有哥氏力的耦合，這種耦合是非線性的，要研究機(jī)械手調(diào)整運(yùn)動的控制就必須考慮非線性耦合因素；電力系統(tǒng)中傳輸功率與各發(fā)電機(jī)之間相角差的正弦成正比，如果要研究電力系統(tǒng)大范圍運(yùn)動時，就必須考慮非線性特性的影響；還有一類對象雖然本身是線性的，但為了對它進(jìn)行有效的控制，常常在控制系統(tǒng)中有意識地引進(jìn)非線性的控制規(guī)律，比如時間最短控制就要采用非線性Bang—Bang控制。非線性系統(tǒng)是自然界中最普遍的系統(tǒng)，而線性系統(tǒng)只是其中的特殊情況。由于非線性特性的復(fù)雜性，不可能有統(tǒng)一的普遍適用辦法。線性系統(tǒng)可以用線性常微分方程來描述，解線性常微分方程已有成熟的方法，因此，線性系統(tǒng)控制理論取得了很大的成就。然而非線性微分方程只有在個別情況下才有解析解，這給非線性控制系統(tǒng)的研究帶來很多意想不到的困難。

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