0　引言
　　电力系统的稳定性是电力系统运行中的重要问题，提高与改善电力系统的稳定性对国民经济有十分重要的意义，所以世界各国对电力系统运行的稳定性、安全性极为重视，并围绕提高电力系统的稳定性开展了不懈的研究。
　　在我国，由于重型工业企业的不断发展和大型用电设备的不断增多，对电力系统形成越来越强烈的冲击负荷，严重影响电力系统的稳定性。因此如何改善冲击负荷对电力系统的影响，是众多学者所关注的问题。
　　早在40年代和50年代，有些学者就强调指出了同步发电机磁场的调节对提高电力系统稳定性的重要作用，此后励磁技术作为一种重要的电力系统的控制手段获得了很大的发展，并先后提出了励磁控制对于改善电力系统静态稳定^［1］、暂态稳定^［2］以及电压稳定^［3］的效果。本文提出利用大型发电机组的非线性最优励磁控制抑制电力系统冲击负荷的影响，并对此进行仿真研究。

1　非线性最优励磁控制的设计原理
　　由电力系统及其发电机的模型，可列写出具有快速励磁控制的单机无穷大输电系统状态方程为：
　　　　　　　　　(1)
式中　δ为发电机转子运行角；ω为转子电角速度；E_q′为q轴暂态电势；H为机械转动惯量；D为阻尼系数；x_d和x_d′分别为发电机同步电抗和瞬变电抗；V_f为发电机励磁电压；T_d0为发电机定子开路时励磁绕组时间常数；，为定子闭路时励磁绕组时间常数；P_m为发电机机械功率；P_e为发电机电磁功率。
　　P_e可以表示为：
　　　　　　　　　　　　　(2)
如果忽略瞬变凸极效应，即假定x_d′=x_q，则P_e可以表示为：
　　　　　　　　　　　　　　(3)
式中　I_q表示发电机定子电流的q轴分量。
　　由非线性励磁控制系统的微分几何设计方法^［1］，可以找到如下的坐标变换：
　　　　　　　　　　　　　(4)
和非线性控制：
　　　　　　　　　　　　(5)
　　将式(1)代表的发电机非线性励磁控制系统变换为完全可控的线性系统：
　　　　　　　　　　　　　　　(6)
其线性最优控制规律为：
　　　　　　　　　　　　　　V=-K₁z₁-K₂z₂-K₃z₃(7)
式中　K₁，K₂，K₃是最优反馈增益系数。
　　把式(7)代入式(5)，最后可得到发电机非线性励磁控制规律为：
　　　　　　　　　　　(8)
　　由文献［4］可知，多机非线性励磁控制规律与单机系统控制决策对于单机无穷大系统而言是完全等价的，其非线性最优励磁控制(nonlinear optimal excitation control，简称NOEC)规律为：
　　　　　　　　　(9)

2　计算机仿真研究结果
　　为了论证非线性最优励磁控制对冲击负荷的影响的改善，以及它对电力系统稳定性的提高，文中选用四川电网的实际数据进行了计算机仿真计算和比较研究。
　　四川电网是一个较独立运行的电网，其主网架为220 kV电压等级的环形网。另外，又有攀枝花地区的一个110 kV的小网，其中110 kV小网中包含26号、27号、28号、30号4个发电厂，通过212—210单回线路与220 kV主干网相联。四川电网接线示意图如图1所示。

图1　四川电网接线示意图
Fig.1　The hookup of Sichuan Power Network

　　由于在110 kV小网内的226母线处有攀枝花轧钢厂的冲击负荷，同时110 kV小网与220 kV主干网之间联系较薄弱，如果212—210线路发生故障而断开时，将会使110 kV小网与220 kV主干网失去联系，导致110 kV小网运行不稳定。30号等值发电机组由于受到226母线上的冲击负荷的影响，在多送出有功功率时会发生振荡，使攀枝花发电厂的3台100 MW机组只能发200 MW，造成110 kV小网“窝电”现象。
　　本文采用非线性最优励磁控制方式来解决四川电网110 kV小网中由于冲击负荷引起的稳定问题，同时增加110 kV小网向220 kV主干网输送的功率，提高212—210线路的动稳极限。在以下的仿真计算中，将非线性最优励磁控制器安装在30号等值发电机组上，与常规的PID励磁方式进行比较。计算中采用的软件是电力科学研究院的电力系统分析综合程序（PSASP），采用的数据由四川省电力调度局提供。
　　本文中主要考虑在226母线上冲击负荷对30号等值发电机组的影响，并校验30号等值发电机组在多送有功功率情况下的稳定情况。根据四川省电力调度局提供的数据，226母线上冲击负荷的情况见图2。

图2　冲击负荷图
Fig.2　Percussive load curve

　　图3～图6分别给出在冲击负荷下30号等值发电机组相对9号等值发电机组的功角曲线、212母线电压、226母线电压以及212—210线路的传送功率波形。从仿真计算的结果可以看出，在PID方式下的30号等值发电机组在发出250 MW时由于受到冲击负荷的影响而失去稳定，并导致212母线和226母线电压崩溃，从而使212—210线路不能正常传送有功功率，在此也显示出冲击负荷对电力系统的危害。而装有NOEC的30号等值发电机组在同样条件下仍然保持稳定，而且212母线和226母线电压迅速平息了振荡。这说明将30号等值发电机组加装NOEC后，不仅提高了110 kV小网的稳定性，而且可以把30号等值发电机组的输出功率提高到250 MW。

图3　30号等值发电机组相对9号等值发电机组
功角曲线
Fig.3　The angle curves between No 30 generator
units and No 9 generator units

图4　212母线电压
Fig.4　Voltage of No 212 bus

图5　226母线电压
Fig.5　Voltage of No 226 bus

图6　212-210线路有功曲线
Fig.6　The active power curves of 212-210 route

3　结论
　　非线性最优励磁控制将非线性控制理论领域中的新研究成果与电力系统动态学有机地、系统地结合起来，其根本目的是为了进一步提高和改善复杂电力系统运行的动态品质和在各种大小干扰下系统运行的稳定性，因此它对电力系统中的冲击负荷有较好的改善。从以上的仿真研究中可以看出：
　　a.非线性最优励磁控制能有效地解决冲击负荷对于110 kV小网中的30号等值发电机组的影响，能将30号等值发电机组的有功出力从200 MW提高到250 MW，提高了机组的利用率；
　　b.非线性最优励磁控制有效地提高了四川电网中110 kV小网的稳定水平和抗扰动能力，显著改善了系统的阻尼特性和电压稳定性，从而把212—210线路传送的有功功率从60 MW提高到110 MW，较好地解决了四川电网中的110 kV小网“窝电”的问题。
　　综上所述，非线性最优励磁控制可以显著改善冲击负荷对电力系统稳定性的影响，提高电网的抗扰动能力。因此，非线性最优励磁控制在我国电力系统中有着广阔的应用前景。