适用于次同步振荡分析的直驱风电场平衡降阶方法

直驱风电场(direct-drive wind farm,DDWF)并入弱交流系统存在发生次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)的风险。由于DDWF模型阶数较高,实际分析时须降阶处理。现有平衡降阶方法在分析SSO问题时,无法在降阶过程中精确保留系统SSO模式。针对此问题,文中提出一种适用于SSO分析的平衡降阶方法。该方法基于参与因子分析,保留与SSO模式强相关的状态变量,并结合Hankel奇异值确定降阶阶数,建立与全阶系统模型SSO特性和动态特性都一致的降阶系统模型。首先,对DDWF并入弱交流系统的全阶小信号模型进行平衡变换,建立平衡系统模型。然后,对平衡系统模型进行参与因子分析,结合Hankel奇异值确定保留状态变量集合,再利用残差降阶法建立降阶系统模型。最后,对全阶系统模型和降阶系统模型进行对比验证,结果表明所提降阶方法适用于DDWF并入弱交流系统SSO问题的研究。

基于平衡降阶模型的多机系统非线性励磁预测控制

将预测控制与模型降阶技术相结合提出一种基于平衡降阶模型的多机电力系统非线性励磁预测控制方法,以解决最优励磁控制和传统比例积分微分励磁控制无法考虑系统复杂状态和控制输入约束的问题,并且降低非线性励磁预测控制高阶动态模型数值计算的复杂性。首先,利用经验Gramians平衡降阶原理,对电力系统非线性动态模型进行降阶,以降低动态模型的维数。然后,建立基于降阶模型的励磁预测控制模型。以系统输入输出最小二乘残差向量为优化目标,以降阶动态模型作为等约束条件,以输出量、控制量的变化范围作为不等约束条件。利用内点法求解优化问题。最后,利用一个四机电力系统验证该预测控制方法的有效性,仿真结果表明:基于平衡降阶模型的多机电力系统非线性励磁预测控制器能够大大缩短优化计算时间,维持机端电压在定值附近,提高系统的稳定性。

非线性电力系统模型经验Gramian平衡降阶

为解决多机非线性动态电力系统模型应用中存在的计算复杂、维数高的问题,提出经验Gramian平衡降阶方法,即将高阶非线性电力系统动态模型投影到一个低维子空间以获得其降阶模型,且降阶模型能够保留原非线性系统输入输出动态行为。其实现过程:形成非线性电力系统动态模型,通过仿真样本和经验数据样本得到经验可控Gramian矩阵和经验可观Gramian矩阵;利用得到的Gramian矩阵,计算平衡变换矩阵T,从而得到原系统的平衡系统;获得平衡系统的经验可控Gramian矩阵和经验可观Gramian矩阵,并进行奇异值分解,得到Hankel奇异值;根据Hankel奇异值大小的分布确定低维子空间的维数,得到非线性电力系统的降阶模型。以某实际20机非线性电力系统模型为例进行降阶仿真,仿真结果表明,降阶系统模型在保留原系统稳定性和输入输出动态行为的前提下,其阶数由原系统的120阶降到50阶,验证了经验Gramian平衡降阶方法在非线性电力系统模型降阶中的有效性。

区间参数不确定性系统的平衡降阶

针对平衡降阶过程,研究了当不确定参数的区间半径很小时由原系统的不确定性求解降阶后系统不确定性的方法;通过正交变换获得实对称矩阵的特征对,在求解矩阵指数灵敏度和实对称矩阵特征对灵敏度的基础上,获得了平衡变换矩阵的灵敏度,进而利用一阶泰勒展开式和区间运算求得了降阶后的不确定性系统。算例中,对原不确定性系统和降阶后的不确定性系统分别施加相同的输入后,经对二者输出区间的比较验证了所提出方法的正确性。

地震作用下建筑结构基于平衡降阶的时滞离散H_∞控制

在状态空间下直接对结构振动的时滞微分方程进行离散,并引入适当的增广向量将之转化为不显含时滞项的标准离散形式,然后将该离散系统平衡降阶,大大降低了离散系统的维数。在此基础上采用离散的H∞全信息反馈控制理论完成了建筑结构减振控制器的设计,得到的控制器含有对当前和滞后控制量的线性组合,反映了时滞因素的影响,对大时滞情况亦有效。最后通过算例仿真与分析验证了该控制器的有效性,它在不牺牲控制效果的前提下,大大降低了控制器的维数。

经验Gramian平衡降阶在电力系统中的改进及应用

经验Gramian平衡降阶方法正逐步应用于电力系统的非线性控制设计。如何获得有效经验可观可控Gramian矩阵,是该方法应用的核心,对降阶效果有着很大影响。为进一步提升该方法的降阶效果,建立了电力系统非线性动态模型,分析了所研究问题与控制量选取及降阶对象之间的关系。考虑了电力系统状态量及控制量变化特点,提出了一种方案用于确定各状态量和控制量的扰动值,形成了包含丰富系统动态行为信息的经验可观可控Gramian矩阵。通过研究某实际电网验证该方案可行有效,研究表明相比原方法,所提方案在保证降阶误差上界的前提下,能够进一步有效减少模型阶数,其降阶效果得到明显提升。

建筑结构基于平衡降阶的时滞离散最优控制

在状态空间下直接对结构振动的时滞微分方程进行离散,并引入适当的增广向量将之转化为不显含时滞项的标准离散形式,然后将该离散系统进行平衡降阶,取前几个可控度大的状态组成优势子系统,大大降低了离散系统的维数。在此基础上采用离散时间最优控制理论完成了建筑结构减振控制器的设计,所得出的控制律表达式除了含有当前的状态反馈,还包含前若干步控制项的组合,反映了时滞因素的影响,对大时滞情况亦有效。最后通过数值算例验证了这种控制器的有效性,特别是在不牺牲控制效果的基础上,显著降低了控制器的阶数。

基于平衡降阶法的结构振动模态预测控制

针对高层建筑结构由于数学模型阶数较高而带来的难以直接进行控制器设计的问题,采用平衡降阶法对结构模型进行降阶,将可控度较大的几阶模态组装成状态方程;并对地震加速度进行在线预测,从而建立起考虑时滞现象的预测模型,通过滚动优化和反馈校正环节求取主动控制律,对结构实施预测控制。最后对十一层框架结构进行地震响应分析,仿真结果表明,该算法不但有效的抑止了结构的响应,而且很好的解决了时滞问题。

基于平衡降阶模型的电力系统多机励磁预测控制

介绍一种基于平衡降阶理论的电力系统多机励磁预测控制方法。为减少开环优化计算时间,利用平衡降阶理论对电力系统多机线性模型进行降阶,降低预测模型维数。以预测步长内系统输出和控制量的偏差最小为优化控制指标,以模型降阶微分方程、状态和输入为约束条件,利用改进内点法求解优化问题。从降低模型阶数和改进优化算法两方面降低计算复杂度,加快在线计算速度,适用于电力系统大规模励磁控制。对某50机系统进行仿真验证该方法的有效性,仿真结果表明:基于平衡降阶模型的励磁预测控制器可极大降低优化计算时间,提高系统的稳定性。

平衡特征正交分解及其在机翼气弹模型降阶中的应用

将平衡特征正交分解方法(Balanced Proper Orthogonal Decomposition,BPOD)应用于气弹控制系统降阶。该方法是平衡截断(balance truncation theory)与特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)的结合,能克服高阶系统为控制方法应用所带来的局限性。先给出BPOD方法的理论推导与降阶过程,后以三元大展弦比机翼的有限元模型为例进行仿真验证。仿真结果分析,BPOD方法可有效减少系统阶数,计算经济并保留输入输出关系,非常适用于气弹控制系统。

柔性梁内平衡模型降阶与主动控制的实验研究

内平衡降阶方法能够有效地解决柔性结构的模型降阶问题,尤其是对于频率密集结构.然而由于存在如何从物理传感器测量中提取内平衡模态坐标的问题,目前关于内平衡降阶方法的研究大多是在理论上进行探索,少有实验研究和工程应用报道.该文以柔性梁为对象,开展内平衡降阶方法的理论与实验研究,并且基于降阶模型进行主动控制的设计.文中介绍了一个基于DSPTMS320F2812芯片的实验系统,提出了一个从物理传感器测量中提取内平衡模态坐标的近似方法,并且通过仿真与实验验证了该方法的可行性和有效性,基于降阶模型的控制设计能够有效地抑制梁的弹性振动.

平衡空间到模态空间的反映射模型降阶方法

针对内平衡降阶方法物理意义不清晰,平衡坐标无法由传感器直接测量的问题,文章基于柔性航天器动力学模型,提出了通过反映射实现平衡空间到模态空间的模型降阶方法。利用状态空间线性变换传递函数和特征值的不变性,通过平衡降阶模型零极点传递函数获得了与原系统相对应的特征频率,给出了平衡降阶模型与原模态子空间的映射关系,成功构造了反映射矩阵。频率响应及可控可观性分析结果显示,模态子空间降阶模型能够准确找到与原模型相匹配的状态变量,物理意义清楚,便于控制系统使用。

压电柔性臂的ARMAX模型辨识降阶及最优极点移动控制

研究了压电柔性臂的系统模型辨识和振动主动抑制问题。基于自回归滑动平均模型(ARMAX,Auto-Regressive Moving Average Exogenous)确立了系统辨识模型,且其辨识精度高达97.9%,并采用平衡降阶法对高阶的辨识模型进行降阶,得到低阶模型,通过多频激励实验证实了降阶模型与实际结构具有较高的吻合度。针对柔性臂的振动控制,提出了一种基于线性二次型(Linear Quadratic,LQ)最优极点移动控制法,从求逆的角度,通过移动系统极点来确定LQ的最优状态加权矩阵Q,该方法简单有效地解决了状态加权矩阵Q和输入加权矩阵R的选择问题,具有明显的物理工程意义。试验结果证实了ARMAX模型对于压电柔性臂系统模型辨识的适用性及平衡降阶方法对模型降阶的可行性,并验证了线性二次型最优极点移动策略对柔性臂振动控制的有效性。

桁架系统的模型降阶及其主动控制研究

对桁架结构系统的模型降阶和主动控制进行了研究。系统模型采用有限元方法进行建模;模型降阶分别采用模态价值分析方法和内平衡降阶方法;控制设计采用最优控制方法。同时详细给出了模态价值分析方法和内平衡降阶方法的降阶过程,并将两者的结果进行了数值对比。仿真结果显示,两种降阶方法均能够有效地对桁架系统进行模型降阶,本文采用的最优控制律能够有效地抑制结构的振动。

挠性航天器非约束模态动力学模型的降阶研究

针对中心刚体-挠性附件的挠性航天器,应用拉格朗日方程推导出动力学模型,再利用模态展开法得到非约束模态动力学方程,然后分别基于模态价值分析准则和内平衡降阶准则的相关理论探讨模型降阶。通过模态价值分析准则能够显示出各阶模态占系统总价值的份额,保留贡献较多的模态组成降阶系统。内平衡降阶准则通过非奇异线性变换,将系统模型转换为内平衡系统,在内平衡系统内舍掉Gram矩阵对角线上较小的值所对应的模态以构成降阶系统。最后,利用数值仿真对中心刚体-单侧挠性梁航天器的非约束模态动力学模型进行模型降阶,通过两种准则对系统模型降阶数值计算,结果表明两种降阶准则均能够有效地对原系统进行模型降阶。

小区间参数不确定性高阶系统的振动控制研究

针对复杂高阶不确定性系统的鲁棒H_∞振动控制难题,基于小区间参数不确定性系统降阶方法的研究,系统地给出了包含降阶对象的构建、不确定性系统的降阶、鲁棒控制器的求解以及鲁棒性验证等在内的一整套研究策略和分析方法。为保障整个分析和求解过程的顺利进行,分析了高阶矩阵指数函数一阶偏导数求解困难的根源以及利用数值微分法的解决策略,并给出了一类维数较小的不确定性矩阵分解方法。最后通过算例表明了整个分析过程和求解方法的合理性和可行性。

密集频率柔性板的内平衡模型降阶及其主动控制

该文对密集频率柔性板的模型降阶和主动控制进行研究,其中动力学建模采用有限元方法,模型降阶采用内平衡降阶准则,控制设计采用最优控制方法。研究中将内平衡降阶方法和模态价值降阶方法进行了数值对比研究。仿真结果显示,内平衡模型降阶方法是一种有效的模型降阶方法,能够处理密频情况下的模型降阶问题。

基于物理降阶模型的桁架结构振动主动控制

该文针对大型挠性桁架结构的振动抑制问题,采用基于变形修正的物理降阶方法对大规模桁架精细有限元模型进行降阶,在此基础上设计线性二次高斯(LQG)最优控制律并完成初始脉冲力作用下的闭环系统仿真。通过与内平衡降阶方法的比较,说明基于物理降阶模型具有更高的计算效率。并且针对闭环数值仿真结果计算了以上两种不同降阶方法的控制效率,结果表明:在相同控制力的情况下,基于物理降阶模型设计的最优控制律对桁架结构的振动抑制效果更明显。

压电智能板结构的H_∞振动控制

研究了压电智能板结构的H∞振动控制问题。先采用4节点矩形弯曲薄板单元(含12个位移自由度,2个电自由度)的有限元模型,利用Ham ilton原理得到了智能板结构的运动微分方程,然后综合运用模态截断法、最小实现法和平衡降阶法,对压电智能板结构的系统状态方程进行了降阶处理,得到了可观可控且低阶的近似状态方程,针对该降阶后的系统,利用H∞控制理论求解出能抑制干扰的动态输出反馈控制器,并将该控制器作用到降阶处理前的原系统中,从而能实现原系统抗干扰的振动控制。最后,以智能悬臂薄板结构为例,讨论了降阶过程中出现的一些问题和结论,并求出了相应的动态输出反馈控制器。仿真结果表明,文中的方法可实现压电智能板结构对干扰的抑制。

海洋平台地震响应的H_∞控制

提出了将H∞控制及平衡降阶法应用于结构主动控制的新方法。该方法首先利用平衡降阶法对结构进行降阶,然后利用降阶模型构造出H∞控制器和H∞观测器对结构进行控制;同时结合复模态理论和虚拟激励法,给出了系统分析的有效途径。本文最后以海洋平台地震响应的ATMD主动控制为例,验证了本文方法的有效性。