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　　智能控制1前言隨著大功率機組的投產，國內外陸續發生多起軸系扭振造成機組嚴重損毀的重大事故。僅1969年至1988年間國內外扭振引起的軸系事故就達30多起尤其是1999年以來，我國發生了機組軸段多處斷裂的惡性事故。

　　大型汽輪發電機組軸系扭振的一個顯著特點就是機電耦合的扭振，因此網機扭振問題引起設計、制造、科研和運行各方面的高度重視。對網機扭振的預測和控制的研究不僅具有重大的理論意義，而且對于災變防治和經濟運行具有極大的工程應用價值。我國已將此類問題列為國家重點基礎研究發展規劃項目進行研究，本綜述就是開展此項研究工作的需要而提出的。

　　2機電擾動下的軸系扭振引起軸系扭振的電氣擾動包括電氣短路故障、自動重合閘、非同期并網、甩負荷及串聯電容補償、高壓直流輸電的調節環節和電力系統穩定器等不適當配置等機械方面的擾動有調速系統晃動、快控汽門等。機電擾動下的軸系扭振分為三種形式，即次同步共振（SSR）、超同步共振和振蕩扭矩沖擊性扭振2.1次同步共振誘發SSR的主要因素有串聯電容補償，直流輸電，加裝不當的電力系統穩定器，發電機勵磁系統，可控硅控制系統和電液調節系統的反饋作用等。國內外對其機理、分析方法、防止和抑制措施已進行了大量的研究，并取得一定的效果。下面就采用控制與調節手段抑制SSR加以介紹。

　　為提高輸電能力在電力系統中串聯電容補償是產生SSR的主要原因，國內外所做的大量研究主要是通過對勵磁系統的改進來抑制SSR的。1975年文獻首次使用勵磁系統抑制軸系扭振，提出的用發電機無功功率作為反饋信號的負阻尼穩定器（NDS）擴大了穩定區域。文獻用有功功率和無功功率作為NDS的輸入信號，得到了一個魯棒穩定系統。但此類控制器通常只能抑制很少幾種扭振模態。70年代提出的電力系統穩定器（PSS），最初是用來阻尼系統低頻振蕩的。文獻分析了PSS對扭振的阻尼作用及多參數反饋的線性勵磁控制的可行性，并提出用線性最優勵磁控制（LOEC）抑制多個不穩定扭振模態，在大范圍電容補償下，能有效地穩定易發生SSR的系統。文獻[ 6]提出用相鄰質量塊之間的扭角差作為反饋量，得到附加次最優勵磁控制器，分析表明系統的特征值明顯左移。但由于最優勵磁控制設計較復雜，反饋量不易測量，至今未付諸實施。文獻[ 7]提出了用模態控制理論設計PSS為發電機提供阻尼力矩，文獻[ 8]提出在靜態無功補償器和勵磁控制器中，用人工神經網絡（ANN）適應控制器增益來阻尼SSR ，時域仿真都證明了它們的有效性。

　　理論上，汽輪機的汽門調節也能抑制SSR，用于勵磁系統的各種控制理論技術亦可用于汽門調節，并可取得良好的抑制效果。

　　由于汽輪發電機組軸系與直熱能動力工程流聯合系統的相互作用，直流輸電的投運也成為誘發SSR的一種原因。高壓直流（HVDC）輸電中定電流或定功率控制系統的帶寬一般為10～30 Hz ，而汽輪發電機組低階扭振固有頻率通常又在這個頻率范圍內，因此高壓直流換流器就可能經定功率、電流、電壓和用于提高低頻振蕩穩定性的輔助功率控制回路激勵扭振模式。改進換流器的控制或給電流控制器增加一個輔助次同步阻尼控制可消除此問題。文獻[ 9]指出，由于HVDC是有源且快速可控，所以有可能利用HVDC的特性，采用適當的控制措施，使其成為抑制SSR的手段，并給HVDC設計了一個抑制SSR的附加控制器。

　　機組容量的擴大使轉子一階扭振頻率在10 Hz以下，高速伺服系統及快速勵磁系統足以對轉速中的扭振成分做出反應，導致調速系統和勵磁系統與扭振的相互作用而發生扭振。所以在設計控制系統時應充分考慮扭振的不利影響。文獻[ 10]分析了汽輪機調速系統與軸系扭振的相互作用，指出調速系統中影響扭振穩定的因素，并提出防止此類扭振的措施。

　　柔性交流輸電技術（FACTS）是用于控制交流輸電的新技術，使用良好的控制策略的FACTS器件可以抑制軸系扭振。其中的靜止無功補償（SVC）、次同步共振阻尼器（SSR Damper）和可控串聯補償（TCSC）都已投入運行，并能對SSR提供阻尼作用。但TC SC存在高次諧波，能否激發SSR尚在研究之中。

　　2.2超同步共振電網三相負荷不平衡，各種不對稱短路可引起超同步共振。

　　汽輪機葉片和大型發電機的風扇葉片對倍頻共振極為敏感，汽輪機長葉片在這種共振狀態下易斷裂飛脫，以致在軸系中產生很大的不平衡力，甚至造成嚴重事故。

　　目前防止和抑制超同步共振的對策有限制負序電流和軸系調頻，對其進行分析的適用模型和相關的控制策略的報道在國內外尚不多見。

　　2 .3振蕩扭矩沖擊性扭振瞬時性對稱與不對稱短路，自動重合閘，非同期并網，甩負荷，短時間快控汽門及線路開關切合操作等突發性擾動，將有可能產生短時間沖擊性扭矩，形成短時間沖擊性軸系扭振。其中以自動重合閘和非同期并網對軸系扭振的響應最為嚴重。目前抑制此種扭振的措施主要是限制其運行操作條件和優化判據。

　　2 .4軸系扭振的主動控制以上對軸系扭振的控制都屬被動控制，實際上，汽輪發電機組控制系統正常運行的控制要求與抑制軸系扭振的控制要求并不一致。文獻[ 11]提出了采用振動主動控制消除軸系扭振危害的技術措施。隨后又在國產200 MW汽輪發電機組轉子軸系扭振主動控制模擬試驗臺上進行了阻尼減振和主動控制減振等多項實驗研究，結果表明主動控制可以有效地抑制軸系扭振。振動主動控制為有源控制，能量由外界能源補充，具有適應性強，調整與修改較方便等優點但閉環控制系統的環節較多，各環節都可能失效，必須在保證可靠方面采取措施。

　　3軸系扭振的分析方法目前廣泛使用的軸系扭振分析方法有特征根法、掃頻法、復轉矩系數法和時域仿真法。文獻[ 12]介紹了這幾種分析方法，并比較了各自的優勢與不足。軸系扭振的分析方法日益豐富，文獻[ 13]將扭振的分析擴展到非線性區，并研究了扭轉動態的Hopf分岔現象，文獻[ 14]提出了用ANN分析扭振，這些研究都為控制系統的設計提供了有利條件。

　　4機械振動與軸系扭振長期以來對軸系扭振的研究都是以電力系統的擾動為主的，很少考慮汽輪機本身的振動問題。引起機械振動的因素中，屬強迫振動的振源有軸承座剛度不足，轉子質量不平衡，機組中心不正等屬自激振蕩的有油膜振蕩，渦動運動。汽輪發電機轉子的機械振動和扭轉振動是同時存在的，在傳統的系統分析中，通常將機械振動視為次要因素而被忽略。根據混沌動力學原理，簡單的非線性規則反復作用，也可能產生復雜的動力學行為，所以對汽輪發電機組軸系扭振的分析研究就需要綜合考慮各方面的相互作用。

　　5基于非線性科學的軸系扭振分析及控制5 .1汽輪發電機系統非線性動力學特性汽輪發電機組由機組軸系、汽輪機及調速系統、同步發電機、同步發電機勵磁調節系統及電網五部分組成。各子系統的動態特性十分復雜，尤其是同步發電機，包含電磁和機電兩方面的過渡特性調速系統和勵磁系統簡化后仍帶有非線性環節，快速勵磁系熱能動力工程2000年統的時間常數相對較小，故阻尼小，機電耦合系統易振蕩轉子上的柔性部件在動態上和轉子耦合在一起產生附加扭轉振型，而機組軸系具有撓性、大質量、大慣性等特點電網中串聯電容補償形成了RLC回路，易發生次同步電氣振蕩。同時各子系統之間存在相互作用，當系統受到擾動時，在機電耦合狀態下，可能發生一些不可預期的特性。這些都構成了汽輪發電機組軸系扭振的復雜非線性特性。

　　由于汽輪發電機組的復雜非線性及其運行條件的多變性，采用線性系統理論對其進行分析并抑制扭振是難以奏效的，這就促使我們必須尋求新的理論及控制方法來深刻分析并有效抑制軸系扭振。

　　5 .2軸系扭振的非線性科學分析及其智能控制根據熱力學原理，將與外界同時進行物質和能量交換的系統稱為開放系統。開放系統在遠離平衡狀態的條件下，與外界交換物質和能量的過程中可通過能量耗散和內部的非線性動力學機制，形成和維持宏觀的時空有序結構，稱之為耗散結構。普利高津提出的耗散結構論研究一個開放系統由混沌向有序轉化的機理、條件和規律。它指出，一個遠離平衡態的開放系統，當外界條件或系統的某個參數變化到一定的臨界值時，通過漲落發生突變，就有可能從原來的混沌無序狀態轉變為一種時間、空間或功能有序的新狀態。汽輪發電機系統在運行過程中，需不斷地交換能量，其中部分能量會因密封不嚴或系統振蕩而耗散。不確定干擾使系統偏離平衡態，在各種非線性因素相互作用下，可誘發控制系統出現正反饋，導致系統振蕩，進而形成軸系扭振，使系統進一步遠離平衡態，滿足耗散結構形成的條件。

　　通常混沌指一個確定的非線性系統，在一定的條件下，其狀態會呈現出類似隨機的復雜現象，其基本特征之一就是系統的狀態軌線對于初始條件的極端敏感性，混沌現象的發生是由系統自身非線性屬性所決定的。軸系發生扭振是從平衡態到不平衡態的演化。當扭矩平衡受到破壞時，系統的非線性進一步增強，發生分岔現象，非線性因素相互作用進一步加劇，最終可出現混沌現象。

　　一個復雜系統總的發展趨勢有三種基本形式：一是系統處于一種穩定結構二是系統發生振蕩或崩潰三是系統從一種穩態結構向另一種穩態結構演化。幾乎所有的穩定系統在一定條件下都可以轉化為不穩和振蕩，但可以通過改變控制系統的結構和參數來調整系統結構的穩定性。突變論就是以系統結構穩定性研究為基本出發點的，認為突變現象的本質是系統（或過程）從一種穩定結構（狀態）到另一種穩定結構（狀態）的躍遷。系統內部的隨機漲落是推動系統轉變的決定因素，漲落具有兩重性，利用其積極的一面，可使漲落導致有序，即由混沌無序狀態轉化為時空或功能有序的新狀態。對于汽輪發電機組軸系扭振而言，就是使其達到新的扭矩平衡。

　　智能控制系統本質上是復雜的非線性系統，智能控制器不僅可對復雜對象進行參數控制，而且可根據動態特性的需要而自適應地改變其控制結構。汽輪發電機組由多個子系統組成，彼此之間存在強烈的相互作用。協同學就是討論由許多子系統組成的系統在形成有序結構時的協同作用和支配原理的，根據協同學，可以智能協調控制機組各子系統的相互作用，使控制效果達到最好。

　　智能控制系統的本質非線性為控制復雜非線性系統提供了有效的途徑。近年來，人工神經元網絡和模糊控制已被廣泛地應用于電力系統，如暫態、動態穩定性分析，負荷預報及電力系統控制等，并取得了良好的效果。已經證明，三層前向神經網絡能以任意精度逼近任意非線性函數，并具有并行處理能力，強魯棒性，自組織自學習能力，及預測等能力。

　　模糊控制適于解決因過程本身的不確定性和不精確性帶來的困難，控制形式簡單易于實現。利用模糊控制和神經網絡控制對軸系扭振進行控制，可在保持系統穩定前提下避免扭振的發生，并進一步改善和提高系統的控制性能。

　　6展望隨著控制理論的發展和完善，許多新的控制理論與技術已應用于電力系統，并取得了良好的預期效果。其中一些先進的控制策略也可望用于抑制軸系扭振。

　　6 .1軸系扭振的微分幾何控制隨著非線性控制理論的發展，近代微分幾何理論被引入非線性控制。在我國學者的不懈努力下，非線性控制理論成功地應用于電力系統中的非線性勵磁控制，汽輪發電機組汽門開度非線性控制等，并已取得重要成果。

　　可以考慮應用微分幾何控制理論來研究抑制軸系扭振問題。但須指出，微分幾何控制理論在涉及系統可逆性質和在動態反饋下結構性質時呈現病態，且對參數攝動缺乏魯棒性。

　　6 .2軸系扭振的智能控制鑒于機電耦合系統的復雜非線性，以及智能控制理論分析處理非線性系統的有效性，我們提出采用智能控制理論及方法，對大型汽輪發電機組軸系扭振進行預測和控制。根據耗散結構論分析扭振的機理和規律，在此基礎上應用混沌力學理論研究扭振形成吸引子的性質，進而應用模糊邏輯、神經網絡、遺傳算法及粗糙集合等人工智能理論與技術研究一類智能控制規律抑制軸系扭振。當出現扭振先兆時進行科學準確地預測，并根據所獲得的特征變量的信息進行實時智能控制，以避免一振即失穩的劇烈振蕩，抑制導致失穩的發散性振蕩，加快收斂性振蕩的收斂速度。綜上所述，我們認為應用基于非線性科學的智能控制理論對軸系扭振進行預測和控制，是一種較好的新途徑。