基于MATLAB的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的建模與仿真研究

1、碩士研究生學(xué)位論文X X 大 學(xué)論文題目(中文)：基于MATLAB的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的建模仿真論文題目(外文)：Modeling and Simulation of excitation system of synchronous generator based on MATLAB/simulink研 究 生 姓 名：XXXX學(xué) 科、 專 業(yè)：電氣工程研 究 方 向： 導(dǎo)師姓名職稱：論文答辯日期 年 月 日學(xué)位授予日期 年 月 日摘 要近些年來,電力系統(tǒng)發(fā)展迅速,基本形成了高電壓、大機(jī)組、超遠(yuǎn)距離輸送的模式。因此,保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行成為了研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系

2、統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心。經(jīng)過長(zhǎng)年的研究證明,實(shí)現(xiàn)對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的合理有效控制,是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求的最快捷、最有效、最廉價(jià)的方法。傳統(tǒng)PID控制需要線性的精確模型,無法實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性對(duì)象的有效控制,不能及時(shí)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中被控對(duì)象發(fā)生的改變,對(duì)于目前以至未來電力系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn),難以實(shí)現(xiàn)有效控制。模糊控制是一種智能控制方法,它不需要精確的數(shù)學(xué)模型,魯棒性強(qiáng),同時(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便,易于實(shí)現(xiàn)。本文從同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)原理入手,在深入學(xué)習(xí)PID控制與模糊控制理論之后,將兩者結(jié)合起來,提出了基于模糊PID同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略。詳細(xì)闡述了該模糊PID勵(lì)磁控制器的設(shè)計(jì)過程,實(shí)現(xiàn)了針對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)

3、磁控制這一非線性系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線控制。選取了多組參數(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器進(jìn)行仿真,與常規(guī)PID控制效果進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的基于模糊PID的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制效果良好,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性相對(duì)于傳統(tǒng)PID勵(lì)磁控制都得到改善,能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的改變做出及時(shí)合理的調(diào)整,響應(yīng)速度快,超調(diào)量小,調(diào)整時(shí)間短,使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)和抗干擾能力,控制效果明顯提高；對(duì)于傳統(tǒng)PID控制無法解決的非線性問題,模糊PID控制依然有良好的控制效果,體現(xiàn)出解決非線性控制問題的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵字：同步發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁控制系統(tǒng)；MATLAB建模；PID控制；模糊控制AbstractIn recent years,

4、the power system is developing fast. Basically formed a high-voltage, lager units, ultra-long-range transport model. Therefore, safely, stable and running efficiently to become the research focus and difficult about the power system. Synchronous generator excitation control system is the core of the

5、 control system of synchronous generator. Through many years research have proved that, to achieve reasonable and effective control of synchronous generator excitation is to achieve power system stable operation of the requirements of the quickest, most effective and cheapest way.Traditional PID con

6、trol needs an accurate model of the linear. It can not achieve ffective control of the nonlinear object. And it can not respond promptly to the status change when the system running. To the present and future characteristics of the development of the power system, it is difficult to achieve effectiv

7、e control.Fuzzy control is an intelligent control method. It is not require a precise mathematical model, robustness, while the design is simple and convenient. Also, it is easy to implement.In this passage, it is starting from the synchronous generator excitation control system theory. After depth

8、learning PID control and fuzzy control theory, proposed a synchronous generator excitation control strategy based on fuzzy PID, which combining the two. And then, elaborate the design process that based on the fuzzy PID excitation control. It is achieve the real-time online control of nonlinear syst

9、em. Selected some sets of parameters to simulate the excitation controller which designed with conventional PID control effect. Experimental results show that the synchronous generator excitation control based on the fuzzy PID has a good effect. The dynamic characteristics and static characteristics

10、 of the system compared to the conventional PID excitation control have improved. To the changing of the system can make timely and reasonable adjustment, fast response, small overshoot, short adjustment. So that the system has strong adapted ability and anti-jamming capability, control has improved

11、 obviously. Fuzzy PID control for nonlinear problems that the traditional PID control can not be solved, still have good control effect, reflecting the advantage to solve nonlinear control problems.Key words: Power system stability; Nonlinear system; Excitation control; PID control;Fuzzy control目 錄1

12、 緒論41.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.2 未來走向72 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的作用及分類82.1 勵(lì)磁系統(tǒng)作用82.1.1 維持電壓水平82.2 勵(lì)磁系統(tǒng)分類92.2.2 他勵(lì)旋轉(zhuǎn)硅整流器勵(lì)磁方式(無刷勵(lì)磁系統(tǒng))103 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模123.1 發(fā)電機(jī)模型和勵(lì)磁系統(tǒng)123.2 主勵(lì)磁系統(tǒng)(勵(lì)磁電源)的數(shù)學(xué)模型123.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)數(shù)學(xué)模型154 同步發(fā)電機(jī)模糊PID勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)194.1常規(guī)PID控制器原理與設(shè)計(jì)204.1.1 PID控制原理204.2 基于模糊PID控制器的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)225 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析235.1 Simulink環(huán)境下的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制

13、建模235.2模糊控制器設(shè)計(jì)275.2.1模糊拉制器的組成原理275.2.2參數(shù)整定原則275.2.3 仿真實(shí)驗(yàn)285.2.4發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)突變情況的仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析296 總結(jié)與展望346.1本文總結(jié)346.2進(jìn)一步工作的展望351 緒論1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)70年代美國電力科學(xué)院(EPRI)就已提出用在線測(cè)試技術(shù)測(cè)試電機(jī)參數(shù)，并強(qiáng)調(diào)電機(jī)參數(shù)與運(yùn)行方式密切相關(guān)，其后Demello、Dandero、Bollinger、UTA和GE公司先后對(duì)四大參數(shù)(指發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、原動(dòng)機(jī)和調(diào)速器、負(fù)荷模型的有關(guān)參數(shù))開展工作。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面，日本的日立公司和關(guān)西電力公司于1981年對(duì)全套發(fā)電機(jī)

14、組參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，IEEE所屬電力系統(tǒng)各分委會(huì)自1972年起相繼發(fā)表了有關(guān)勵(lì)磁系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)及調(diào)速器和負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型。在四類參數(shù)測(cè)試中，勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試工作研究較多，現(xiàn)已形成了一套成熟的技術(shù)。在國內(nèi)，清華大學(xué)電機(jī)系較早開展辨識(shí)技術(shù)的研究和應(yīng)用H1，取得了可喜成果。上世紀(jì)90年代以來，東北、華北、西南等地區(qū)的電力試驗(yàn)研究院和電力公司都做過勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)的工作陽1，用的方法主要是時(shí)域法和頻域法。在勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)方面，國外進(jìn)行了許多工作，1975年M。J。Gibbard等人提出了時(shí)域和頻域的測(cè)量方法兒"陽1。時(shí)域辨識(shí)法首先做階躍響應(yīng)試驗(yàn)，以便對(duì)系統(tǒng)特性有初步的了解，然

15、后向被測(cè)的勵(lì)磁系統(tǒng)注入PRBS(二位式偽隨機(jī)信號(hào))，利用模擬乘法器和積分器完成數(shù)據(jù)處理計(jì)算，求出系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，由于條件的限制，這種方法的計(jì)算速度慢，精度不高。頻域辨識(shí)法采用FRA(頻率響應(yīng)分析儀)，用不同頻率的小正弦信號(hào)做輸入，逐點(diǎn)測(cè)試，做出系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線，進(jìn)一步擬合出參數(shù)。采用這種在離散頻率下進(jìn)行量測(cè)的頻率響應(yīng)分析儀，一方面在信號(hào)頻率和大小的選擇方面必須小心，特別是在系統(tǒng)諧振頻率附近。在接近發(fā)電機(jī)系統(tǒng)低頻振蕩頻率(約0。22Hz)時(shí)，需要十分小心。一般沒有專門的保護(hù)措施，試驗(yàn)很難將頻率引向高于7Hz處。另一方面，由于離散化逐點(diǎn)測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行影響大，卻很難保證測(cè)

16、量的同時(shí)性，試驗(yàn)的精度難以很好地保證。在發(fā)電機(jī)參數(shù)估計(jì)方面，1979年余耀南教授提出了一種基于最小二乘法判據(jù)的發(fā)電機(jī)參數(shù)估計(jì)方法，以后又有人進(jìn)一步研究了發(fā)電機(jī)參數(shù)的估計(jì)方法。1982年K。E。Bollinger等人提出用FFT(快速傅立葉變換)辨識(shí)法測(cè)試勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)的方法1，采用的儀器是FRA03(頻率響應(yīng)分析儀，實(shí)質(zhì)上是一種FFT分析儀)，輸入信號(hào)采用PRBS碼，整個(gè)頻譜上的響應(yīng)是同時(shí)獲得的，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)小，由于隨機(jī)頻率的干擾，輸入信號(hào)和系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的可能性很小。該方法的測(cè)試對(duì)象是勵(lì)磁系統(tǒng)的簡(jiǎn)單支路。它每次只測(cè)某一單個(gè)環(huán)節(jié)(按一階慣性環(huán)節(jié)等效)的頻率特性，從Bode圖進(jìn)行作圖分

17、析，手工計(jì)算得到參數(shù)。這種方法需要作進(jìn)一步改進(jìn)，因?yàn)椋翰捎米鲌D法不能保證一定的精度，且待測(cè)系統(tǒng)的階數(shù)增高時(shí)，無法用作圖法求解。該方法逐漸測(cè)試求出每一單個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，因此要求出整個(gè)系統(tǒng)的全部參數(shù)，測(cè)試時(shí)間仍然不能縮短。該方法在比較簡(jiǎn)單的勵(lì)磁系統(tǒng)和采用簡(jiǎn)單的控制模型時(shí)才是可行的。因?yàn)檫@種系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)之間相互反饋很少，所測(cè)信號(hào)能夠引出，但對(duì)于復(fù)雜的勵(lì)磁控制系統(tǒng)和采用比較完善的控制數(shù)學(xué)模型時(shí)，特別是電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，模型中許多物理量，在實(shí)際中很難測(cè)量，也找不到對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，即該方法不能適應(yīng)于高階系統(tǒng)。在參數(shù)測(cè)試方面主要存在的問題有：如何在不降低精度的條件下，利用現(xiàn)場(chǎng)容易量測(cè)的量測(cè)出所需的頻率響應(yīng)。如何解

18、決人工作圖擬合參數(shù)，誤差大，高階無法求解參數(shù)的問題。如何采用軟件擬合技術(shù)盡量減少測(cè)量量，縮短試驗(yàn)時(shí)間，保證精度，適合于高階系統(tǒng)。如何找到一種有效的方法消除測(cè)量所用設(shè)備(如低通濾波器，電壓變換器等)對(duì)結(jié)果的影響，提高測(cè)量精度。總之，該方法要成為簡(jiǎn)單可行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，必須縮短試驗(yàn)時(shí)間，保證結(jié)果的精度，能適用于高階系統(tǒng)。在求取參數(shù)的方法和數(shù)據(jù)濾波、去除干擾方面作了改進(jìn)，不同程度上提高了頻域辨識(shí)法的效率。由于頻域辨識(shí)方法的改進(jìn)、試驗(yàn)設(shè)備性能的提高，頻域辨識(shí)技術(shù)在勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)中已得到工業(yè)應(yīng)用。頻域法應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)，通過快速傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理，得到系統(tǒng)頻域響應(yīng)，再利用擬合技術(shù)求

19、取勵(lì)磁系統(tǒng)的模型參數(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是輸入為偽隨機(jī)信號(hào)，不影響機(jī)組正常發(fā)電，測(cè)試方法實(shí)用，可以直接求得傳遞函數(shù)系數(shù)。時(shí)域辨識(shí)法按模型分類，可分為兩類。第一類是非參數(shù)型辨識(shí)法：首先獲得待測(cè)系統(tǒng)的非參數(shù)特性模型，即脈沖響應(yīng)或階躍響應(yīng)，再用動(dòng)態(tài)擬合技術(shù)，求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。第二類是參數(shù)辨識(shí)法：以系統(tǒng)的微分方程為研究對(duì)象，對(duì)微分方程的等式兩邊進(jìn)行積分、濾波及正交變換等處理，直接求得微分方程的各階系數(shù)，或者用狀態(tài)空間模型，以具體參數(shù)為估計(jì)對(duì)象，通過最小二乘法直接得到具有物理意義的特性參數(shù)。在文獻(xiàn)先后都應(yīng)用了時(shí)域辨識(shí)法進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)。從這兩種辨識(shí)方法的操作過程來看，參數(shù)辨識(shí)法更簡(jiǎn)便，故在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)

20、辨識(shí)中應(yīng)用較多。國內(nèi)1993年提出的頻率響應(yīng)擬合法(FFTLSE)在之后的現(xiàn)場(chǎng)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)中得到廣泛的應(yīng)用。FFTLSE法應(yīng)用了信號(hào)處理技術(shù)，通過FFT變換將系統(tǒng)輸入輸出時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，經(jīng)噪聲濾波，獲得非參數(shù)的結(jié)果，即獲得系統(tǒng)的幅頻特性、相頻特性，通過LSE方法擬合，最后獲得估計(jì)的參數(shù)。隨著電力系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)的發(fā)展，各種智能辨識(shí)法也越來越多的應(yīng)用于勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)。文獻(xiàn)提出了一種基于遺傳算法的勵(lì)磁系統(tǒng)辨識(shí)方法，通過建立待辨識(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)模型，以勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)際輸入作為模型的輸入，以實(shí)際勵(lì)磁系統(tǒng)和模型的輸出誤差最小作為目標(biāo)，利用遺傳算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終得到滿足誤

21、差要求的勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于解決了目前電力系統(tǒng)中常用的辨識(shí)方法無法對(duì)非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行有效辨識(shí)的問題，且根據(jù)輸入輸出采樣直接在時(shí)域上進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，能直接得到傳遞函數(shù)框圖環(huán)節(jié)參數(shù)，無需轉(zhuǎn)換。1.2 未來走向關(guān)于同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制，還有一些關(guān)鍵的問題迄今沒有得到很好地解決，它們是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)所在。1)多機(jī)系統(tǒng)中的“強(qiáng)”非線性問題，即考慮控制限幅、飽和、切換以及各種實(shí)際約束(如端電壓約束)條件下的控制系統(tǒng)綜合和分析問題?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)非線性勵(lì)磁控制所針對(duì)的只是常規(guī)非線性(或稱為光滑可逆非線性)問題，而對(duì)工程實(shí)際中廣泛存在的強(qiáng)非線性“視而不見”，或者只是做事后的定性校驗(yàn)；針對(duì)單機(jī)無窮大電力系

22、統(tǒng)提出了一種考慮輸入限幅和機(jī)組端電壓約束的分段LQ勵(lì)磁控制策略，而對(duì)于一般情況的多機(jī)電力系統(tǒng)尚需要進(jìn)行更深入的研究。2)將針對(duì)大型電力系統(tǒng)任意信息模式下的協(xié)調(diào)控制理論和針對(duì)小型孤立系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來，解決大系統(tǒng)下考慮參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定性的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制問題。3)多目標(biāo)協(xié)調(diào)問題。由于控制手段增多，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)和能力各異，因此有必要從整體出發(fā)，規(guī)劃不同控制手段之間的協(xié)調(diào)工作方式，以解決電力系統(tǒng)的多目標(biāo)控制問題。4)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制問題。目前的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)大多僅停留在離線規(guī)劃水平，較少考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜?duì)協(xié)調(diào)控制策略的要求，進(jìn)一步的研究應(yīng)該考慮控制器之間的在線動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問題

23、。5)電力工業(yè)市場(chǎng)化運(yùn)行機(jī)制對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制、包括機(jī)組勵(lì)磁控制的新要求。6)基于GPS的多機(jī)系統(tǒng)勵(lì)磁優(yōu)化協(xié)調(diào)控制的研究。在對(duì)勵(lì)磁控制進(jìn)一步探索的過程中，研究工作者應(yīng)本著實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，既從理論自身的發(fā)展規(guī)律出發(fā)，又要結(jié)合工程實(shí)際需要，腳踏實(shí)地地解決問題，并注意避免以下幾個(gè)誤區(qū):1)“削足適履”。不從實(shí)際出發(fā)，為了套用某種“新”的控制方法，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行與現(xiàn)實(shí)情況不符的假設(shè)和簡(jiǎn)化，從而得出不合理的結(jié)論。2)“拘泥細(xì)節(jié)”。沒有抓住問題的主要方面，沉溺于細(xì)枝末節(jié)的研究。一個(gè)很明顯的例子是，在研究勵(lì)磁控制提高系統(tǒng)阻尼特性時(shí)，很多學(xué)者過份追求“擺幾擺”的問題。3)“以偏概全”。在比較不同控制方法的

24、效果時(shí)，應(yīng)做到公正客觀，全面分析其利與弊，不要以偏概全，攻其一點(diǎn)，不及其余，對(duì)自己研究的方法的優(yōu)點(diǎn)也不要故意夸大，只有實(shí)事求是才能把我們的研究推向新的高度?？傊桨l(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制研究已經(jīng)取得了很大的成績(jī)，但一些最初的難題還沒有得到滿意的解決，而電力系統(tǒng)的大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)、市場(chǎng)化運(yùn)作等又對(duì)此提出了新的挑戰(zhàn)。了解勵(lì)磁控制對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的作用是解決問題的出發(fā)點(diǎn)，已有的理論和實(shí)踐成果是進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)，而只有建立共識(shí)、腳踏實(shí)地才能集廣大科研工作者之合力，解決當(dāng)前在該課題上的一些關(guān)鍵難題，推動(dòng)其發(fā)展。2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的作用及分類2.1 勵(lì)磁系統(tǒng)作用 2.1.1 維持電壓水平維持發(fā)電機(jī)或其他控制點(diǎn)(例

25、如發(fā)電廠高壓側(cè)母線)的電壓在給定水平 維持電壓水平是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要的任務(wù)，有以下 3 個(gè)主要原因： 第一，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的安全。電力系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備都有其額定運(yùn)行電壓和高運(yùn)行電壓。保持發(fā)電機(jī)端電壓在容許水平上，是保證發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的基本條件之一，這就要求發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)不但能夠在靜態(tài)下，而且能在大擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)下保證發(fā)電機(jī)電壓在給定的容許水平上。發(fā)電機(jī)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，大型同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓不得高于額定值的 110。 第二，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。發(fā)電機(jī)在額定值附近運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)的。如果發(fā)電機(jī)電壓下降，則輸出相同的功率所需的定子電流將增加，從而使損耗增加。規(guī)程規(guī)定大型發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓

26、不得低于額定值的 90；當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于 95時(shí)，發(fā)電機(jī)應(yīng)限負(fù)荷運(yùn)行。其他電力設(shè)備也有此問題。 第三，提高維持發(fā)電機(jī)電壓能力的要求和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求在許多方面是一致的。勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的改善，都有顯著的作用，而且是為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而有效的措施。 2.1.2 無功合理分配控制并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組無功功率合理分配并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組無功功率合理分配與發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)差率有關(guān)。發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)差率有三種調(diào)差特性：無調(diào)差、負(fù)調(diào)差和正調(diào)差。兩臺(tái)或多臺(tái)有差調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，按調(diào)差率大小分配無功功率。調(diào)差率小的分配的無功多，調(diào)差率大的分配到的無功少。 如果發(fā)電機(jī)變壓器單元在高壓側(cè)并聯(lián)，因?yàn)?/p>

27、變壓器有較大的電抗，如果采用無差特性，經(jīng)變壓器到高壓側(cè)后，該單元就成了有差調(diào)節(jié)了。若變壓器電抗較大，為使高壓母線電壓穩(wěn)定，就要使高壓母線上的調(diào)差率不至太大，這時(shí)發(fā)電機(jī)可采用負(fù)調(diào)差特性，其作用是部分補(bǔ)償無功電流在主變壓器上形成的電壓降落，這也稱為負(fù)荷補(bǔ)償。調(diào)差特性由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器中附加的調(diào)差環(huán)節(jié)整定。與大系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的機(jī)組，調(diào)差率 Ku 在 (3%10%)之間調(diào)整。 2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)分類同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)種類很多，目前在電力系統(tǒng)中廣泛使用的有以下幾種類型。2.2.1 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)當(dāng)前，交流勵(lì)磁系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機(jī)組比較主要的勵(lì)磁方式。交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)根據(jù)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式不同，可分為它勵(lì)和自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)

28、系統(tǒng)。交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)若按整流是靜止或是旋轉(zhuǎn)、以及交流勵(lì)磁機(jī)是磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)或電樞旋轉(zhuǎn)的不同，又可分為下列四種勵(lì)磁方式：（a） 交流勵(lì)磁機(jī)加靜止硅整流器；（b） 交流勵(lì)磁機(jī)加靜止可控硅；（c） 交流勵(lì)磁機(jī)加旋轉(zhuǎn)硅整流器；（d） 交流勵(lì)磁機(jī)加旋轉(zhuǎn)可控硅；交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)的具體接線方式很多，下面給出幾種典型的接線方式。它勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)（三機(jī)它勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)）交流主勵(lì)磁機(jī)（ACL）和交流副勵(lì)磁機(jī)（ACFL）都與發(fā)電機(jī)同軸。副勵(lì)磁機(jī)是自勵(lì)式的，其磁場(chǎng)繞組由副勵(lì)磁機(jī)機(jī)端電壓經(jīng)整流后供電。也有用永磁發(fā)電機(jī)作副勵(lì)磁機(jī)的，亦稱三機(jī)它勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)沒有副勵(lì)磁機(jī)。交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電源是從該機(jī)的出口電壓直接獲得

29、，其原理見圖。交流主勵(lì)磁機(jī)經(jīng)過可控硅整流裝置向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路提供勵(lì)磁電流；自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制可控硅的觸發(fā)角，調(diào)整其輸出電流。其原理見圖，亦稱為兩機(jī)它勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。圖2.1 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理一（三機(jī)它勵(lì)）勵(lì)磁系統(tǒng)沒有副勵(lì)磁機(jī)，交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電源由發(fā)電機(jī)出口電壓經(jīng)勵(lì)磁變壓器后獲得，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制可控硅磚觸發(fā)角，以調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，交流勵(lì)磁機(jī)輸出電壓經(jīng)硅二極管整流后接至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，亦稱為兩機(jī)一變勵(lì)磁系統(tǒng)，其原理圖見圖。2.2.2 他勵(lì)旋轉(zhuǎn)硅整流器勵(lì)磁方式(無刷勵(lì)磁系統(tǒng))他勵(lì)旋轉(zhuǎn)硅整流器勵(lì)磁方式，由于主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不用滑環(huán)和炭刷的突出優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)用于大型發(fā)電機(jī)組上。他勵(lì)旋轉(zhuǎn)硅整流器勵(lì)磁

30、方式的工作原理和運(yùn)行性能與他勵(lì)靜止硅整流器勵(lì)磁方式相似，只不過勵(lì)磁主回路的硅整流二極管是與交流勵(lì)磁機(jī)電樞和主機(jī)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)的，勵(lì)磁電流不需要經(jīng)過炭刷及滑環(huán)引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。因此這種勵(lì)磁系統(tǒng)又稱為旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)，或稱無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。主回路原理圖中虛線框內(nèi)為旋轉(zhuǎn)部份。交流勵(lì)磁機(jī) JL 是一臺(tái)電樞旋轉(zhuǎn)式交流發(fā)電機(jī)，其感應(yīng)電勢(shì)一般為三相正弦波。國外有的制造廠也有把電勢(shì)設(shè)計(jì)為多相矩形波或梯形波的，這對(duì)整流有利，而且可使每相繞組所接的二極管并聯(lián)支路數(shù)減少。為了減少勵(lì)磁調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，交流勵(lì)磁機(jī)的頻率一般作成 150HZ或 200HZ。交流勵(lì)磁機(jī)的輸出，經(jīng)快速熔斷器 KPD 接到硅二極管整流橋，經(jīng)整流

31、后直接通到主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中去，取消了滑環(huán)及炭刷。旋轉(zhuǎn)二極管組成三相橋式整流電路，一般分成兩組，分別安裝在兩個(gè)同軸旋轉(zhuǎn)的與軸絕緣的金屬圓盤上（稱為散熱盤）。一組為陰極型硅二極管，陰極固定在同一個(gè)散熱盤上，稱為共陰極組；另一組用陽極型硅二極管，其陽極固定在另一個(gè)散熱盤上，稱為共陽極組。每臂的硅二極管可以串聯(lián)和并聯(lián)。硅二極管的并聯(lián)個(gè)數(shù)，應(yīng)根據(jù)額定勵(lì)磁電流，再加上 20%的裕度，還要考慮 15%左右的電流不平衡來選擇，以保證當(dāng)一個(gè)并聯(lián)支路的快速熔斷器燒斷后，仍能維持發(fā)電機(jī)額定出力運(yùn)行。此外，對(duì)于短時(shí)的強(qiáng)勵(lì)電流以及發(fā)電機(jī)突然短路產(chǎn)生的過電流，也應(yīng)加以考慮。硅二極管的串聯(lián)個(gè)數(shù)，應(yīng)根據(jù)惡劣條件下產(chǎn)生的

32、反向電壓的數(shù)值來選擇。圖2.2 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理二圖2.3 交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)接線原理圖（兩機(jī)一變）圖2.3 無刷勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)原理接線圖3 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)建模3.1 發(fā)電機(jī)模型和勵(lì)磁系統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中物理過程最復(fù)雜的的元件，既有機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程又有電磁暫態(tài)過程，并且包含變量眾多。因此只能是根據(jù)某種目的，按照某種要求來建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，這里要建立的是分析發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)所用的傳遞函數(shù)，故發(fā)電機(jī)的近似傳遞函。數(shù)為：發(fā)電機(jī)的輸出變量Ut為機(jī)端電壓，輸入變量Uf，是施加在轉(zhuǎn)子繞組上的勵(lì)磁電壓，這些變量常用其標(biāo)么值表示。3.2 主勵(lì)磁系統(tǒng)(勵(lì)磁電源)的數(shù)學(xué)模型近年來，隨著發(fā)電機(jī)容量的不斷增大

33、，直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)已逐漸被其它勵(lì)磁方式所代替，雖然運(yùn)行中的同步發(fā)電機(jī)有些還裝有這類勵(lì)磁機(jī)，但其容量較小對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定幾乎沒有什么影響，所以這里僅介紹交流勵(lì)磁機(jī)和靜止勵(lì)磁電源的數(shù)學(xué)模型。圖3.1 交流勵(lì)磁機(jī)的結(jié)構(gòu)組成(1)交流勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型交流勵(lì)磁機(jī)處于帶整流負(fù)荷的特殊運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，它的數(shù)學(xué)模型應(yīng)當(dāng)包括交流勵(lì)磁機(jī)和功率整流器兩部分。在我國，除個(gè)別情況外，絕大多數(shù)交流勵(lì)磁機(jī)均為它勵(lì)發(fā)電機(jī)，因此可以用同步發(fā)電機(jī)模型來描述，由于勵(lì)磁機(jī)的負(fù)載接近于恒定，因此它的負(fù)載電流(即整流后送到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電流)產(chǎn)生的電樞反映對(duì)于勵(lì)磁機(jī)端電壓以的影響，不必像同步發(fā)電機(jī)那樣精確的描述，而是近似的用常數(shù)代替即可。因此

34、，交流勵(lì)磁機(jī)的傳遞函數(shù)框圖如圖所示。圖3.2 交流勵(lì)磁機(jī)的傳遞函數(shù)圖其中：SE一飽和系數(shù)UR一勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出電壓KD一反映勵(lì)磁機(jī)負(fù)載電流去磁作用的系數(shù)Ue一不可控三相全波整流橋的輸出電壓TE一勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組空載時(shí)間常數(shù)IFD一發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流KE一自勵(lì)系數(shù)對(duì)于送到發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電壓Uf的影響，除勵(lì)磁機(jī)的電樞反應(yīng)外，還與整流器的換相壓降有關(guān)，所以必須與功率整流器連接后才能看清楚。所謂換相壓降是指換流過程中的電流變化在電感上引起電壓降落，使輸出電壓波形增加缺口，導(dǎo)致輸出電壓平均值減少。交流勵(lì)磁機(jī)所用的功率整流器為三相橋式可控或不可控整流器，下圖給出不可控整流器的數(shù)學(xué)模型。圖3.3 不可控整流器的數(shù)

35、學(xué)模型其中：Fex整流器調(diào)節(jié)特性，與整流器工作狀態(tài)有關(guān)的函數(shù)。 (2)靜止勵(lì)磁電源的數(shù)學(xué)模型自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)接于發(fā)電機(jī)端的勵(lì)磁變壓器經(jīng)可控整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組，這實(shí)際上就是變壓器帶整流負(fù)荷的問題，由于可控整流橋的換相壓降相對(duì)較小，因此勵(lì)磁變壓器用比例環(huán)節(jié)模擬即可?？煽卣鳂虻碾娫从蓜?lì)磁變壓器供給，它隨發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓而變化，由于自并勵(lì)系統(tǒng)多數(shù)采用余弦波移項(xiàng)觸發(fā)電路，其可控整流橋的輸出電壓為：式中：K是勵(lì)磁變壓器變比與整流系數(shù)的乘積；口為控制角，它是調(diào)節(jié)器的輸出電壓和余弦波同步信號(hào)電壓瞬時(shí)值相等時(shí)的相位角。進(jìn)一步可寫成：此式說明，勵(lì)磁電壓UFD與調(diào)節(jié)器輸出電壓UR是線性關(guān)系，并且不受發(fā)電機(jī)端電壓

36、的Ut的影響，這是采用余弦波移項(xiàng)方式的優(yōu)點(diǎn)。只有當(dāng)強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)，控制角為固定值，與余弦波同步信號(hào)無關(guān)，而UFD受Ut的影響。因此，自并勵(lì)電源可用限幅器的形式表示，計(jì)及換相壓降，并把勵(lì)磁變壓器和可控整流橋的增益歸算到調(diào)節(jié)器，自并勵(lì)電源的數(shù)學(xué)模型如圖所示。圖3.4 自并勵(lì)電源的數(shù)學(xué)模型其中：Ka一移相回路的增益 Ta一移相回路的時(shí)間常數(shù)URmax一發(fā)電機(jī)額定電壓時(shí)最大輸出電壓URmin一發(fā)電機(jī)額定電壓時(shí)最小輸出電壓Kc一整流器換相壓降系數(shù)Ut、IFD一機(jī)端電壓和勵(lì)磁電流在進(jìn)行小擾動(dòng)穩(wěn)定分析時(shí)，可以省略限幅環(huán)節(jié)，自并勵(lì)電源用比例環(huán)節(jié)模擬，勵(lì)磁變壓器和可控整流橋的時(shí)滯很小，可以忽略。3.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(

37、AVR)數(shù)學(xué)模型目前我國電力系統(tǒng)中應(yīng)用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器基本上有三種類型：電磁型的電壓校正器、相位復(fù)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、晶體管可控硅型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。前兩種己屬淘汰之列，這里以可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為例，介紹其數(shù)學(xué)模型。可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由量測(cè)補(bǔ)償調(diào)差、綜合放大、移相觸發(fā)、可控硅輸出及轉(zhuǎn)子電壓軟反饋等單元組成"。(1)電壓測(cè)量調(diào)差補(bǔ)償單元電壓測(cè)量單元把發(fā)電機(jī)端電壓處理后，與給定電壓Uref進(jìn)行比較，其偏差值作為控制信號(hào)送到放大單元。由于整個(gè)電壓測(cè)量單元總的滯后時(shí)間比較小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般用一階慣性環(huán)節(jié)表示，其等值時(shí)間常數(shù)為TR。該單元有量測(cè)比較電路調(diào)差補(bǔ)償電路及濾波整流電路組成，發(fā)電機(jī)端電壓Ut及定子電流

38、It經(jīng)調(diào)差后構(gòu)成輸出電壓Uc，則：Rc和Xc分別為調(diào)差電阻和電抗。整流濾波電路可用一階慣性環(huán)節(jié)表示為：式中：KR為電壓比例系數(shù)；TR為時(shí)間常數(shù)，數(shù)值較小，一般在0。02一0。06s之間。(2)綜合放大控制單元該單元由調(diào)節(jié)器中的綜合放大、移相觸發(fā)及可控硅整流電路組成。放大電路可看成慣性環(huán)節(jié)，同步觸發(fā)器是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，無時(shí)滯影響，對(duì)于可控硅整流器，考慮到在運(yùn)行中改變控制電壓的調(diào)節(jié)過程中，整流器的平均輸出電壓對(duì)觸發(fā)器電壓有滯后作用，經(jīng)適當(dāng)處理后，也可看成一階慣性環(huán)節(jié)。這樣，綜合控制單元的傳遞函數(shù)可以近似為一階慣性環(huán)節(jié)：式中：KA為綜合放大倍數(shù)；TA為綜合時(shí)間常數(shù)。(3)轉(zhuǎn)子軟反饋單元為了提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)

39、的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，改善其調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常設(shè)有轉(zhuǎn)子軟反饋單元。實(shí)質(zhì)上是一個(gè)慣性微分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：式中：KF、TF分別為該環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)。(4)勵(lì)磁穩(wěn)定器為了提高勵(lì)磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善其調(diào)節(jié)品質(zhì)，通常設(shè)有串、并聯(lián)校正單元。串聯(lián)校正單元又叫做PID調(diào)節(jié)器。其標(biāo)準(zhǔn)模型如圖所示，由兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中，互一五為其時(shí)間常數(shù)(也稱為超前滯后補(bǔ)償時(shí)間常數(shù))，K為其增益，KV為積分選擇因子，KV=O時(shí)為純積分校正。也有只使用一個(gè)校正環(huán)節(jié)的情況，此時(shí)，令T3= T4。圖3.5 串聯(lián)校正單元串聯(lián)校正單元模型參數(shù)T1一T4和K(實(shí)際裝置中可能兩個(gè)環(huán)節(jié)都各有自己的增益)，都應(yīng)通過測(cè)量或辨識(shí)取得。一般一個(gè)為超

40、前環(huán)節(jié)，有T1 (或T3)> T2 (或T4)，一個(gè)為滯后環(huán)節(jié)，有T3 (或T1)< T4(或T2)。并聯(lián)校正單元又稱為勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)，其模型如圖所示。其輸入信號(hào)可以是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電壓(僅用于有刷勵(lì)磁系統(tǒng)) EFD或交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流IFD (有刷或無刷系統(tǒng)均有使用)。輸出信號(hào)的嵌入點(diǎn)可因調(diào)節(jié)器的不同而不同。圖3.6 并聯(lián)校正單元并聯(lián)校正單元模型參數(shù)有兩個(gè)KF和TF。都應(yīng)通過測(cè)量或辨識(shí)取得。(5)誤差放大單元模型誤差信號(hào)放大單元用作誤差信號(hào)的放大。有時(shí)誤差信號(hào)直接由串聯(lián)校正單元放大而省去誤差信號(hào)放大單元。誤差信號(hào)放大單元大多數(shù)可以用一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)來模擬，其模型如圖所示

41、。圖3.7 誤差放大單元模型誤差信號(hào)放大模型參數(shù)有增益KA和時(shí)間常數(shù)TA，KA和TA均可以通過測(cè)量或辨識(shí)取得。誤差信號(hào)放大單元有時(shí)也用做多種信號(hào)的綜合單元，此時(shí)應(yīng)注意對(duì)不同信號(hào)的增益是否相同。(6)功率放大單元模型及參數(shù)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的功率放大單元大多數(shù)為三相可控硅整流橋。功率放大單元模型如圖所示。圖3.8 功率放大單元模型URmax、URmin分別為自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的功率放大單元最大輸出電壓、最小輸出電壓，K為其增益，T為其等效時(shí)間常數(shù)。輸入為校正單元或綜合放大器的輸出。當(dāng)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的功率放大單元由同軸副勵(lì)磁機(jī)提供時(shí)：式中：UP、分別為副勵(lì)磁機(jī)電壓(取強(qiáng)勵(lì)時(shí)的輸出電壓)、最小控制角和最大控

42、制角。當(dāng)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的功率放大單元由勵(lì)磁變壓器從發(fā)電機(jī)端取得時(shí)，URmaxN、URminN分別為發(fā)電機(jī)電壓為額定值時(shí)功率放大單元的最大輸出電壓和最小輸出電壓。等效時(shí)間常數(shù)T由調(diào)節(jié)器特性決定。對(duì)模擬式調(diào)節(jié)器且從副勵(lì)磁機(jī)取得電源時(shí)，可以忽略，功率單元由機(jī)端變壓器供電時(shí)為0。003一0。02秒，對(duì)數(shù)字式調(diào)節(jié)器，還受其采樣及計(jì)算周期的影響，可由試驗(yàn)測(cè)定。理論上，電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算程序中使用的勵(lì)磁系統(tǒng)模型應(yīng)與勵(lì)磁系統(tǒng)原始模型完全一致，實(shí)際上，在大多數(shù)情況下是不可能的。這主要是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中實(shí)際使用的勵(lì)磁系統(tǒng)(主要是其控制器)種類繁多且不斷發(fā)生變化，使編制電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算分析程序時(shí)來不及、也不可能將電力系

43、統(tǒng)中實(shí)際使用的每一種勵(lì)磁系統(tǒng)的模型都包括在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算分析程序內(nèi)。當(dāng)出現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算程序中使用的勵(lì)磁系統(tǒng)模型與勵(lì)磁系統(tǒng)原始模型不一致時(shí)，應(yīng)采取如下處理辦法：首先，在所使用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算程序中尋找與勵(lì)磁系統(tǒng)原始模型最接近的勵(lì)磁系統(tǒng)模型；第二，通過各種等值方法，將原始模型的參數(shù)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定計(jì)算程序中選用的模型參數(shù)；第三，通過仿真計(jì)算，校核等值結(jié)果，誤差應(yīng)滿足要求；第四，如果等值結(jié)果不能滿足要求，則可以通過程序的用戶自定義功能(如果有的話)或要求程序提供商增加新的勵(lì)磁系統(tǒng)模型。當(dāng)然，對(duì)新的勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型也應(yīng)通過仿真計(jì)算的校核。本課題就四種經(jīng)典勵(lì)磁模型中的自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終選

44、用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)模型作為系統(tǒng)模型。它有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)沒有旋轉(zhuǎn)部件，運(yùn)行可靠性高。(2)由于它可縮短發(fā)電機(jī)的軸系長(zhǎng)度，減少軸承數(shù)，所以可改善發(fā)電機(jī)組的軸系穩(wěn)定性。(3)可提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行水平，尤其在小干擾情況下，它配制PSS后，小干擾穩(wěn)定水平有明顯的提高。(4)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)的選擇比較靈活。(5)自并勵(lì)晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)性能好，可靠性高，可減少機(jī)組軸系扭震，而且減少投資。(6)檢修維護(hù)方便，因其沒有旋轉(zhuǎn)設(shè)備，檢修工作量小。自并勵(lì)系統(tǒng)造價(jià)低，容易調(diào)整，維護(hù)簡(jiǎn)單，故障修復(fù)時(shí)間短。當(dāng)外部短路切除后，強(qiáng)勵(lì)能力便能迅速發(fā)揮出來。4 同步發(fā)電機(jī)模糊PID勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)

45、的重要組成部分，它是供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源的一套系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中，它不僅控制發(fā)電機(jī)的端電壓，而且還控制著發(fā)電機(jī)的無功功率、功率因素和電流等參數(shù)。經(jīng)過研究表明發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制是非線性、參數(shù)時(shí)變、要求響應(yīng)速度快的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。勵(lì)磁控制系統(tǒng)的研究己經(jīng)有了幾十年的歷史，各種控制方法發(fā)展都比較成熟，且各有優(yōu)勢(shì)。大量的工作都是圍繞著勵(lì)磁方式的改進(jìn)和控制策略的革新展開的。最早出現(xiàn)的單變量HD調(diào)節(jié)方式，從一定程度上緩和了穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)增益要求上的矛盾，但卻不能有效改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)與提高系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，尤其是當(dāng)需要快速勵(lì)磁時(shí)會(huì)時(shí)電力系統(tǒng)阻尼特性惡化，引起低頻振蕩。多變量PID與局部變量反饋

46、的同時(shí)運(yùn)用在實(shí)現(xiàn)全局穩(wěn)定的同時(shí)在抑制低頻振蕩和提高暫態(tài)穩(wěn)定性方面是有一定效果的，系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性都有改善，但不足的地方是大量的參數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行調(diào)整和配合，花費(fèi)很多的時(shí)間，而且需要特定的網(wǎng)絡(luò)模型和對(duì)低頻振蕩空間的設(shè)計(jì)、魯棒性和適應(yīng)性差，如果只是采用以上傳統(tǒng)的方法是肯定不能達(dá)到控制目的的。模糊控制系統(tǒng)是一種現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)，針對(duì)非線性系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式對(duì)知識(shí)的描述和模糊邏輯的規(guī)則推理為基礎(chǔ)，而且其特性就是不需要被控對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造容易；魯棒性好，適應(yīng)力強(qiáng)等。以上這些都與勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)正好切合。本文提出將模糊控制與傳統(tǒng)PID同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制相結(jié)合，解決上述勵(lì)磁控制

47、問題，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使系統(tǒng)的控制效果更好，適應(yīng)性和調(diào)整能力更強(qiáng)。4.1常規(guī)PID控制器原理與設(shè)計(jì)將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的控制器被稱為PID控制器。4.1.1 PID控制原理PID控制算法根據(jù)輸入輸出信號(hào)類型的不同分為模擬PID控制算法和數(shù)字PID控制算法。(1)模擬PID控制算法模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。圖4.1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是針對(duì)線性控制所設(shè)計(jì)的控制器，它根據(jù)給定的輸入值r(t)與實(shí)際的系統(tǒng)輸出值也y(t)之間的偏差 e(t)= r(t) - y(t)然后經(jīng)過如下的PID控制規(guī)律，得到寫成傳遞函數(shù)形

48、式為以u(píng)(t)作為控制調(diào)節(jié)輸入，對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制動(dòng)作。式中kp為比例系數(shù)，Ti為積分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)， Td為微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。PID控制器的性能好壞由kp、Ti 、Td這三個(gè)系數(shù)決定。PID是比例、積分、微分的簡(jiǎn)稱，PID控制的難點(diǎn)不是編程，而是控制器的參數(shù)整定。參數(shù)整定的關(guān)鍵是正確地理解各參數(shù)的物理意義，PID控制的原理可以用人對(duì)爐溫的手動(dòng)控制來理解。閱讀本文不需要高深的數(shù)學(xué)知識(shí)。a比例控制 有經(jīng)驗(yàn)的操作人員手動(dòng)控制電加熱爐的爐溫，可以獲得非常好的控制品質(zhì)，PID控制與人工控制的控制策略有很多相似的地方。 下面介紹操作人員怎樣用比例控制的思想來手動(dòng)控制電加熱爐的爐溫。假設(shè)

49、用熱電偶檢測(cè)爐溫，用數(shù)字儀表顯示溫度值。在控制過程中，操作人員用眼睛讀取爐溫，并與爐溫給定值比較，得到溫度的誤差值。然后用手操作電位器，調(diào)節(jié)加熱的電流，使?fàn)t溫保持在給定值附近。 操作人員知道爐溫穩(wěn)定在給定值時(shí)電位器的大致位置（我們將它稱為位置L），并根據(jù)當(dāng)時(shí)的溫度誤差值調(diào)整控制加熱電流的電位器的轉(zhuǎn)角。爐溫小于給定值時(shí)，誤差為正，在位置L的基礎(chǔ)上順時(shí)針增大電位器的轉(zhuǎn)角，以增大加熱的電流。爐溫大于給定值時(shí)，誤差為負(fù)，在位置L的基礎(chǔ)上反時(shí)針減小電位器的轉(zhuǎn)角，并令轉(zhuǎn)角與位置L的差值與誤差成正比。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器輸出中的比例部分與誤差成正比。閉環(huán)中存在著各種各樣的延遲作

50、用。例如調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)角后，到溫度上升到新的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值時(shí)有較大的時(shí)間延遲。由于延遲因素的存在，調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)角后不能馬上看到調(diào)節(jié)的效果，因此閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)困難的主要原因是系統(tǒng)中的延遲作用。比例控制的比例系數(shù)如果太小，即調(diào)節(jié)后的電位器轉(zhuǎn)角與位置L的差值太小，調(diào)節(jié)的力度不夠，使系統(tǒng)輸出量變化緩慢，調(diào)節(jié)所需的總時(shí)間過長(zhǎng)。比例系數(shù)如果過大，即調(diào)節(jié)后電位器轉(zhuǎn)角與位置L的差值過大，調(diào)節(jié)力度太強(qiáng)，將造成調(diào)節(jié)過頭，甚至使溫度忽高忽低，來回震蕩。 增大比例系數(shù)使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，調(diào)節(jié)速度加快，并且可以減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是比例系數(shù)過大會(huì)使超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)性能變壞，比例系數(shù)太大甚

51、至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。單純的比例控制很難保證調(diào)節(jié)得恰到好處，完全消除誤差。b積分控制PID控制器中的積分對(duì)應(yīng)于圖1中誤差曲線 與坐標(biāo)軸包圍的面積（圖中的灰色部分）。PID控制程序是周期性執(zhí)行的，執(zhí)行的周期稱為采樣周期。計(jì)算機(jī)的程序用圖1中各矩形面積之和來近似精確的積分，圖中的TS就是采樣周期。圖4.2  積分運(yùn)算示意圖每次PID運(yùn)算時(shí)，在原來的積分值的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)與當(dāng)前的誤差值ev（n）成正比的微小部分。誤差為負(fù)值時(shí)，積分的增量為負(fù)。手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度時(shí)，積分控制相當(dāng)于根據(jù)當(dāng)時(shí)的誤差值，周期性地微調(diào)電位器的角度，每次調(diào)節(jié)的角度增量值與當(dāng)時(shí)的誤差值成正比。溫度低于設(shè)定值時(shí)誤差為正，積分項(xiàng)

52、增大，使加熱電流逐漸增大，反之積分項(xiàng)減小。因此只要誤差不為零，控制器的輸出就會(huì)因?yàn)榉e分作用而不斷變化。積分調(diào)節(jié)的“大方向”是正確的，積分項(xiàng)有減小誤差的作用。一直要到系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)誤差恒為零，比例部分和微分部分均為零，積分部分才不再變化，并且剛好等于穩(wěn)態(tài)時(shí)需要的控制器的輸出值，對(duì)應(yīng)于上述溫度控制系統(tǒng)中電位器轉(zhuǎn)角的位置L。因此積分部分的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，積分作用一般是必須的。PID控制器輸出中的積分部分與誤差的積分成正比。因?yàn)榉e分時(shí)間TI在積分項(xiàng)的分母中，TI越小，積分項(xiàng)變化的速度越快，積分作用越強(qiáng)。cPI控制控制器輸出中的積分項(xiàng)與當(dāng)前的誤差值和過去歷次誤差值的累加值成正比

53、，因此積分作用本身具有嚴(yán)重的滯后特性，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。如果積分項(xiàng)的系數(shù)設(shè)置得不好，其負(fù)面作用很難通過積分作用本身迅速地修正。而比例項(xiàng)沒有延遲，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就會(huì)立即起作用。因此積分作用很少單獨(dú)使用，它一般與比例和微分聯(lián)合使用，組成PI或PID控制器。PI和PID控制器既克服了單純的比例調(diào)節(jié)有穩(wěn)態(tài)誤差的缺點(diǎn)，又避免了單純的積分調(diào)節(jié)響應(yīng)慢、動(dòng)態(tài)性能不好的缺點(diǎn)，因此被廣泛使用。如果控制器有積分作用（例如采用PI或PID控制），積分能消除階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，這時(shí)可以將比例系數(shù)調(diào)得小一些。如果積分作用太強(qiáng)（即積分時(shí)間太小），相當(dāng)于每次微調(diào)電位器的角度值過大，其累積的作用會(huì)使系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)性

54、能變差，超調(diào)量增大，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分作用太弱（即積分時(shí)間太大），則消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度太慢，積分時(shí)間的值應(yīng)取得適中。d微分作用誤差的微分就是誤差的變化速率，誤差變化越快，其微分絕對(duì)值越大。誤差增大時(shí)，其微分為正；誤差減小時(shí)，其微分為負(fù)。控制器輸出量的微分部分與誤差的微分成正比，反映了被控量變化的趨勢(shì)。有經(jīng)驗(yàn)的操作人員在溫度上升過快，但是尚未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，根據(jù)溫度變化的趨勢(shì)，預(yù)感到溫度將會(huì)超過設(shè)定值，出現(xiàn)超調(diào)。于是調(diào)節(jié)電位器的轉(zhuǎn)角，提前減小加熱的電流。這相當(dāng)于士兵射擊遠(yuǎn)方的移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，考慮到子彈運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，需要一定的提前量一樣。圖4.3  階躍響應(yīng)曲線圖2中的c ()為被控量c (

55、t)的穩(wěn)態(tài)值或被控量的期望值，誤差e(t) = c () - c (t)。在圖2中啟動(dòng)過程的上升階段，當(dāng) 時(shí)，被控量尚未超過其穩(wěn)態(tài)值。但是因?yàn)檎`差e(t)不斷減小，誤差的微分和控制器輸出的微分部分為負(fù)值，減小了控制器的輸出量，相當(dāng)于提前給出了制動(dòng)作用，以阻礙被控量的上升，所以可以減少超調(diào)量。因此微分控制具有超前和預(yù)測(cè)的特性，在超調(diào)尚未出現(xiàn)之前，就能提前給出控制作用。閉環(huán)控制系統(tǒng)的振蕩甚至不穩(wěn)定的根本原因在于有較大的滯后因素。因?yàn)槲⒎猪?xiàng)能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這種“超前”的作用可以抵消滯后因素的影響。適當(dāng)?shù)奈⒎挚刂谱饔每梢允钩{(diào)量減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于有較大的滯后特性的被控對(duì)象，如果PI控制

56、的效果不理想，可以考慮增加微分控制，以改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。如果將微分時(shí)間設(shè)置為0，微分部分將不起作用。微分時(shí)間與微分作用的強(qiáng)弱成正比，微分時(shí)間越大，微分作用越強(qiáng)。如果微分時(shí)間太大，在誤差快速變化時(shí)，響應(yīng)曲線上可能會(huì)出現(xiàn)“毛刺”。微分控制的缺點(diǎn)是對(duì)干擾噪聲敏感，使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。為此可在微分部分增加慣性濾波環(huán)節(jié)。 (2)數(shù)字PID控制算法在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后，大量的工業(yè)生產(chǎn)，實(shí)際應(yīng)用都與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來，發(fā)展迅速且效果良好，控制科學(xué)也不例外。由于計(jì)算機(jī)本身的采樣機(jī)制，所以控制時(shí)只能依靠釆樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量，模擬控制這樣的連續(xù)PID控制算法不適用，需要進(jìn)行離散化處理。數(shù)字PID控

57、制算法有兩種表達(dá)形式：a：位置式，按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)紅代表連續(xù)時(shí)間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分。b：增量式，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)(例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī))。 位置式與增量式差別不大，但是相比而言，增量式有一定的優(yōu)點(diǎn):a:增量式PID控制算法不需要做累加，且計(jì)算誤差小，精度高，對(duì)控制量的影響不大：b:使用增量式可以在控制手段變化時(shí)，不對(duì)系統(tǒng)造成沖擊和干擾，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)的控制切換。綜上，數(shù)字PID控制系統(tǒng)如圖所示：圖4.4 數(shù)字PID控制系統(tǒng)框圖根據(jù)上圖，整理后可以得到數(shù)字PID控制算法設(shè)計(jì)流程，如圖：圖4.5 數(shù)字PID控制算法設(shè)計(jì)流程圖4.2 基于模糊PID控制器的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器控制策略中,最早被引用的是PID控制算法,而且對(duì)于可以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng),其控制效果良好。但同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制過程是非線性,時(shí)變的,想要建立精確數(shù)學(xué)模型難以實(shí)現(xiàn),這時(shí)傳統(tǒng)PID控制方法不能夠達(dá)到理想的控制效果,暴露出一系列嚴(yán)重的問題:調(diào)節(jié)過程復(fù)雜,控制參數(shù)整定過多的依賴經(jīng)驗(yàn)等等,這些傳統(tǒng)PID