（电力系统及其自动化专业论文）同步发电机灰色励磁控制系统研究.pdf

a b s t r a c t i nt h i st e x t ，铲e yp r e d i c t i o nm e m o dh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h ed e s i g l lo f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nr e g u l a t o r t h ep i l o ts t u d yo f 黟e yp r e d i c t i o nc e l l s c h a r a c t e r i s t i ca n di m p r o v e m e n te f ! e c to fa u t o c o n t r o ls y s t 锄c a p a b i l i t yh a sb e e n d o n e a n d 伊e yp r e d i c t i o np i de x c i t a t i o nc o n t r o lf o ri m p r o v e m e n te f 昆c to fp o w e r s y s t e ms t a b i l i t yh a sb e e nr e s e a r c h e d h a r d w a r ea i l ds o m v a r eo fe x c i t a t i o nr e g u l a t o r b a s e do nd s ph a sb e e nd e s i g n e d f i r s t l y t h ec o n c 印t i o no f 伊e ys y s t e ma n dt l l e 撕t m e t i co f 伊e yp r e d i c t i o nh a v e b e e nr e c o 舢f 1 1 e i l d e d a n dg r e yp r e d i c t i o nc e l l sc h a r a c t e r i s t i ca l l di i n p r o v e m e n te 舵c t o fa u t o c o n 仰ls y s t e mc 印a b i l i t yh a sb e e na 1 1 a l y s e d t h ea i l a l y s i si n d i c a t e st 1 1 a t 伊e y p r e d i c t i o n se f 王b c ti sp o s s i b l eu n i d e a lu n d e rs a l t a t i o ns i g n a l ，b u tu n d e rn o n s a l t a t i o n s i g n a lp r e yp r e d i c t i o np o s s i b l yp r o v i d e sw e l ls i 印a lc u r r e n tp r e d i c t i o n t h e 伊e y p r e d i c t i o nh a sb e e na p p l i e dr 印r e s e n t a t i v et w oo r d e rs y s t e m ，a i l dw eh a v ef o u n di t r e m a r k a b l yi m p r o v e ds y s t e m ss t a b i l i t y s e c o n d l y ，t h e c o n f i g u r a t i o no fs ) ，n c h r o n o u sg e n e r a t o r 黟e yp r e d i c t i o np i de x c i t a t i o nc o n t m l c o n f i g u r a t i o na n dm a t l a bs i m u l a t i o nm o d e lh a v eb e e nf o u n d e d a n dt h ec o n t r o le f f e c t c o m p a r i s o nb e t w e e ng r e yp r e d i c t i o np i d + p s se x c i t a t i o nc o n t r o la n dp i d + p s se x c i t a t i o n c o n t r o lu n d e rd i f - f e r e n td i s n 】r b a n c eh a sb e e nd o n e t _ l l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t g r e y p r e d i c t i o np i d + p s se x c i t a t i o nc o n t r o l i sb e t t e rt h a l lp i d + p s se x c i t a t i o nc o n t r o l ，b e c a u s ei t s e x c e e d i n gq u a n t i t ya n dr e g u l a t i n gt i m eu n d e rd i f 王- e r e n tw o r kc o n d i t i o na r ea ns m a l l e ra n ds h o n e r a n di tp r o v i d e sv a l u a b l er e f e r e n c ei n f o m a t i o nf o r t h es ) ，n c h r o n o u sg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n 们l a p p l i c a t i o no fg r e yp r e d i c t i o np i dc o n t m l a n dw ea l s oh a v ed i s c u s s e ds o m ep r o b l e m s ：t h ee x i t o fg r e yp r e d i c t i o nu n d e rs t a b l ew o r kc o n d i t i o n ， r e a s o n a b l es e l e c t i o no fs a m p l et i m ea n d p r e d i c t i o ns t e p ，a n da c h i e v e dv a l u a b l ea c k n o w l e d g e t h i r d l y ， t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo fe x c i t a t i o n r e g u l a t o rb a s e do nd s ph a v eb e e n d e s i g n e d h a r d w a r ec o m p o s i n gp a n si n c l u d e ：d s pp e r i p h e r yc i r c u i td e s i g n ，a dc o n v e r s i o n i n t e r f a c ec i r c u i td e s i g l l ，f r e q u e n c yt r a c k1 0 c k i n gc i r c u i ta n di m p u l s ep r o d u c i n g c i r c u i td e s i g n f i n a l l y ， t h es o f t 、v a r ei sp r o 伊a m m e du n d e r t h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fc c s 2 0 ( c o d e c o m p o s e rs t u d i o ) p r o d u c e db yt ic o m p a n y ：s oi tr e a l i z e dm o d u l a r i z e dp r o g r a md e s i g n ，a n di ti s a l s oc o n v e n i e n tf o rd e b u g g i n go n l i n e i t sm a i np r o g r a mh a sc a i e do u tf 0 1 1 0 w i n gc a l c u l a t i o n ： b a s l ce l e c t n c p a r a m e t e r r e g u l a t i n gd i f 五翻n c e ，g r e yp r e d i c t i o np i dc o n t r o l ， c o n f i n i n 2a n d p r o t e c t l n g ，m o v l n gv e c t o rt r i g g e r i n ga n g l ea n ds oo n a n di n t e i t u p tp r o g r a mh a s6 n i s h e d c o l l e c t i o na n ds t o r a g eo f d a t a ，m e a s u r i n go ff k q u e n c y ，s h a p i n go ft r j g g e r i n gp u l s ea n ds oo n 一i t i n d e xt e r m s ：s y n c h m n 。u sg e n e r a t 。r ，e x c i t a t i 。n r e g u l a t o r ，铲e yp r e d i c t i 。n ，p i d c o n t r 0 1 d s p i i i 郑重声 明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：责匆建 2 0 0 6 5 。15 l 绪论 1 1 同步发电机励磁控制系统的任务 在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要 的作用。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组 成，如图1 1 所示。机端三相电压和电流以及其它电参量作为励磁控制系统的 输入，通过励磁控制系统中的励磁调节器单元对励磁功率单元进行控制，从而 达到调节发电机的励磁电流的效果。励磁调节装置是同步发电机控制系统的重 要组成部分，其主要任务是通过调节励磁发电机励磁绕组的直流电流，控制发 电机机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要，同时控制发电机机组间无功 功率的合理分配，提高同步发电机并列运行的稳定性。优良的励磁控制系统不 仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可有效地提高系统的技 术指标。 一一 励磁系统 图1 1 励磁控制系统框图 f i g 1 1e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 1 2 同步发电机励磁系统的种类 现代励磁控制系统的种类主要有： ( 1 ) 直流励磁机系统 宜流励磁机的容量受机械强度和换向电压等电气参数的影响，在大容量机组 上已经不再采用。 ( 2 ) 它励交流励磁机系统 它励交流励磁机系统，励磁功率电源取自发电机以外的独立的并与其同轴旋 转的交流励磁机。根据交流励磁机的数量以及整流器是旋转的还是静止的，分为 以下几种：1 ) 它励静止硅整流励磁系统；2 ) 它励静止可控硅整流励磁系统；3 ) 它 励旋转硅整流励磁系统；4 ) 它励旋转可控硅整流励磁系统。 ( 3 ) 自励和自复励静止励磁系统 自励和自复励静止励磁系统的电源来自发电机自身。根据励磁电源的取得方 式自励和自复励静止励磁系统分为：1 ) 自并励可控硅励磁系统；2 ) 相补偿自复励 励磁系统；3 ) 交流侧串联自复励励磁系统；4 ) 直流侧并联自复励励磁系统。 由于自并励励磁系统接线简单，维护方便，并具有固有的高起始的快速响应 特性，它在装置上取消了旋转部件，在可靠性方面也明显优于交流励磁机励磁系 统，而且在厂房投资方面，因自并励励磁系统装置占地面积小，同样可降低电厂 造价，采用自并励系统还可缩短轴系长度，对改善机组扭振工况、降低扭振阶数 同样有着重要的作用，所以目前投入运行的励磁控制系统大多数都是自并励晶闸 管励磁系统，本设计也将采用自并励静止励磁控制系统。自并励晶闸管励磁系统 主电路典型接线方式，如图1 2 所示，它是将励磁变压器连接在同步发电机的出口 端。这种接线方式比较简单，励磁电源的可靠性较高。自并励系统中的励磁变压 器也可以接在主断路器的系统一侧，但此时受系统波动影响较大，因此，很少采 用。 同步发电机电流互感器 图1 2 自励静止励磁控制系统原理图 f i g 1 2s e l f e x c i t a t i o ns t i l l n e s se x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l ec h a r t 1 3 同步发电机励磁调节装置的发展过程 在现代励磁控制系统中，数字式励磁控制器已经取代了传统的励磁控制器。 数字式励磁控制器采用的硬件结构有多种形式，如单片机结构、工控机结构、 可编程控制器结构、以及现在数字信号处理器结构。由于使用工控机结构的励 磁控制器其各种功能板卡( 如c p u 板、i 0 板a d 板等) 都是标准化的，用户 只须根据需要选择板卡的品种和数量，然后通过总线连在一起即可构成响应得 励磁控制器的实体。这种结构的励磁控制器其开发周期较短，但是其相对于单 片机结构的体积相对较大、成本较高，而单片机结构的励磁调节器体积小，成 本也低，但是其c p u 性能的好坏直接影响其励磁控制水平的高低，一些好的算 法由于其处理速度较慢难于实现，更不要提适时性了，它需要扩展很多的外围 电路，给设计时调试带来了很多麻烦，其可靠性，抗干扰性也大大影响。所以 提高其微处理器速度和集成外围设备是解决以上问题的根本途径，而t i 公司 2 0 0 0 系列信号处理微处理器d s p 是专门为电机控制设计的，其处理速度最高可 达到1 5 0 m i p s ，处理数字信号其速度远远高于p c 机，其芯片内部设置了多种 功能的外围器件和接口，它是一种高性能3 2 位定点微处理器，集成了a d 转换 器、同步串口和异步串口，c a n 模块，p w m 输出通道等，为进一步提高数字 式励磁控制器的性能提供了可能。 1 4 同步发电机励磁调节器控制方式的发展过程 6 0 年代随着功率电子元件和技术的发展，快速励磁系统得到广泛应用，但是 在一些大型输电系统中频繁地出现了低频功率振荡以及在大扰动事故后动态稳定 恢复过程中的振荡失步的情况，这是由于快速励磁系统增加人工阻尼，此时，为 了抑制低频振荡和提高电力系统动态稳定性欧美专家研制了采用转速缈、发电 机机端功率p 或者转子功角万为输入信号的电力系统稳定器p s s ( p o w e rs v s t e m s t a b i l i z e r ) ，即p i d + p s s 控制方式，许多发电机至今还在使用这种励磁控制方式。 随着现代控制理论的发展，线性最优控制理论在7 0 年代时被引入励磁控制的 设计当中，至今为止，线性最优励磁控制器也在现场有所应用，一定意义上成为 兼有励磁调节器和电力系统稳定器功能的励磁控制方案。我国学者在基于微分几 何理论的励磁系统非线性控制方面的研究也取得了重要进展。与此同时，自适应 控制、及模糊控制、神经网络、灰色控制也相继被引入到励磁控制系统的研究之 中。 灰色预测控制理论由我国学者于2 0 世纪8 0 年代所提出的，灰色预测控制理论 是从已发生的行为特征量中寻找系统发展规律，按其预测预测系统未来的行为， 并根据未来的行为趋势，确定相应得控制决策。所以，这种控制是着眼于系统未 来行为的预控制，是超前控制，它具有较强的自适应性、通用性、实时性和准确 性，且结构简单，技术明了，是一种具有广阔前景的新型控制。这一理论已被用 在许多领域，例如电力设各寿命预测 1 1 ，电力负荷预测等。灰色系统理论在同 步发电机励磁控制和电力系统稳定控制中的探索已经起步，例如文献【4 1 j 哿去余控 制用于p s s 的设计，文献 5 】则将灰色预测控制用于同步发电机励磁控制。 1 5 本文所做的工作 本论文主要研究了以下三个方面的内容： ( 1 ) 研究灰色预测环节的特性，探讨灰色预测p i d 控制在同步发电机励磁控 制中的应用； ( 2 ) 设计基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的同步发电机励磁控制器的硬件电路； ( 3 ) 在t i 公司c c s 2 0 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 开发环境下使用c 语言编制 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的同步发电机励磁控制器软件。 一4 一 2 灰色系统与灰色预测控制 本章介绍灰色系统概念和灰色预测算法，使用m a t l a b s i m u l i n k 工具 箱建立仿真模型，对不同信号作用下灰色预测环节的传输特性进行初步分析， 并对灰色预测改善典型二阶系统动态性能的作用进行考查。 2 1 灰色系统 信息完全明确的系统为白色系统，信息完全不明确的系统为黑色系统，信息 部分明确、部分不明确的系统为灰色系统( g r e ys y s t 啪) ，灰色系统是信息不完 全、不确定的系统。 灰色系统理论处理具有不确定量的系统，需要信息少，通用性好，计算方便。 在解决一些社会经济问题上已经取得了很好的效果，在电力系统负荷预测方面也 取得了重要进展。但灰色系统理论在控制工程中的应用尚处于初步阶段，有许多 理论性和应用性的工作需要开展。 灰色系统的描述采用灰色模型( g r e ym o d e l g m ) 。灰色模型使控制系统中 的灰量得到一定程度的白化，以提高控制质量和鲁棒性。灰色模型是根据关联度、 生成灰导数、灰微分等概念和一系列数学方法建立起来的一种连续性微分方程。 通常g m 表示为g m ( ，z ，五) ，其中，z 为灰色数学模型中微分方程的阶数， 为灰色模 型中变量的个数，当胛= = 1 时即构成了单变量一阶灰色模型。 2 2 灰色预测 基于灰色系统思想与灰色模型的控制，称灰色控制。以系统行为数据为采样 信息，按新陈代谢原理建立g m ( 1 ，1 ) 模型，用所建的模型预测系统行为的发展， 即预测未来的行为数据，然后将行为预测值与行为的给定值进行比较，以确定系 统的超前控制值，这种控制称为灰色预测控制。灰色预测是灰色系统理论的主要 应用之。基于g m ( 1 ，1 ) 的预测控制系统如图2 1 所示。图中，“为系统控制变 量，x 为输出变量，主为经过灰色预测所得到的石的预测值。 为了使原始数据弱化其数值随机性，将原始数据进行累加生成处理f a g o a c c u m u l a t e dg e n e r a t i n go p e r a t i o n ) ，形成所谓累加生成数列。累加生成是使任意 非负序列、摆动的与非摆动的数据转化为非减的、递增的数据。没有规律的原始 数据，经累加生成后，如果能得到较强的规律，并且接近某一函数，则该函数称 郑州大学工学硕士论文 为 广粤i rl c 给定， 灰色预测 l 围困i 皿 生成函数。生成函数就是一种数学模型，称为生成模型。通过累加获得的模型称 为累加生成模型。 灰色模型的建模及灰色预测原理如下【1 】： 为弱化原始数据列 x o = ( 石o ( 1 ) ，x o ( 2 ) ，石o ( 胛) ) 的数值随机性，构造累加数据列： x 1 = ( x 1 ( 1 ) ，x 1 ( 2 ) ，z 1 ( 即) ) 式中x 1 ( f ) = x 。( 尼) ，扛l ，2 ，甩 七= l 灰色微分方程g m ( 1 ，1 ) 为 x o ( i ) + 纪1 ( i ) = 6 ，i = 1 ，2 ，n 式中z 1 ( i ) = o 5 ( x 1 ( i ) + x 1 ( f 一1 ) ) 对g m ( 1 ，1 ) 的白化方程 坚+ 似( 1 ) ：6 d f 按最小二乘准则辨识参数口，6 可得： 口6 】1 = ( 曰t 曰) - 1 曰t y 其中曰= 一z 1 ( 2 ) 一z ( 3 ) 一z 1 ( ，z ) y n2 x o ( 2 ) x o ( 3 ) z o ( 以) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 白化方程的解为： ( f + p ) = ( x 。) ( 1 ) + 6 口) e 口i 妒1 + 6 口 ( 2 5 ) 故x o 在，z + 1 时刻的预测值为： 。6 一 盔盆丕丝皇盔丝瑟到鳖型 曼o ( f + p ) = 量1 ( i + p ) 一舅1 ( i + p 一1 )( 2 6 ) 式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 中p 为预测步数。 灰色预测控制以式( 2 6 ) 预测值作为控制决策环节的输入量，采取相应的控制 决策，其本质是一种事前控制。而只有选取适当的建模维数刀和预测步数p 才能比 较准确地预测系统行为的发展变化，是灰色预测起到超前的作用，提高控制的准 确性、实时性。一般来说，系统的滞后或惯性越大，预测步数越大。兼顾预测精 度和求解白化方程的计算量，一般取n = 4 。 2 3 灰色预测环节的特性分析 目前，灰色预测环节还没有解析模型， 缺乏理论指导，灰色控制停滞在试探阶段。 的特性做初步研究。 2 3 1 灰色预测环节特性仿真分析 这使得人们难以认识其特性，以至于 本节应用仿真方法，对灰色预测环节 为了说明灰色预测的控制作用，使用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱建立图2 2 仿真模型，图中输入信号分别为阶跃信号，斜坡信号和正弦信号。 图2 2 灰色预测特性研究模型 f i g 2 2m o d e lo fg r e yp r e d i c t i o nc h a r a c t e r i s t i cs m d y 图2 2 中的灰色预测环节是封装的灰色预测子系统，如图2 3 所示，由3 个延 迟模块( t r a n s p o r td e l a yb l o c k ) 构成输入4 维数据的前三个，可以在延迟模块中改变 延迟时间( t i m ed e l a ”从而达到改变采样时间的目的，其核心算法使用s 函数编 写。灰色预测特性研究模型中灰色预测环节的采样时间为o 0 1 s ，预测步鳓= 5 。 图2 3 灰色预测子系统框图 f i g 2 3g r e yp r e d i c t i o ns u b s y s t e md i a g r a m 建立上述仿真模型的主要目的是考查不同信号经过灰色预测环节后的信号变 化情况，通过示波器可以观察比较灰色预测环节的输入信号和输出信号。在建立 图2 2 仿真模型时应当注意输入信号必须为非负值，以满足灰色预测算法的要求。 ( 1 ) 输入信号为阶跃信号 阶跃信号的数学表达式为： n0 f o 5 甜( ) 2 20 5 f ( 2 _ 7 ) 灰色预测环节的输入和输出信号波形如图2 4 所示，图中实线表示输入信号的 波形，虚线表示输出信号的波形。 ( 2 ) 输入信号为限幅斜坡信号 限幅斜坡信号的数学表达式为： f 1o f 1 “( f ) = f 1 f 2 ( 2 - 8 ) 【2 2 f 灰色预测环节的输入和输出信号波形如图2 5 所示，图中实线表示输入信号的 波形，虚线表示输出信号的波形。 图2 4 阶跃信号作用下灰色预测环2 诲的特性 f i g 2 4g r e yp r e d i c t i o nc h a r a c t e r i s t i ci nf u n c t i o no fs t e ps i g n a l 一8 一 图2 5 斜坡信号作用下灰色预测环节的特性 f i g 2 5g r e yp r e d i c t i o nc h a r a c t e r i s t i ci n 如n c t i o no fs 1 0 p es i g i l a l ( 3 ) 输入信号为正弦信号 正弦信号的数学表达式为： 甜( f ) = 2 + s i n 5 f( 2 9 ) 灰色预测环节的输入和输出信号波形如图2 6 所示，图中实线表示输入信号的波 形，虚线表示输出信号的波形。 由图2 5 和图2 6 ，可以看出经过灰色预测环节输出信号都超前于输入信号，都 能描述下一时刻信号发展态势。但是对于阶跃信号，在阶跃信号的前沿，灰色预 测环节不能及时判断出下一时刻的态势，出现了脉冲波形，如图2 4 所示，灰色预 测的性能不够理想。可见，在信号突变的情况下灰色预测的效果可能不理想，而 对于非突变信号，灰色预测有可能提供很好的信号趋势预测。 图2 6 正弦信号作用下灰色预测环2 宵的特性 f i g 2 6g r e yp r e d i c t i o nc h a i a c t e r i s t i ci nf u n c t i o no fs i n ew a v es i g n a l 9 一 2 3 2 灰色预测环节在二阶系统中的应用分析 使用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱建立图2 7 仿真模型，考查灰色预测环节对 典型二阶系统性能的影响。图中二阶系统的开环传递函数为： 其中镰= 1 ，f = o 1 啪) 2 面 图2 7 灰色预测二阶系统仿真模型 f i g 2 7m o d e lo f 伊e yp f e d i c t i o nt w oo r d e rs y s t e mc h a r a c t e r i s t i cs t u d y ( 2 1 0 ) 式( 2 7 ) 所示阶跃信号的作用下的系统响应如图2 8 所示，其中虚线表示反馈信 号经过灰色预测处理后的响应曲线，而实线表示无灰色预测的典型二阶系统响应 曲线。在图中可以清楚看到加入灰色预测环节后超调量明显减少，这个优点在工 程应用中有很重要的意义。 图2 8 灰色预测对二阶系统动态性能的改善 f i g 2 8i m p r o v e m e n to fg r e yp r e d i c t i o nf o rd y n a m i cc a p a b i l i t yo f l w oo r d e rs y s t e m 2 4 小结 本章介绍了灰色系统的概念，引出了灰色预测控制的具体算法，并且分析了 灰色预测环节的特性及其改善系统性能的作用。分析表明，在信号突变的情况下 灰色预测的效果可能不理想，而对于非突变信号，灰色预测有可能提供很好的信 号趋势预测。将灰色预测应用于典型二阶系统，发现其显著地改善了系统的平稳 性。 3 灰色预测p i d 励磁控制的m a t l a b 仿真 本章使用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱对同步发电机灰色预测p i d + p s s 励 磁控制进行仿真，为了简化灰色预测算法，同步发电机模型采用派克模型。在各 种扰动下，通过灰色预测p i d + p s s 与p i d + p s s 的控制效果的对比，考查灰色预测 p i d 励磁控制的效果。 3 1p i d 控制 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律是比例积分微分控制，简称 p i d 控制，其控制框图如图3 1 所示。p i d 控制问世至今已有6 0 多年的历史了， 它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要而且可靠 的控制方式。在同步发电机的励磁控制中，p i d 控制也一直处于主导地位，而且励 磁控制的许多技术改进也是在常规p i d 控制的基础上进行的。 偏 图3 1p i d 控制框图 f i g 3 1p i dc o n t r o ld i a g r a m 连续系统p i d 调节器的时域表达式如下： 绯m 止+ 毒胁砒+ 乃掣 号 ( 3 1 ) 式中： 巧、乃分别为积分和微分时间常数；k p 、k 、杨分别为比例系数、积分 系数、微分系数。 对( 3 1 ) 式离散化便得p i d 数字调节器的表达式： 盔鱼塑翌盥2 壁醛鳖型盥坚2 ：1 2 q 笾塞 “( 尼丁) = k 。 p ( 尼丁) + e ( r ) + 争 p ( 尼丁) 一e ( 七丁一r ) ) ( 3 2 ) i 面 式中，t 是采样周期。： 上式称为位置式p i d 控制算法。位置式p i d 数字调节器的输出“( 七丁) 是全量输 出，是执行机构所应达到的位置，数字调节器的输出跟过去的状态有关，需要对 p ( 尼丁) 作累加，计算机的运算工作量大，而且计算机的故障很有可能使“( 七r ) 作大 幅度的变化，这种情况往往是生产实践中不容许的，而且有些场合可能会造成严 重的事故，因此增量式p i d 控制与位置式p i d 控制相比有更广泛的应用。所谓增 量式p i d 是指数字调节器的输出只是增量“( 尼丁) ，表达式如下： 甜( 尼丁) = k ， e ( 船) 一p ( j | r 一丁) + k e ( 尼丁) +， 巧 p ( 露丁) 一2 p ( 扫一丁) + e ( 七丁一2 丁) 。 。 控制输出增量只与最近的几次采样有关，不需要作累加，容易获得较好的控 制效果，且消除了当偏差存在时发生饱和的危险。 3 2 同步发电机灰色预测p i d 励磁控制器 本文以单机无穷大系统为对象研究同步发电机灰色预测p i d 励磁控制器。灰色 预测p i d 励磁控制器的工作流程如下：灰色预测p i d 励磁控制器的输入量是发电机 端电压行个时刻的采样值，首先将其输入到灰色预测模块，经过g m ( 1 ，1 ) 模型 预测出发电机端电压的变化趋势，p i d 控制环节根据灰色预测结果形成控制信号。 同步发电机灰色预测励磁控制的示意图如图3 2 所示： 图3 2 同步发电机灰色预测p i d 励磁控制 f i g 3 2 s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rg r e yp r e d i c t i o np i de x c i t a t i o nc o n t r o l 无 穷 大 系 统 3 3 同步发电机灰色励磁控制仿真模型 本文使用m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱对灰色预测p i d 励磁控制进行仿真研 究。仿真模型包括同步发电机模型、原动机模型、励磁调节器模型、调速器模型 以及负荷模型，各模型参数见附录二。 3 3 1 发电机模型 灰色建模要求原始数据序列必须非负。设计灰色预测励磁控制器，若采用发 电机线性化模型，那么系统响应可能随时间或正或负，这就要多一个步骤将非恒 正数列变换为恒定数列，且在大扰动情况下采用线性化模型也不尽合理。对此很 多学者提出了改进办法，主要的方法可分为两类：第一类方法将原始数列各项同 时加上一个正数，从而使其成为非负数列【3 】；第二类方法通过某种数据变换，将原 始数列映射为非负数列【7 】。这些变换方法对预测精度都有的影响。为从根本上解决 这一问题，本文不采用线性化模型，直接采用同步发电机原始模型进行灰色励磁 控制研究。此外，在以往的相关研究中不考虑同步发电机的阻尼绕组作用，本文 则采用含阻尼绕组作用的派克方程。这种作法既保证了模型的准确度，也简化了 灰色预测的步骤。 同步发电机的派克模型如下： 磁链方程： 申f 中d 9q “口 m f o o 电流方程( 忽略o 轴分量) ： 屯= 一等 ( 去一卜一寺吩一亡d 。= 詈 一寺沙。+ ( ：三一寺 ，一j 妙。 乞= 詈f _ 寺一玄，+ ( 寺一去卜lx d | x | x f l 、 x m d x d | ) 一vq 国vd o 0 0 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 0一0匆 一0 0 9 0 0 侈 0 0 d 0 0 0 饧0 一 ) ) 一0 0 0 0 0 一 o ! o r 0 一 一 一 = 一考尹 ( ：一 沙，一j q 岛= 手 一y 。+ ( ：三一言 沙q 式中带有下标，的电抗均表示对应绕组的漏电抗，而 转子运动方程： 一= b 寺+ 身 西。吉( 乙一l 一一矗) 万= 缈一l p = 功 r 3 - 6 ) ( 3 7 ) 式中： 秒一一转子g 轴与固定参考轴问的角；一一机械阻尼力矩，= d 缈， d 为机械阻尼系数，可取d = 1 ； 兀机械摩阻力矩，兀= 缈，尼为摩阻系数， 可取= o 0 1 0 0 5 。其余符号含义如常。 电磁功率方程： 电磁转矩方程： z = 一屯 3 3 2 原动机和调速器模型 原动机和调速器模型如图3 3 所示。 ( 3 8 ) ( 3 9 ) r、。j 上嘞 + 。一勘 + 一 + 上 ，。l = k 、，j 如砌 00 + 一 d g “ “ 0 0 | | = 只q 参 汽门开度初始值 图3 3 原动机和调速系统传递函数框图 f i g 3 3 m o t o ra l l dt i m i n gs y s t e mt r a n s f e r6 m c t i o nd i a 伊a m 3 3 3 励磁系统模型 灰色励磁控制系统框图则如图3 4 所示： 参 图3 4 励磁系统( 灰色) 传递函数框图 f i g 3 - 4e x c i t a t i o ns y s t e m ( g r e y ) t r a n s f e r 如n c t i o nd i a g r a m 其中p s s 采用m a t l a b 电力系统工具箱提供的模型。 一1 6 一 3 3 4 故障生成器 为考查灰色预测p i d 励磁控制在各种扰动下的行为，利用m a t l a b 的 s i m u l i n k 工具箱将各种故障类型封装为一个子系统，称为故障生成器，如图3 5 所示，其中f - a u l ts w i t c h 是各种故障类型的选择开关，而u o o 上x 分别封装了各故 障的子系统，其主要仿真建模原理是利用s i m u l i n k 中的s t 印模块设置阶跃时间 ( s t e pt i m e ) 、初始值( i n i t i a lv a l u e ) 、阶跃值( f i n a lv a l u e ) 来仿真故障发生时间和故障 切除前后仿真模型参数的变化。 i 份u i t _ s 锄跹hh _ l l 。：i - 。 ”j 。l 7 。7 + a d 窍大母蛀奄匿波动 蠛垮 。i。 一一l 7 处兰榍短路再完全切除赦障 呻m 。帅- x 卜 - x 髓变革匝战苒变双回泼 u d o j - 卜 _ 图3 5 故障发生器框图 f i g 3 5 f a u l tg e n e r a t o rd i a g r 锄 3 3 5 灰色预测若干问题的处理 ( 1 ) 选择合理的采样周期 采样周期的选取直接影响灰色预测的精度。计算实践表明，无论采样周期过 大或者过小，灰色预测都会恶化系统的动态性能，甚至破坏系统的稳定性。目前 还没有确定灰色预测原始信号采样周期的系统方法。经比较，本文采样周期采用 0 0 1 5 秒效果较好。 ( 2 ) 选取合适的预测步数 在灰色预测环节中式( 2 5 ) 的预测步数p 的选取至关重要，只有选取适当的建 模维数，z 和预测步数p 才能比较准确地预测系统行为的发展变化，是灰色预测起 到超前的作用，提高控制的准确性、实时性。考虑到电力系统是大滞后系统，并 耋5i ! i ：；i 苫i ! l ；土j j 盆主王一 且通过大量的仿真试验综合比较，在本设计中选p = 3 比较合适。 3 4m a t l a b 仿真结果 对图3 2 所示单机双回线无穷大系统，将灰色预测p i d + p s s 励磁控制和p i d + p s s 控制进行各种扰动下的仿真比较。 3 4 1 机端给定电压调整( 小扰动) 在稳态运行的情况下，o 0 5 s 时将励磁调节器给定电压珥抬高5 ，其目的是 考查小扰动情况下灰色励磁控制的控制效果，仿真结果如图3 6 所示： ，、1 1 1 趔 n1 1 蠖 v1 0 9 髻1 0 8 矍1 0 7 餐 - 、 倒 吣 援 督 图3 6 机端给定电压调整时的动态过程比较 f i g 3 6 c o m p 捌n go fd y n a m i cp r o c e s so ft h er e f e r e n c ev o l t a g en u c t u a t i o no nt h ee n do fg e n e r a t o r 3 4 2 无穷大母线短路( 大扰动之一) 无穷大母线0 1 s 三相短路、0 2 s 短路切除情况下的仿真结果如图3 7 所示。 、 瑙 ， 吣 嫒 督 5 5 5 0 4 5 00 511 52 2 533 544 5 5 t s 图3 7 无穷大母线短路扰动下的动态过程比较 f i g 3 7 c o m p a r i n go fd y n a m i cp m c e s so fs h o nc i r c u i ti ni n f i n i t e1 ) u s 3 4 3 输电线路误跳( 大扰动之二) 一、 测 n 蠖 = ) 日 删 濮 嚣 一回输电线路0 1 s 误跳、1 s 后恢复双回线路情况下的仿真结果如图3 8 所示。 一6 0 粤 吣5 5 搬 督5 0 1 9 一 t s 趔n蜷一f1出申强暴 ! ! = 垄些奎兰圣兰垦姜垒垦! 竺! = ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! 图3 8 输电线路误跳扰动下的动态过程比较 f i g 3 8 c o m p a r i n go f d y n 锄i cp r o c e s so f t r a n s m i tl i n e j u m pi na c c i d e n t 3 4 4 变压器高压侧短路( 大扰动之三) 变压器高压侧o 1 s 发生三相短路、o 2 s 后切除故障情况下的仿真结果如图3 9 所示。 一 1 j 粤 n 蜷0 o 崮0 锄 辇o 妥 7 0 6 5 魁6 0 吣 媛5 5 督 5 0 0o 511 5 22 533 54 4 55 t s oo 5l1 522 5 33 544 55 t s 图3 9 变压器高压侧短路扰动下的动态过程比较 f i g 3 9 c o m p 撕n go f d y n 姗i cp r o c e s so f s h o r tc i r c u i ti nh i 曲v 0 1 t a g es i d eo f 仃a n s f o n i l e r 由以上仿真结果可以得出，无论是对机端给定电压调整这样的小扰动，还是 对三相短路和线路误跳之类的大扰动，和p i d + p s s 控制相比，在灰色预测p i d + p s s 励磁控制下，不仅机端电压波动和调节时间减小，而且功角波动也显著减少，除 了在变压器高压侧短路扰动下，功角波动增大，这是由于故障点离发电机距离太 近，预测环节效果不理想，此缺点可在灰色预测环节后加上限幅环节加以改善。 3 5 本章小结 本章建立了同步发电机灰色预测p i d 励磁控制的m a t l a b 仿真数学模型，并 盔鱼塑巡盥2 壁丝蕉剑丝邕2 ：j 2 垒笾基 在各种扰动下对p i d + p s s 和灰色预测p i d + p s s 的励磁控制效果进行了对比，仿真 结果表明灰色预测p i d + p s s 励磁控制平息扰动能力更强，调节时间缩短，超调量 也有所减少。仿真结果对灰色预测p d 控制应用于同步发电机励磁控制提供了有 价值的参考信息。 4 励磁调节器硬件系统设计 同步发电机励磁调节器的主控制器经历了单片机，p l c ，工控机的时代， 而现在d s p 以其高速的信号处理能力、强大的嵌入式控制功能等诸多优点而成 为电机控制器的新宠，从而迎来了励磁调节器主控制器的新时代，本章将围绕 t m s 3 2 0 f 2 8l2 为核心介绍基于d s p 控制核心的励磁调节器各单元硬件电路设 计与实现。 4 1 同步发电机励磁调节器的硬件整体结构 流 图4 1 励磁调节器硬件整体框图 f i g 4 1h a r d w a r ei n t e g e rd i a g r a mo fe x c i t a t i o nr e g u l a t o r 如图4 1 所示，同步发电机励磁调节器主要分为以下几个部分：模拟量输 入信号调理单元、锁相环频率跟踪单元、a d 采样模块、d s p 核心控制单元、 串口通讯单