（电力系统及其自动化专业论文）基于plc的多指标非线性励磁控制器的研究.pdf

仃 卿 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：习t1 访卜年6 月比日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：叫 叩1 导师签名彦 o 年f 月矸日 t 1 ， 厂 t 基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 摘要 作为励磁控制系统的重要组成部分，励磁控制器对电力系统的安全稳 定运行有着非常重要的意义。目前的电力系统已发展成为一个具有强非线 性的巨维数动态大系统，对励磁控制器的性能有了更高的要求。随着现代 控制理论的发展，励磁控制方法得到了不断的改进和完善，与此同时，微 电子技术和计算机控制技术的日趋成熟，为功能更强大、控制手段更先进 的微机励磁控制器应用于工业现场提供了先决条件。本文便是在这种背景 下，研究了基于p l c 的同步发电机多指标非线性励磁控制器。 首先，本文讲述了同步发电机励磁控制系统的作用和组成，励磁方式 和励磁控制理论的发展过程，介绍了国内外励磁控制器研究现状的基础， 并说明了同步发电机p l c 励磁的意义。接着详细阐述了发电机非线性励磁 控制中的完全精确线性化设计、输出与扰动解耦控制设计和多指标非线性 控制设计三种设计方法，并将这三种设计方法进行对比分析，验证了多指 标非线性励磁控制设计方法的正确性和优越性。 其次，本文选择西门子s 7 - 2 0 0 p l c 的0 p u 2 2 6 作为控制主机来实现p l c 励磁控制器的设计。介绍了p l c 励磁控制器的总体硬件结构和工作原理， 分别讲述了模拟量处理、移相触发、故障检测的实现方法。模拟量处理主 要包括电压、电流、功率、频率、转差等各种状态量的测量，移相触发单 元用t c 7 8 7 高性能晶闸管三相移相触发集成电路来实现，故障检测单元则 设置了p t 断线检测和触发脉冲丢失检测。在进行软件设计时，采取模块化 的程序设计思想，详细讲述了主程序流程图以及各个功能模块的实现。 在实验室里对整个系统进行了初步调试，结果表明该p l c 励磁控制器 具有良好的性能。本文无论是从非线性励磁控制设计的理论上还是在具体 硬件实现的结果上，都说明了基于p l c 的非线性励磁控制器的可行性和有 效性。 关键词：同步发电机可编程控制器( p l c )励磁控制器多指标非 线性控制 r e s e a r c ho fm u i t i i n d e xn o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l e r b a s e do np l c a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，e x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri sv e r yi m p o r t a n t f o rp o w e rs y s ；t e ms a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o n t h ec u r r e n tp o w e rs y s t e mh a sd e v e l o p e di n t oa h u g ed i m e n s i o no fs 仃o n g l yn o n l i n e a rd y n a m i cl a r g e s c a l es y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h e e x c i t a t i o nc o n t r o l l e rh a sh i g h e l r e q u i r e m e n t s 、m t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o n t r 0 1t h e o r y , e x c i t a t i o nc o n t r o lm e t h o dh a sb e e nc o n s t a n t l yi m p r o v e da n dp e r f e c t e d a tt h es a m et i m e m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sm a t u r e d i tp r o v i d e st h e p r e r e q u i s i t e sf o rt h em o r ep o w e r f u la n dm o r ea d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o l su s e di ni n d u s t r i a l f i e l de x c i t a t i o nc o n t r o l l e r t h i sa r t i c l es t u d i e dt h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb a s e do nm u l t i p l e i n d i c a t o r so fp l cn o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri nt h i sc o n t e x t f i r s to fa 1 1 t h i sa r t i c l ed e s c r i b e dt h er o l ea n dc o m p o s i t i o no ft h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r e x c i t a t i o nc o n t r 0 1s y s t e m t h ee x c i t a t i o nm o d ea n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fe x c i t a t i o n c o n t r 0 1t h e o r y , i n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a de x c i t a t i o nc o n t r o l l e ra n d e x p l a i n e dt h es i g n i f i c a n c eo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rp l ce x c i t a t i o n t h e nc o m p l e t ee x a c t l i n e a r i z a t i o nd e s i g n o u t p u ta n dd i s t u r b a n c ed e c o u p l i n gc o n t r 0 1d e s i g na n dm u l t i i n d e x n o n l i n e a rc o n t r o ld e s i g no fn o n l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o lo fg e n e r a t o r s t h e nc o m p a r e dt h e s e t h r e ed e s i g n ，v e r i f i e dan u m b e ro fi n d i c a t o r so fc o r r e c t n e s sa n ds u p e r i o r i t yo fn o n 1 i n e a r e x c i t a t i o nc o n t r o ld e s i g n 、r 1 1 a t sm o r e t h i sa r t i c l ec h o o s es i e m e n ss 7 2 0 0 p l ct h ec p u 2 2 6p l cf o rt h ec o n t r 0 1 h o s tt oa c h i e v ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rd e s i g n d e s c r i b e dt h eo v e r a l lh a r d w a r es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e o fp l ce x c i t a l i o n c o n t r o l l e r ,a n dr e s p e c t i v e l yd e s c r i b e dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ea n a l o gp r o c e s s i n g ，p h a s et r i g g e ra n df a u l td e t e c t i o n a n a l o gp r o c e s s i n g i n c l u d e sv o l t a g e ，c u r r e n t ，p o w e ra n df r e q u e n c ym e a s u r e m e n to ft h ea m o u n to fv a r i o u ss t a t e s p h a s et h y r i s t o rt r i g g e ru n i tw i t ht c 7 8 7 p h a s eh i g h p e r f o r m a n c ei n t e g r a t e dc i r c u i t st oa c h i e v e p h a s et r i g g e r f a u l td e t e c t i o nu n i ts e tu pp tb r e a kd e t e c t i o na n dt r i g g e rp u l s el o s sd e t e c t i o n t h i sa r t i c l ea d o p t e dam o d u l a rd e s i g np r o c e s sd u r i n gt h es o f t w a r ed e s i g n ，t o l do ft h em a i n p r o g r a mf l o wc h a r ta n dt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e si nd e t a i l w eh a v ep r e l i m i n a r yt e s t e do ft h ew h o l es y s t e mi nt h el a b o r a t o r y , t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep l ce x c i t a t i o nc o n t r o l l e rh a sg o o dp e r f o r m a n c e t h i sa r t i c l es h o w st h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so ft h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do np l ce i t h e l f r o mt h et h e o r yo fn o n l i n e a r e x c i t a t i o nc o n t r o l s p e c i f i c h a r d w a r eo rf r o mt h er e s u l t so ft h e s p e c i f i c h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ；p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ；e x c i t a t i o n c o n t r o l l e r ；m u l t i - i n d e xn o n - l i n e a re x c i t a t i o nc o n t r o l i i ， 弋 目录 第一章绪论1 1 1 同步发电机励磁控制系统的作用1 1 2 同步发电机励磁控制系统的组成2 1 - 3 同步发电机励磁控制器的研究现状及发展趋势2 1 3 1 励磁方式的发展2 1 3 2 励磁控制理论的发展3 1 3 - 3 励磁控制器国内外研究状况5 1 3 4 同步发电机p l c 励磁的意义6 1 4 论文的主要工作7 第二章励磁系统的多指标非线性控制设计8 2 1 同步发电机励磁控制系统数学模型8 2 1 1 同步发电机数学模型8 2 1 2 励磁控制系统数学模型1 1 2 2 发电机非线性励磁控制的一般设计方法1 2 2 2 1 输出函数选取为功角偏差a 8 的完全精确线性化设计1 3 2 2 2 输出函数选取为机端电压偏差的输出与扰动的解耦控制设计。1 4 2 3 多指标非线性励磁控制设计方法1 4 2 3 1 设计原理及控制律的数学推导1 5 2 3 2 多指标非线性设计方法的优越性。1 6 2 3 3 控制规律的仿真验证。1 6 第三章p l g 励磁控制系统的硬件设计18 3 1 可编程控制器概述1 8 3 1 1 可编程控制器的由来和发展状况1 8 3 1 2 可编程控制器的功能及特点1 9 3 1 3 可编程控制器的组成及工作原理。2 0 1 i i 3 1 4p l c 控制系统设计的一般方法2 1 3 2p l c 励磁控制器的硬件结构及工作原理2 4 3 2 1 总体设计2 4 3 2 2p l c 选型2 5 3 3p l c 励磁控制器的硬件设计2 7 3 3 1 模拟量处理2 7 3 3 2 移相触发单元3 2 3 3 3 文本显示器。3 7 3 3 4 故障检测3 7 第四章p l c 励磁控制器的相关软件设计3 9 4 1 可编程控制器应用系统软件设计流程及总体思想3 9 4 1 1 程序设计的主要内容和一般步骤3 9 4 1 2 程序设计的总体思想4 0 4 2p l c 励磁控制器的软件设计4 0 4 2 1 设计总述。4 0 4 2 2p l c 资源及地址分配4 l 4 2 3 主程序流程图及各个功能模块的实现。4 2 4 2 4 中断程序处理一4 8 第五章实验结果分析4 9 第六章结论与展望5 1 参考文献5 2 致谢5 5 声明。5 5 攻读学位期间发表论文情况。5 6 基金资助声明5 7 i v 符号说明 意义 发电机转子转动惯量 原动机的驱动转矩 发电机的电磁转矩 与转速变化成正比的阻尼转矩 发电机转子角速度 发电机功角 发电机转子惯性时间常数 发电机阻尼系数 定子开路时励磁绕组时间常数 发电机输入机械功率 发电机输出电磁功率 阻尼功率 发电机机端电压 无穷大母线电压 发电机空载电动势 发电机暂态电势 发电机励磁电压 发电机励磁电流 发电机转子同步角速度 发电机d 轴同步电抗 发电机d 轴暂态电抗 变压器电抗 输电线路电抗 v 单位或量纲 k g m 2 n m n m n m r a d s r a d s 常数 s 标幺值 标幺值 标幺值 标幺值 标幺值 标幺值 标幺值 标幺值 标幺值 r a d s 标幺值 标幺值 标幺值 标幺值 徘 ， 尬 d 万 乃 d 厶 r 如 够u 目髟哥 材巧 即 舰 ， 一j1i叫i叫 一 一 广西大掌硕士掌位论文基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 第一章绪论 1 1 同步发电机励磁控制系统的作用 目前，同步发电机是世界上最主要的发电设备，其发电量占总发电量的9 0 以上。 随着现代电力系统的飞速发展和同步发电机组容量的不断增大，电力系统的安全稳定运 行面临着巨大的挑战。电力系统出现振荡时，一旦处理不当，将可能引发长时间大面积 停电，严重影响居民的正常生活和工厂企业的生产经营，给国民经济造成重大损失。同 步发电机是电力系统的重要组成单元，而作为同步发电机重要组成部分的励磁控制系 统，主要是通过改变励磁电流的大小来控制同步发电机的运行特性，能控制同步发电机 在一个安全、稳定、良好的状态下运行，因此，同步发电机励磁控制系统对电力系统的 安全稳定运行有着非常重要的影响。 同步发电机励磁控制系统在电力系统中的作用主要表现在以下几个方面【l 】： 一、维持机端电压在给定水平 发电机正常运行时，发电机机端电压应保持在一个恒定值。然而当发电机的负荷发 生变化时，机端电压也会相应的变化，这时，就需要励磁控制系统针对机端电压的变化 情况自动的增减励磁电流，以维持机端电压在一个稳定的水平上。这是发电机励磁系统 最基本也是最重要的作用。 二、合理分配并列运行的发电机间无功功率 多台发电机并列运行时，发电机发出的无功功率与励磁电流有关，并联发电机各自 承担的无功功率取决于各发电机的调差特性。通过励磁控制系统对励磁电流及发电机的 调差系数进行调节，从而控制并列运行发电机间无功功率的合理分配。 三、提高电力系统的静态稳定性 静态极限功率与发电机空载电动势成正比，而发电机空载电动势与励磁电流有关。 能维持发电机端电压为恒定不变的励磁调节器能缩短发电机与系统间的电气距离，提高 系统静态稳定的功率极限，从而提高电力系统的静态稳定性。 四、改善电力系统的暂态稳定性 励磁控制系统主要通过强行励磁和快速励磁来改善系统的暂态稳定性。良好的励磁 控制系统能通过快速强励，减少加速面积，增加减速面积，从而增加人工阻尼，消除第 二摆或多摆失步。 广西大学硕士掌位论文基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 1 2 同步发电机励磁控制系统的组成 同步发电机励磁控制系统是由励磁控制器、励磁功率单元和同步发电机构成的闭环 反馈控制系统，其结构框图如图1 1 所示。 一一一。 i 励磁功率 单元 发电机 励磁控制器 1 i l i 输入信息一一一 电力系统 图卜1 励磁控制系统框图 f i g1 - 1 e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 通常所说的同步发电机励磁系统就是指励磁功率单元和励磁控制器构成的系统。励 磁控制器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，根据检测到的发电机和电网的 电压、电流、频率以及其它状态量的输入信号，按照给定的励磁控制规律来控制励磁功 率单元的输出。励磁功率单元受励磁控制器控制，根据励磁控制器输入的信号向发电机 转子提供励磁电流。 1 3 同步发电机励磁控制器的研究现状及发展趋势 1 3 1 励磁方式的发展 电力系统发展的早期阶段，一般采用直流励磁机励磁方式。直流励磁机是靠机械整 流子换向整流的，因此励磁电流不可太大，否则就会造成换向困难。那个时期的同步发 电机容量不大，所需励磁电流也相应较小，由与同步发电机组同轴的直流发电机供给励 磁电流可以满足当时的工业要求。随着电力系统的不断发展和发电机容量的快速增大， 直流励磁机已经不能满足大容量同步发电机的要求，由于电力电子技术的兴起和蓬勃发 展，半导体励磁方式应运而生，并于2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初在中大型机组上得到 普遍应用。半导体励磁方式分为他励半导体励磁和自励半导体励磁。他励半导体励磁用 与主发电机同轴的交流发电机为励磁电源，再经二极管或可控硅整流后供给发电机励 磁。自励半导体励磁方式中最具代表性的是自并励励磁系统( 静止励磁系统) 。自并励 2 广西大掌硕士学位论文基于p l c 的多指标j 鼻线性励磁控靠u 器的研究 励磁系统通常采用接在发电机机端或者厂用电母线上的励磁变压器提供交流励磁电源， 经过大功率晶闸管整流装置整流后直接控制发电机的励磁。自并励励磁方式具有许多优 点：无旋转部分，结构简单，因此经济、可靠性高；没有同轴励磁机，缩短了主轴长度， 因而可以改善轴系振动，提高轴系的稳定性；由于用晶闸管控制转子电压，因而可以获 得很快的励磁电压响应速度，提高电力系统的稳定水平。鉴于自并励励磁方式的诸多优 点【2 1 ，国内外已经越来越多的把这种励磁方式列为大型同步发电机组的定型励磁方式。 1 3 2 励磁控制理论的发展 励磁控制理论的研究长期以来一直是电力系统领域的一个研究热点，国内外的众 多专家、学者在这方面做了大量的理论和技术研究工作，并结合实际情况不断的加以改 进创新，取得了令人瞩目的成绩。励磁控制理论的研究涉及了电力系统、自动控制、现 代数学、计算机技术等众多科学领域的知识和方法，随着这些科学领域理论水平的不断 提高，技术手段的不断增强，励磁控制理论的研究屡屡获得重大突破，创造了一个又一 个新局面。励磁控制理论的发展大致经历了以下几个阶段： 一、古典励磁控制 上世纪5 0 年代，励磁控制理论主要是基于线性传递函数的单变量输入设计方法。 最初的励磁控制目的主要是维持发电机机端电压在一个稳定水平上，大多按发电机机端 电压偏差进行比例式励磁调节。随着电力系统对发电机励磁控制功能的要求，由仅仅维 持机端电压扩展到提高发电机运行静态稳定极限以及稳态电压调节精度等方面的要求， 于是，便产生了按发电机端电压偏差的比例一积分一微分调节的p i d 励磁调节方式1 3 】。 p i d 励磁调节方式虽然能在一定程度上协调静态误差和保证暂态稳定性，但是却不能有 效改善系统的动态品质。由于这一时期的励磁调节器主要以发电机电压调节为主，因而 被称为自动电压调节器( a v r ) 。 当输电线路距离增长，负荷增大时，由于快速励磁系统的惯性以及励磁调节器按电 压偏差比例调节会减弱系统的阻尼能力，一旦系统出现了所谓的“负阻尼 ，就会使电 力系统产生低频振荡。为了提供人工阻尼，抑制低频振荡，改善电力系统稳定性，美国 学者采用了古典控制理论中的相位补偿原理，于1 9 6 9 年提出了以发电机的转速或者角 频率( 有功功率) 为反馈量的电力系统稳定器( p s s ) 。由此便诞生了a v r + p s s 结构的 励磁控制器，并沿用至今【4 1 。这样，励磁控制理论由基于线性传递函数的单变量输入设 计变成了多变量输入设计了。 二、线性最优励磁控制 1 9 6 0 年p e 卡尔曼( k a l m a n ) 建立了现代控制理论基础，从此便展开了现代控制理 论在电力系统中应用的研究序幕。其中，以状态空间描述方法为基础的状态空间法获得 迅猛发展。加拿大的余耀南先生在2 0 世纪7 0 年代首先提出了将最优控制理论应用到电 力系统中【5 6 】。电力系统是一个多变量、复杂的非线性系统，建立了完整的控制系统状态 广西大学硕士学位论文 基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 空间描述方法的线性最优控制理论相对于建立在线性传递函数的古典励磁控制方法，具 有如下几个优点： 1 有一套严格而完整的设计理论，在参数调试方面，比在很大程度上依赖工程实际 经验的p i d + p s s 设计方法更加科学、合理； 2 适用于多控制量系统，适用于时变的线性系统、非线性系统和离散系统； 3 可根据实际要求用解析的方法得出最优控制律； 4 具有更好的动态性能，在鲁棒性和适应性上也大大改善。 线性最优励磁控制是基于电力系统局部线性化模型而来的。该方法从理论上讲可以 在运行点附近具有很好的控制性能，其优越性能主要表现在能改善电力系统小干扰稳定 性。然而，由于它只是电力系统在特定状态下的线性化处理，因此当电力系统遭到大扰 动，发电机的工作运行点偏离所设计的平衡点较多时，其控制性能就难以取得良好的效 果。正是因为这种设计方法对电力系统的变化没有较好的适应性，故而至今还只是停留 在试用阶段，没能得到广泛应用。 三、非线性励磁控制 上述几种励磁控制设计方法均是基于电力系统的局部线性化模型而来的，只能针对 于线性定常系统。而目前的电力系统已经是一个结构复杂，强非线性的动态大系统，其 运行状态时刻在发生着变化。如何设计一种励磁控制器，使其能够有效跟踪系统运行状 态的变化，并能够及时精确的进行控制，成为摆在人们面前的一个重要课题。 长期以来，由于人们一直找不到适合解决非线性系统的数学方法，使得非线性励磁 控制的研究停滞不前。早期的非线性系统研究方法主要有相平面法、描述函数法、李亚 普诺夫稳定性理论等，但都因为这些方法存在着这样或那样的缺陷而不能得到很好的应 用。例如相平面法只能解决低阶非线性系统问题；描述函数法只是近似的将系统的非线 性部分线性化描述，并不精确；李亚普诺夫直接法的障碍在于很难构造一个正定的李函 数；唯有李亚普诺夫间接法简单、直观，对于工程应用有较高的实用价值，但还不能完 整的描述非线性系统。直到二十世纪七、八十年代，随着微分几何理论的兴起，非线性 动力学的发展，非线性系统控制理论的研究取得了重大突破【7 1 1 】。八十年代，我国清华 大学的卢强院士开始了基于微分几何控制理论的非线性励磁控制器的研究，并取得了重 大研究成果。这种非线性励磁控制设计方法，通过适当的非线性坐标变换，可以将非线 性系统完全精确线性化，然后利用成熟的线性最优控制理论对原非线性系统进行控制设 计。实际研究表明，所设计的非线性励磁控制器，对大扰动具有良好的控制效果，能明 显改善系统的动态品质，对电力系统的运行变化有很强的适应能力。 完全精确线性化的非线性励磁控制设计方法尽管在仿真实验中具有良好的控制效 果和动态品质，却也有其缺陷性，主要表现在两点：一是对发电机机端电压的控制效果 不佳，即不具有良好的静态性能；二是其控制规律中存在高阶导数信号，不利于实际工 程应用。针对上述情况，李啸骢教授经过深入研究，提出了能同时兼顾系统的动静态性 4 广西大学硕士学位论文基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 能的多指标非线性励磁控制设计方法，并从工程实用角度进行了充分的研究论证，取得 了一系列重要的研究成果【1 2 , 1 3 】。 四、智能励磁控制 近年来，智能励磁控制成为了电力系统领域的又一个研究热点，其发展趋势如火如 荼。智能励磁控制是将专家系统、模糊控制、人工神经网络、遗传算法等智能化控制手 段应用到励磁控制中。与前面基于控制对象的精确数学模型的设计方法不同，它基于智 能概念模型，并将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，具有处理非线性、自适应、 自学习、自组织等多方面的能力。目前，智能励磁控制大多还处于仿真模拟阶段，要想 应用到实际工程中还要做很多的研究工作【1 和1 刀。 1 3 3 励磁控制器国内外研究状况 在半个多世纪的时间里，励磁控制器的发展大致经历了机电型、电磁型、半导体型 和数字式励磁控制器 1 8 , 1 9 】。最早期的机电型励磁控制器早已退出了历史舞台，上世纪5 0 年代开始出现的电磁型励磁控制器通常只应用于直流励磁机系统，半导体型励磁控制器 则用于交流励磁机系统。上述这些模拟式励磁控制器，各个单元功能的实现都需要相应 的硬件电子电路来实现，随着电力系统的发展，对发电机励磁控制功能的要求也越来越 多和越来越高，这样，模拟式励磁控制器的硬件电路势必变得复杂，操作和维护起来也 不是那么方便。随着计算机技术的飞速发展，数字式励磁控制器成为了新的发展趋势。 数字式励磁控制器采取软硬件相结合的方式，很多在模拟式励磁控制器中需要通过专门 硬件电路实现的功能，在数字式励磁控制器中只需要通过编程就能实现，这样就大大的 减少了硬件电路的负担，而且，通过编写程序还能实现许多单靠硬件电路难以实现的控 制功能。在控制精度上，软件实现比硬件实现方式更好，在参数调试方面，软件实现也 比硬件实现更灵活方便 2 眦3 1 。 国外的微机励磁控制器的研制始于上世纪7 0 年代，到8 0 年代投入到工业应用。其 中，三菱公司1 9 9 3 年投运了m e c 5 0 0 0 型微机励磁控制器，a b b 公司的u n i t r o l d 型多微机励磁控制器在李家峡电厂使用【2 4 1 ，s i e m e n s 公司生产的微机励磁控制器也在 三峡大机组上安装使用。此外，英国、美国、奥地利、加拿大等国家也开发出了自己的 微机励磁控制器。这些微机励磁控制器，大多以可编程序控制器或高速微处理器为控制 核心，结构紧凑，可靠性高。 我国的微机励磁控制器的研制开始于上世纪8 0 年代，最早的微机励磁控制器是由 电力部南京自动化研究所研制【2 5 1 ，并于1 9 8 5 年正式投入运行。之后各大院校和科研研 究所也纷纷展开微机励磁控制器的研究工作，并取得了丰硕的成果。其中，中国电力科 学研究院与南京自动化设备长合作研制了以1 6 位工控机为核心的w k k l 1 型微机励磁 控制器；华中科技大学先后与东方电机股份有限公司和能达通用电气有限公司合作，研 制了线性最优微机励磁控制器；清华大学研制了g e c 1 型非线性微机励磁控制器；此 5 基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 外，福州大学、广西大学、武汉洪山电工技术研究所等科研单位也都研制出了自己的微 机励磁控制器。 1 3 4 同步发电机p l c 励磁的意义 随着电网规模的扩大，出于系统安全的考虑，对机组运行的稳定可靠性有了更高的 要求。励磁控制器，作为对发电机控制的一个重要手段，就需要具有反应速度快、控制 灵活、通信方便等优良性能，尤其是可靠性要高。同步发电机组采用微机励磁控制器已 是大势所趋，现将p l c 控制系统与一般计算机控制系统做了一下对比，具体情况如表 1 1 所示： 表1 - 1p l c 与一般计算机的对比情况 t a b1 1p l cc o m p a r e dw i t ht h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft h ec o m p u t e r 比较内容一般计算机 p l c 工作方式中断方式，程序等待条件满足 扫描方式，条件不满足程序 继续执行 系统软件功能强大，占用存储空间大功能专用，占用存储空间小 编程语言汇编语言，高级语言，需专门培训才能掌梯彤图、功能块图、语句表， 握编程语言容易掌握 生产工艺一般标准严格要求，经过许多特许处 理，超过一般标准 可靠性 商业级要求工业级要求 扩展性 不易扩展 扩展方便 工作环境 要求较高 对环境要求不高，以适应工 业现场环境要求 适用领域家庭、办公室、管理、科学计算专门用于工业过程控制 综合来讲，p l c 较一般计算机在工业控制应用中有以下优势： 1 能适应恶劣的工业环境，具有很强的抗干扰能力； 2 从不“死机 ，可靠性非常很高，因而不需要多通道技术，使得硬件结构简单的 多； 3 模块化结构，工业适应性设计，硬件扩充简单可靠； 4 采用与工业现场相配合的梯形图编写程序，简单易懂，便于修改和技术交流。 此外，p l c 还具有运算速度高、指令丰富、组网能力强、控制灵活等特点，完全能 满足现代控制技术的要求和适应现代工业生产的需要。因此，以p l c 为控制核心的同 6 广西大学硕士学位论文基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 步发电机励磁控制器由于其高可靠性和强抗干扰能力等优点，能适应电力系统的运行工 作环境，保证机组的安全稳定运行。 1 4 论文的主要工作 励磁控制器在电力系统的实际运行中有着举足轻重的地位，设计出性能优良、能够 适应现代电力工业发展需要的励磁控制器，一直以来都是人们孜孜不倦追求的目标。目 前，在励磁控制器的实际工业应用中，虽然微机励磁控制器的应用已相当普遍，但其软 控制方法大多还采用经典的p i d + p s s 控制方法，难以从根本上改善电力系统的动态品 质。输出函数选取为单状态量的非线性励磁控制设计方法则由于不能协调系统的动、静 态性能，并且常需要采集一些状态量的高阶导数信号，而难以应用到工程实际中。本文 的主要任务就是设计出一个能适应工业现场的且软控制方法比较优秀的同步发电机励 磁控制器。 考虑到所设计的励磁控制器要能很好的适应工业现场，选择了p l c 作为励磁控制器 的主机，在软控制方法上采用多指标非线性励磁控制设计方法。本文的主要工作有以下 几个方面： 1 介绍励磁系统的作用及组成、励磁方式和励磁控制理论的发展过程，并阐述了同 步发电机p l c 励磁的意义； 2 详细阐述了同步发电机非线性励磁控制的有关设计方法，并验证了多指标非线性 励磁控制设计方法的正确性和优越性； 3 对可编程控制器进行了简单介绍，详细讲述了p l c 励磁控制器硬件电路的设计。 4 进行了p l c 励磁控制器相关软件程序的设计； 5 对本文工作进行全面总结和思考，并对今后的工作提出了展望。 7 基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 第二章励磁系统的多指标非线性控制设计 2 1 同步发电机励磁控制系统数学模型 2 1 1 同步发电机数学模型 一、转子运动方程 根据牛顿力学第二定律，发电机转子角加速度与作用在发电机组轴上的转矩关系 为： j a = m 。一m 。一m d 2 - 1 而发电机转子转速、角加速度和转子运行角的数学关系为： 口：塑：堡2 - 2口= = d td t 2 因此2 1 式可以改写为： ，窘地叫。一m 。 2 3 当上式中所有的量都采用标幺值时( 以下皆采用标幺值) ，发电机组转子的转动惯量通 常用下式表示： j ：旦：互2 4 2 矾缈。 其中： 乃= 2 7 4 1 g d _ 2 一n 2 1 。一3 秒 在建立电力系统数学模型的时候，一般不采用转矩而采用功率，而转矩与功率之间的关 系是： m ：一p 2 - 5 可得到2 - 3 式的实用形式为： 互百d 2 6 ：ld 竺：己一e 一昂 2 6 0 3 0 d t 2 0 3 0 a c t ”。“ 其中，近似的取阻尼功率为： 易= 昙警 2 7 发电机转子运行角和发电机转速的关系为： 掣：国嘞 2 8 i 2 国一 z 芍 2 - 6 式、2 7 式和2 - 8 式三式联立便是描述转子运动方程常用的一组表达式。 二、输出功率方程 根据定义，三相同步发电机输出的有功功率有名值的表达式为： p 。= ”di 口+ u6 i 6 + “。i c 2 - 9 经过a 、b 、c 坐标与d 、q 、0 坐标之间的变换可得： p e = u 继i d + uf q i q 2 _ 1 0 在忽略发电机定子绕组的条件下，根据电磁感应定律，并假定发电机做恒定同步旋转， 则可知d 轴与q 轴绕组电压与对应的磁链之间的关系为： u 脚= 一 2 _ l l a u 向= y d 2 ll b 将原a 、b 、c 三相磁链与定子电流f 。，i 6 ，i 。及励磁电流，的关系式经过a 、b 、c 坐标与d 、 q 、0 坐标之间的变换，可得到d 轴与q 轴的磁链表达式为： 咿d = x 谢if x d i d 2 1 2 a = 一x q i 口 2 - 1 2 b 其中，表示由励磁电流产生的穿过气隙的磁通以c o 转速旋转从而在定子绕组中产 生的电势，由e q 表示： e q = x l d if 2 _ 1 3 将2 1 1 式和2 1 3 式代入2 1 2 式中，得到： u 廊= e g 一为屯 2 - 1 4 a u 彤= x q i g 2 - 1 4 b 将2 1 4 式代入2 1 0 式中便可得到发电机有功功率的表达式： 只= e q i q + ( 一x d ) 屯i g 2 - 1 5 将发电机端电压转换成d ，q 两轴分量为： 附u y q u x s i n 8 i 2 舶 联立2 1 4 式和2 1 6 式可解得发电机定子电流d 、q 轴分量： f ：e q - u y c o s 2 - 1 7 1i a z j = 一 4 。xd 铲万 2 _ 1 7 b 将2 1 6 式及2 1 7 式代入2 1 0 式中，便可得到以空载电势、机端电压和发电机功角( 空 载电势和机端电压两矢量间的夹角) 表示的发电机有功功率表达式： 耻e 勤q u fs i n 6 + ( i 1 一1 竖2 s i n 2 万 2 - 1 8 x d x q x d 若发电机为隐极式( = ) ，则其功率表达式为： e ； s i n 万 2e e q u f 1 9 9 广西大学硕士掌位论文 基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 q = 伊虿= 厄而瓢硼丽 2 锄 = u 内i d u 掰i q 将2 1 6 式及2 1 7 式代入2 1 9 式中，便得到发电机无功功率的表达式： q = 警c o s 万一融1 1u 一+ b 1 i u f 2 - c o 蹦2 埘 若为隐极式，则： q ：盟c 砌一竺 2 - 2 2 以上给出了发电机输出功率的一般实用表达式，下面将给出单机无穷大系统中的发 电机输出功率方程。 与2 - 1 6 式同理，将无穷大母线电压分解为d 轴与q 轴分量： 阱u s du , s i n 8 7 2 彩 计及变压器电抗曲与输电线路电抗吒，发电机定子电流可表示为： e q usc o s 6 d2 x d f , 屯：堡s i n 万 2 2 4 a 2 2 4 b 其中：x 压= 为+ _ + 吒， 工。= x 。+ 曲+ 吒，若以暂态电势e ；表示屯，则有： 屯：生等型 2 - 2 5 幻2 二一 x 应 其中：工z = x ：+ x r + x 工 由2 1 0 式可知，若忽略变压器及输电线路电阻上的有功损耗，则发电机输出的有功功 率为： p e = u s d i a + u s q i o 2 - 2 6 将2 - 2 3 式、2 - 2 4 b 式及2 - 2 5 式代入2 - 2 6 式中得到发电机输出有功功率方程： = 警咖万+ 譬 鲁卜 2 彩 若为隐极式，可近似的令嘭= ，则有： ：_ e q u ss i n 占 2 2 8 j 扼 依次可以求得发电机输出无功功率方程为： l o 广西大掌硕士学位论文基于p l c 的多指标非线性励磁控制器的研究 q = 警c o s 万蔓2 警+ 堕2 ( 爱 c o s 2 万 2 圆 x z 工2 工g zix 岳工g zj 若为隐极式，可近似的令z ：= ，则有： q ：华c 刚一车 x 匹x 拉 三、励磁绕组电磁动态方程 励磁绕