（电力系统及其自动化专业论文）基于智能控制的同步发电机励磁控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t 、斫t hg e n e r a t o ru n i tc a p a c i t ya n dt h es c a l eo ft r a n s m i s s i o n l i n es y s t e mo fe l e c t r i cp o w e r b e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r , h i g h e ra n dh i g h e rs t a n d a r dd e m a n d sa r em a d eo nr e l i a b i l i t ya n d d y n a m i cq u a l i t yo fe x c i t a t i o nc o n t r o lf o rg e n e r a t i n gs e ta n de l e c t r i cp o w e rs y s t e m b e i n g c o n f r o n t e dw i t hm o r ea n dm o r ed i 伍c u l ti nc o n t r 0 1p r o c e s s a n dw i t h o u te x a c tm a t h e m a t i c m o d e l ，t h e 仃a d i t i o n a la n dg e n e r a lp i dc o n t r 0 1 w h i c hi sb a s e du p o ne x a c tm a t h e m a t i cm o d e l i sn ol o n g e rs a t i s f y i n gt h ed e m a n d so ft h ed y n a m i ca n ds t a t i cq u a l i t y i no r d e rt oo v e r c o m et h i sd e f i c i e n c y ，s c h o l a r sa th o m ea n da b r o a dc o m b i n e dt h ep i d c o n t r o lw i t hf u z z yc o n t r o lb e l o n gt oi n t e l l i g e n c ec o n t r o lt h e o r y ， e x p l o i t e dt ot h ef u l l ym e ：i r f a v o u r a b l ec o n d i t i o n sa n da v o i du n f a v u r a b l eo n e s ，a n dd e v e l o p e dm u l t i f o l df u z z yp i d e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r s h o w e v e r ，a st h eg e n e r a lf u z z yc o n t r o l l e rf a c t o r sc a n tb ec h a n g e d o n c es e t e d ，t h ec o n t r o l l e rc a n ta d a p tt h es y s t e mp a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，t h ef u z z yc o n t r o l l n e e d sl u t h e ri m p r o v e d t h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fs 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 nc o n t r o l1 a wi s a n a l y s e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h es y s t e m a t i cs t u d yo ff u z z yc o n t r o lt h e o r ya n di n d u s t r i a l p i dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，ak i n do ff u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yi sp u tf o r w a r dw i t ht i m ec h a n g e q u a l i t ya n dn o n l i n e a r i t yo fc o n t r o l l e dp l a n ti sc o n s i d e r e d ，w h i c hi sb o m b i n e df u z z yc o n t r o l w i t hp i dc o n t r o l ，a n dt h ef u z z yp i de x i t a t i o nc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e d t l l i sc o n t r o l l e ri s c h a r a c t e r i z e db ys i m p l e n e s sa n dh i 曲a c c u r a c yo fp i dc o n t r o la n dg o o da d a p t a b l i t ya n d r o b u s t n e s so ff u z z yc o n t r 0 1 a f t e rt h r o u g hi n - d e p t hs t u d yo ff u z z yc o n t r o lt h e o r y , an e wk i n d o ff u z z yp i db a s e do nt h em i n do fv a r i a b l eu n i v e r s eh a sb e e nd e s i g n e d ，t h e nal o to f c o m p a r a t i v e s i m u l a t i o nh a sb e e n p r o p o s e du n d e rt h es i t u a t i o no fs y s t e mp a r a m e t e r s c h a n g i n ga n ds u f f e r i n gd i s t u r b a n c eb yu s i n gt h ea b o v em o d e l sa n dm a t l a bs i m u l a t i o n s o f t w a r e a n dt h er e s u l ti n d i c a t et h a tt h ev u f p i de x c i t a t i o nc o n t r o l l e rh a sb e t t e rc o n t r o l i n g e f f e c ta n dr o b u s 协e s st h a nt h eg e n e r a lp i de x c i t a t i o nc o n t r o l l e r sd o k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ；f u z z yc o n t r o l ；p i dc o n t r o l ；e x c i t a t i o nc o n t r o l ；v a r i a b l e u n i v e r s e 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 首次将变论域模糊p i d 励磁控制算法应用到电力系统同步发电机励磁控制中。在 模拟实际运行环境下对系统进行仿真测试，通过对控制系统的响应速度、超调量、调 节时间等性能指标的对比分析，验证了算法的有效性和优越性。 学位论文作者签名：扬嵩亟 日期： 加幻f 劣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“，) 学位论文作者签名：狗瘤蕴 导师签名：肛历 日期：即厂d 年f 月谚日 日期：砷年岁月筇日 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 随着以大机组、超高压电网为特点的大规模电力系统的迅速发展，以及各种电力 电子设备的广泛使用，电网结构日益复杂，电力系统的安全稳定运行面临着严峻考验； 同时，系统的动态特性对控制的要求也越来越高。因此，设计性能优越的控制器，改 善电力系统，尤其是大型电力系统的稳定性和运行性能，就成了电力系统研究的重要 课题。 提高电力系统稳定运行有许多方法，如改善输电网结构、汽轮机快关技术、减小 发电机和变压器电抗、采用快速励磁等等。实践证明，采用控制发电机组的方法比其 它方法具有明显优势，按效益投资比及易于实现来说励磁控制又是最好的方法，因此 有的国家将其列为基本措施。美国电力系统专家c c o n c o r d i a 曾指出，“快速励磁及其 控制”为电力系统( 稳定) 分析开辟了一个全新的方向【2 】，。目前，研究电力系统稳定的方 法和手段主要是采用新型电力设备及控制方式【3 456 l ，如串联电容补偿装置( t c s c ) 、中 间变电所中的同步调相机和静止补偿器( s v c ) 、电气制动( t c b r ) 、静止无功发生器 ( s t a t c o m ) 和电力系统的励磁控制等等。而励磁控制则可以通过在原系统的基础上， 只改变系统的算法而不要追加其它元件的经济有效的办法，来达到提高电力系统的稳 定性并弥补传统励磁控制器的不足之处。因此研究和推出简单可靠、性能优良、价格 低廉的励磁控制系统，不仅具有重要的理论意义，也同样具有现实意义和经济意义。 1 1 同步发电机励磁控制的意义 运行中的同步发电机的励磁电流，无论在正常或事故情况下，都要进行调节。同 步发电机的励磁系统一般是由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成。励磁功率单元 向发电机转子提供励磁电流( 直流电流) ；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控 制励磁功率单元的输出。整个控制系统是一个反馈闭环控制系统。优良的励磁控制系 统不仅可以保证发电机可靠运行，为电网提供合格的电能，而且还可以有效地提高电 力系统的技术指标。由于这些参数直接影响到系统的运行状态，因此在某种程度上也 可以说，同步发电机的励磁装置也影响着系统的运行状态，特别是系统的稳定性和励 磁控制的方式也密切相关，它的主要作用是： ( 1 ) 控制电压 电力系统在正常运行时，负荷是经常波动的，同步发电机的功率也就相应变化。 随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节，以维持发电机机端电压恒定，或者使系 统中某一点的电压在给定的水平。自动调节励磁担负了维持电压水平的任务。 ( 2 ) 控制无功功率的分配 两台具有正调差系数的发电机组在公共母线上并联运行时，随着无功负荷的增加， 母线电压将略有下降，两机组分别承担一部分增加的无功负荷，机组间无功负荷的分 配有固定的关系，并取决于各机组的调差系数。因此，自动调节励磁还担负着并联运 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 行机组间无功功率合理分配的任务。 ( 3 ) 提高同步发电机并联运行的稳定性 自动调节励磁能够显著地提高电力系统的静态稳定，对于改善电力系统的暂态稳 定也有一定的作用，当发电机与系统联系较弱时，励磁调节器如果附加以其它控制信 号，能抑制系统中可能出现的低频振荡。 ( 4 ) 改善电力系统的运行条件 当电力系统由于某种原因，出现短时间电压降低时，自动调节励磁可以增加励磁 以提高系统电压。例如在短路故障切除后，它可以加速系统电压的恢复过程，从而改 善异步电动机的自起动条件，由于电动机自起动时需要吸收大量的无功功率，延缓了 电网电压的恢复过程，发电机强行励磁可以加速系统电压的恢复，有效地改善电动机 的运行条件。 因此，研究开发新型励磁调节器控制策略，提高控制器的鲁棒性、适应性，使机 组稳定运行于各工况，是一项迫切而艰巨的任务 1 2 同步发电机励磁发展历程及现状 控制理论的发展是由单变量到多变量，由线性到非线性，最终向智能控制方向迈进， 励磁控制规律也经历了与之完全相适应的发展过程。 励磁控制器的控制规律研究一直是控制领域和电力系统一个极为活跃的课题。同 步发电机的励磁控制技术总是随着控制理论的发展而发展的，控制理论的每一步发展 都将引起同步发电机励磁控制技术的突破。从上世纪4 0 年代开始，励磁控制规律主要 经历了以下几个发展阶段【7 】1 1 2 】。 ( 1 ) 古典励磁控制 这种励磁控制规律以古典控制理论为基础，首先从单机系统的分析和研究开始， 提出了按机端电压偏差调节的比例调节方式【”】。由于比例调节方式是以电压调节为主 的单一调节方式，不能很好的满足系统稳定以及稳态调压精度等多方面的要求，于是 人们提出了按电压偏差调节的p ( 比例) 一i ( 积分) 一d ( 微分) 调节方式。这种电压调节方 式的基本功能是调节发电机机端电压和分配机组间无功功率，它在一定程度上提高了 系统的静态和暂态稳定性 1 4 】【1 5 】，但是仍然无法有效地解决其在调节精度和稳定性之间 的矛盾。此外，p i d 调节方式在提供人工阻尼方面也存在不足电力系统采用快速励磁 控制方式之后，系统出现阻尼特性恶化、低频振洌1 6 】等现象，对于这些现象，比例调 节和p i d 调节没有良好的控制效果，为了解决这一问题，d e m e l f o 采用了古典励磁控 制技术的相位补偿技术，提出了发电机的励磁附加控制技术电力系统稳定器( p s s ) 。 这种励磁控制技术除了保留p i d 调节外，还增加了一个发电机转速偏差a c o 、功率偏 差a p e 或频率偏差厂作为输入信号的二阶超前校正环节，其作用是增加对电力系统机 电振荡的阻尼，以增强电力系统的动态稳定性。p s s 在单机一无穷大系统中的应用已 取得了良好的效果【17 1 ，能有效的抑制系统的振荡，提高系统的稳定性，因此在国内外 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 都获得了广泛的应用。但是，p s s 在多机系统中还存在一些问题尚未解决。 ( 2 ) 强力式励磁控制 为了保证大型水轮发电机远距离输电稳定性和抑制电力系统低频振荡，前苏联专 家在2 0 世纪5 0 年代末期研制了强力式励磁调节器【l 引。这种励磁调节器设计的基本思 想是：利用与功率有关的多个参量进行综合控制以阻止低频功率振荡和提高电力系统 运行稳定性。一般采用发电机频率偏差及其一次微分以及发电机定子电流及其微分等 作为辅助反馈量。在设计方法上，他们则采用“d 域划分法”确定参数的共同稳定域， 但由于变量较多，这种方法设计相当不方便，参数整定很大程度上依赖现场调试人员 的经验，因而这种强力式励磁调节器只在原苏联成员国内得到应用，在国际上未得到 推广应用。 ( 3 ) 线性最优励磁控制 随着线性最优控制技术的发展，为了进一步改善电力系统小干扰稳定性及其动态 品质，7 0 年代初国际上一些学者提出了线性最优励磁方式( l o e c ) 1 9 】。用线性最优控制 技术设计的线性最优励磁控制器具有很宽的适用范围，能够满足电力系统运行方式变 化的要求。从理论上讲线性最优励磁控制可以从根本上解决电力系统的多种模式振荡 问题，能取得比p s s 更好的效果。 1 9 8 4 年，我国研制出第一台工业l o e c 装置，安装于甘肃省碧口水电厂1 0 0 m w 的 1 号水轮发电机组上，标志着线性最优励磁控制技术基本上达到了工业应用阶段。线性 最优励磁控制除弥补了p s s 控制的不足之处外，在设计原理和控制技术方面都前进了 一步。但是，线性最优励磁控制亦存在一些不足，它的使用是有前提的，控制系统对 应的黎卡梯方程有真解。这就包含以下几个条件：( 1 ) 系统必须完全可控；( 2 ) 在所选的平 衡状态下系统必须存在最优控制解；( 3 ) 其结构参数必须是确定的常数；( 4 ) 由于使用的 是二次型指标，它只适用于系统受到的扰动为脉冲型的情况。这个前提使得该励磁方 式只适用于符合上述理想状态的系统此外，这种针对电力系统局部线性化模型设计的 控制器对于强非线性的大干扰控制效果不理想，而且由于它未能考虑各个子系统之间 的相互作用和影响，难以达到最佳的整体协调配合。 ( 4 ) 非线性励磁控制 电力系统是一个非线性动力系统，它的工作条件和运行状态时刻都在发生变化， 若想要真实地反映系统及其运行的状况，系统的模型就必须选择非线性的模型。前面 介绍的几种励磁控制规律有一个共同点：它们的数学模型都是线性化的数学模型。使 用这种数学模型设计出来的励磁控制器，仅在其设计点受n d , 扰动时作用正确，当系 统的运行状态远离设计点时，它的控制作用会减弱，甚至起到相反的作用。随着非线 性控制系统研究方法的逐渐建立和发展，非线性励磁控制方式的研究也取得了令人瞩 目的成就，形成了一套独特的设计方法上世纪8 0 年代末，根据非线性控制系统的微分 几何结构原理，提出了非线性励磁控制器【2 卅仪e c ) 。计算机仿真结果表明，无论对单机 一无穷大系统还是多机系统，非线性励磁控制器与p s s 、线性最优励磁控制器相比， 能更有效的改善系统的小干扰和大干扰稳定水平，并且对电力系统参数、结构和运行 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 方式的变化有很强的适应性，使得系统振荡频率在较大范围内改变的情况下非线性励 磁控制器仍能提供有效的阻尼作用。 我国在非线性励磁控制方面的研究处于世界领先水平。目前，基于微分几何理论 的非线性励磁控制器己在一些电厂试运行。非线性励磁控制器的缺陷是：微分几何控 制理论在涉及系统的可逆性质和在动态反馈下的结构性质时呈现病态，并且在使用这 种方式时系统的参数必须确切可知。此外，微分几何控制理论的研究对象是放射非线 性系统，它只适用于这种理想状态下的情况。除了基于微分几何理论的非线性励磁控 制器外，目前正在研究的非线性励磁控制还有：基于大范围直接线性化的非线性励磁 控n t 2 1 1 ，基于李亚普诺夫稳定性理论的非线性励磁控制 2 2 】，基于h 一。o 鲁棒控制【2 3 】的 非线性励磁控制以及基于变结构控制【2 4 】的非线性励磁控制等。虽然在理论上证明这些 控制规律对电力系统具有较好的控制效果，但是由于其理论尚未完全成熟，其数学工 具又具有一定的抽象性、复杂性，使得非线性励磁控制规律的推广应用受到了严重的 影响，到目前为止仍停滞在理论研究阶段。 ( 5 ) 自适应励磁控制 自适应控制在电力系统中的应用研究始于2 0 世纪8 0 年代初，其目标是使控制系 统自动跟踪被控系统在运行过程中发生的结构、参数等的动态变化，不断修正控制器 参数或者调节控制策略以达到最佳控制。由于自适应控制方法自身具有的特点，多年 来人们一直重视其在电力系统中的应用研究。在电力系统励磁控制中，可以解决p s s 、 l o e c 等方法存在的实际运行点离设计运行点偏移较大时控制效果变差的问题。目前， 关于这种励磁控制规律的研究已取得了不少有意义的成果 2 ”6 | ，大量研究表明自适应 励磁控制的控制效果优于其它参数固定的励磁控制方式。自适应励磁控制存在的不足 之处在于：需要在线辨识系统的参数变化，并用估计参数代替真实的参数，算法复杂， 计算量过大。由于电力系统的电磁暂态过程变化很快，要求运算速度快，而自适应励 磁控制的计算量过大导致的运算速度缓慢使其在快速时变电力系统中的实际应用还存 在一定的困难。 ( 6 ) 智能励磁控制 智能控n t 2 7 2 8 2 93 0 3 包括了：人工神经网络控制、模糊控制、专家控制、以及基于进 化算法的控制等。他们的基本特点是不依赖于被控对象的精确数学模型，而是基于某 种智能概念模型，将控制理论和人们的经验与直觉推理相结合，具有处理非线性、并 行计算、自适应、自学习、自组织等方面的能力。虽然智能控制具有多种优点，但是 目前它们应用于励磁控制的研究尚停留在仿真试验阶段，一些得到实际应用的例子只 是限于简单的系统，要想把它们在实际应用中推广还有很多理论和实际的问题需要解 决。 前面所提到的各种励磁控制规律都有各自的优点和不足，每种控制策略在解决某 一方面的问题时有着良好的效果，但是往往在设计或控制过程中都有难以解决的问题。 因此，如果将这些控制方法结合起来，最大限度的发挥这些控制方法的优点，并尽量 避免它们的不足，将会把电力系统的励磁控制推到一个全新的阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 1 3 本文的主要工作 同步发电机励磁控制系统是非线性、参数时变、要求响应速度快的实时闭环反馈 控制系统，对励磁自动控制系统提出了较高的控制要求。虽然研究励磁控制己有多种 方法，取得了不少成果，但尚存在不少的问题。随着新技术和新理论的发展，开辟智 能型的励磁控制系统是其发展方向。 本文从对励磁自动控制系统的控制要求出发，对励磁控制系统进行了理论分析， 在常规p d 控制方法的基础上，将模糊控制系统与p d 控制相整合；实现了模糊p d 控制系统。在对模糊控制进行深入研究的基础上，对传统的模糊控制进行改进，设计 出了一种新型的基于变论域思想的模糊p d 励磁控制器，其设计原理是根据输入变量 的偏差以及偏差变化的实时改变，自动更新模糊控制的隶属度函数论域，从而使控制 效果更精确；使所设计的励磁控制系统具有更优良的控制效果。所以本文的研究具有 理论意义和较高的实用价值。现将本文所作的主要工作总结如下： 1 分析了同步发电机励磁控制系统在电力系统控制中的重要作用，全面综述了目前 各种励磁控制器设计方法的优劣，并在此基础上提出了采用模糊理论和p d 相结合的 方法来设计新型的智能励磁控制系统。 2 在分析同步发电机励磁控制系统原理的基础上，推导并建立了以状态方程表示的 单机无穷大系统的数学模型，同时，从研究同步发电机动态特性入手，通过分析 励磁控制系统的各组成模块，建立了系统的传递函数模型，为励磁控制器动态特性的 仿真研究作了充分的准备。 3 在建立数学模型的基础上，对励磁控制系统进行了常规p d 仿真，p d 三个参数 试凑了多次，但控制效果一直不好，经过认真思考本文采用了p s o 优化算法来离线寻 优得到近乎最优的p i d 参数，并把寻优得到的参数作为模糊自调整p i d 控制器的初始 参数。 4 在深入学习模糊控制理论的基础上，采用模糊控制与p i d 控制相结合，取长补 短，发挥各自的优势，成功设计出了性能更优的模糊p d 控制器，并应用m a t l a b 搭 建了仿真模型进行仿真。 5 在考虑到模糊p i d 控制系统中，很多参数都是固定的，而且对控制系统的影响 比较关键，在控制对象的数学模型发生变化时( 外界条件变化) ，其控制效果不够理想， 针对这种情况，以往有学者提出通过优化模糊p d 控制器的参数【5 3 】【5 4 】来改善控制效果， 但是他们都是针对特定的数学模型进行的离线优化，笔者认为这不太符合现实的要求， 鉴于此，笔者通过深入研究模糊控制系统，借鉴变论域思想，设计了种可变论域的 模糊p d 控制器，对常规的模糊p d 励磁控制器进行在线的实时优化，通过仿真发现， 其具有更好的控制精度和控制效果。 6 笔者通过参考诸多的文献发现，以往的很多学者在研究模糊p m 励磁控制时没 有考虑系统参数变化以及遭受干扰的情况，这不太符合励磁控制系统的特征，本文通 过引入干扰信号、改变励磁系统模型参数等模拟实际的励磁控制系统，并将传统的p i d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 励磁控制与模糊p i d 控制、变论域模糊p i d 控制进行大量的仿真对比，通过仿真对比 发现改进的模糊p i d 控制系统较传统的p i d 励磁控制具有明显的优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第2 章发电机励磁系统数学模型 数学模型的建立通常有两种方法：一种是分析法，即利用专门的学科理论推演出描 述系统的数学模型，此类方法常用于分析和计算；另一类是利用实验或运行数据来识 别数学模型，即自动控制理论中的系统辨识法，此类方法常用于控制系统中；本章将 分别采用分析法和辨识法对发电机励磁系统进行建模。 2 1 励磁系统数学模型 电力系统是一个十分庞大复杂的系统，保证其稳定运行是一个十分复杂的工程。 从控制理论上看，电力系统运行是一个维数非常高的高阶多变量过程，运行于不断变 化的环境。由于系统的高位数和高复杂性，要想很好的控制整个电力系统的安全稳定 运行，必须对系统作必要的合理的简化并较准确的描绘出电力系统各个元器件的数学 模型，使系统的分析计算得以实施。为此，系统中的各种元件的数学模型的建立就显 得非常重要。电力系统是高度非线性的系统，它的动态行为受大量设备的影响，而这 些设备有着不同的响应速率和特性。系统稳定不应看作是单一的问题，而应从各个不 同的方面来观察。实际上电力系统的每一主要元件的特性都对系统稳定产生影响。有 关这些特性的知识对于理解和研究电力系统稳定是至关重要的。 2 1 1 单机无穷大系统基本假设 整个电力系统是十分庞大的网络，发电机并网运行分析其性能时，如果将整个电 网的具体模型都加上，计算量十分庞大，导致分析计算难以实现。为了便于分析研究， 一般模拟发电机并网时将系统简化为单机无穷大电网。这是研究电力系统中同步发电 机振荡和稳定问题机理的一种抽象方法，它反映了这一问题一些最重要的本质。单机 无穷大系统的原理图如图2 1 ，它是把一台同步发电机经过升压变压器和一段传输线接 到无穷大电网上，无穷大电网是指网络提供的能量是无穷大，电压保持恒定的电网。 图2 1 中的u 为发电机的端电压，以为无穷大电网电压，z 为输电线路的线路电抗( 包 括升压和降压变压器电抗及输电线电抗) 。 u 。 u 。 1 图2 1 单机无穷大系统 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 2 1 2 发电机励磁系统数学模型 同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节单元两个部分构成，如图 2 2 所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节单元 根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是 由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈系统。 起励 k z - 可控接流桥 y h 一电雁匿感器 f l q - 发电机转予 l h 一电流甄感器 f 一发电机定子 l b 一励磁交艇器 y h 图2 2 同步发电机励磁系统构成示意图 为了充分发挥同步发电机励磁控制系统的作用，完成其各项任务，对励磁功率单 元和励磁调节器的性能有包括高度可靠和快速响应两个方面的要求： ( 1 ) 同步发电机的励磁及其控制应当能保证在各种运行状态下的可靠性，包括：起 励状态、空载状态、负荷状态、强励状态等。 ( 2 ) 正常工作状态时，同步发电机的电压控制和无功功率控制应当得到很好的响应， 并有足够的调节范围。 ( 3 ) 对远距离输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有 失灵区。 、 ( 4 ) 励磁控制系统应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳 定和改善系统运行条件。 ( 5 ) 具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化。 运用现代工程控制理论及控制技术来提高远距离输电系统的稳定水平、改善其动 态品质，防止发生低频振荡及同步振荡等不仅是十分有效的，而且也是十分经济的， 它可以在花费较少的情况下获得很大的实际效益。近年来，随着人工智能理论与技术 的不断成熟，并且在很多领域已经展现了其优越性，因此本文采用了人工智能技术来 研究发电机励磁控制系统。利用模糊理论实现对同步发电机励磁调节控制是本文的研 究主题，然而衡量所设计励磁调节器的调节品质必须进行数字仿真来验证。为此，首 先需要建立与无穷大系统并联运行的同步发电机的实用数学模型，即与系统并联运行 的同步发电机的基本方程组。 本文采用单机无穷大电力系统模型来研究发电机的励磁控制问题。具体的系统模型 如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 r 丽厂口 义l ( x t x l 图2 - 3 单机无穷大具体系统模型 图中，g 代表发电机，形为发电机机端电压，而为变压器电抗，x l 为输电线路电 抗，圪为无穷大系统母线电压。 上图所示的发电机励磁控制系统模型可用如下的三阶微分方程来描述： i 万= ( c o 一1 ) c o o i 1 缈= 言( 己一p e - d ( 缈一1 ) ) q 。1 i l 一麦e + 赘kc o s d + 去巧 式中，0 9 ，万和e 为状态变量，巧为控制量。式中所有变量及符号的物理意义如 下： 彩代表发电机转子角速度； e ：代表发电机暂态电势； ”代表发电机励磁电压； 代表发电机同步转速； 日代表发电机组转子的转动惯量； 己发电机的输入机械功率； p ，代表发电机电磁功率； d 代表发电机机组的阻尼系数； 乃。代表励磁绕组的时间常数； x 代表发电机d 轴同步电抗； 对于发电机而言，工业运行中主要关心的有三个量，即端电压形，转速缈和输出功 率p 。换句话说，发电机的控制目的主要是希望保证这三个物理量在允许的范围内变 化，并要求它们能准确地跟踪给定值运行。因此，本文建立起以机端电压形、有功功 率p ，和角速度国这三个变量为状态量的状态方程，具体推导如下： 同步发电机端电压方程为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 k = 形= 厢 机端电压的d 、q 轴分量屹、分别为： v t d = x q iq 吃= 乓一x ：l ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，为发电机q 轴同步电抗，发电机d 轴电流厶和q 轴电流分别为： d = e q - v , , c o s 5 晚 = s i n 艿 押式( 2 3 ) ( 2 6 ) 代人( 2 2 ) 得： ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 由式( 2 - 7 ) 可知，机端电压形是e 和万的函数： 杉= 石( e ，万) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 对时间t 求导并整理得： 如古 c 警一半叫一为蔷乞+ i f喙 x 以x 一：w ss 1 蚴 一 眩_ ，镌紫赫，+ 舞x - - x _ 一 根据同步机原理，对于d ，q 轴坐标系，与无穷大系统并联运行的同步发电机的有功功 率为： = l + k ( 2 1 0 ) 而无穷大母线电压d 、q 轴分量分别为： 。 v a d = 圪s i n f i ( 2 1 1 ) 圪= 圪c o s 5 ( 2 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 ：擎s i n 万+ 堕奎型s i n ( 2 万) x d z2 x 以z 式中，= + 而+ 吒。由式( 2 - 1 3 ) 可知，电磁功率是e 和万的函数： = 六( 乞，万) 由( 2 1 4 ) 对时间t 求导，并整理得： = ( c o 一1 ) c o o c o t d 一牛 一( 0 9 - 1 ) c o o d 0 x 以 v , 2 ( x a - _ x = ) s i n ( 2 d 一) + 2 ( k ) 2 乃。 吒训攒 v 2 ( t x q ) c o s 2 万 x ，：稚 ( c o - 1 ) c o o ( x ：一) k 2c o s ( 2 d ) x d = z + 掣_ t x 。d 0 j + ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) +( 2 1 5 ) 综合式( 2 - 1 ) 、( 2 9 ) 、( 2 _ 1 5 ) ，可得到以 杉，形 为状态变量，以为被控量的状 态方程，它反映了运行中的发电机组的稳态的过渡过程的全动力学特性。 2 2 系统元件传递函数 本节从研究励磁系统动态特性的角度，介绍同步发电机励磁系统中各个组成部分 的数学模型，为后面的仿真奠定基础。由于不考虑发电机的内部状态变化，且不考虑 辅助控制信号，则励磁系统为单输入单输出系统，所以本节采用简化的传递函到3 2 3 来 表征系统各个组成部分的数学模型。 2 2 1 同步发电机 在发电机的运行区域内，不考虑发电机的饱和特性，可以认为发电机端电压稳定 幅值与励磁电压成正比。考虑发电机运行存在一定的滞后时间，发电机的传递函数可 用阶惯性环节来表示。 啪) = 南 泣 式中k f 为发电机端电压与励磁电压之比；乃。为发电机正常运行时励磁回路时间常数， 一般取6 秒。 2 2 2 电压测量单元 电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。其中整流 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 滤波电路略有延时，可用一阶惯性环节来近似描述。 时。因此，测量比较单元的传递函数可用下式表示： 叩，2 踹= 南 其它电路一般可以忽略它们的延 其中，表示测量比较单元的输出信号，表示发电机端电压，k r 表示电 压比例系数，疋表示测量回路的时间常数。 ( 2 1 7 ) 2 2 3 移相触发单元及功率单元传递函数 由于向晶闸管整流电路供电的交流电源存在换向电抗，换向电抗有阻止电流瞬时 从一个晶闸管向另一个晶闸管转换的作用，因此晶闸管的输出与控制信号存在着时滞。 晶闸管整流器输出平均电压滞后触发器控制电压的时间与整流电路有关，最大可能滞后 的时间可由下式确定： z = 二 ( 2 1 8 ) 。 m f 其中，m 表示整流电路控制的相数，f 表示电源的频率。因此，包括触发器和晶闸管整 流器的移相触发单元及功率单元的传递函数为： g ( s ) = 兴= 蜓 一 ( 2 - 1 9 ) “跗( s ) 1 + 乃s + 三乃2 j 2 + 2 。 其中，蚴为功率单元的输出，蜓为和甜跗之间的放大系数，略去高次项就 得到了简化后的传递函数为： g ( s 、) = 二垒乙 ( 2 2 0 ) 一 1 + 乏s 这样，就得到了同步发电机励磁控制系统各个部分的传递函数，从而就可以得到整个 控制系统的模型。 2 3 本章小结 在本章中，首先介绍了发电机励磁系统的组成和性能要求，然后采用系统分析法 建立了励磁系统的基本数学模型，并结合发电机的机端电压方程、电流方程和有功功 率方程，对基本数学模型进行数学变换，形成以机端电压、有功功率和角速度为状态 变量的状态方程；紧接着从研究同步发电机动态特性入手，采用辨识法分析了励磁控 制系统的各元件传递函数，这便于我们在后面的讨论中，利用此传递函数进行模糊p i d 励磁控制器的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 第3 章模糊控制理论基础 3 1 引言 模糊数学理论，是种研究和处理模糊现象的新型数学方法。这一方法，是由美 国自动控制专家查德l ( a z a d e h ) 于1 9 6 5 年首次提出来的。4 0 多年来，模糊数学方法 在自然科学和社会科学研究的各个领域得到了广泛应用 33 1 。逻辑是研究人们思维形式 和思维规律的科学。由于思维本身具有模糊性的特点，因此在研究复杂的大系统( 如航 天系统、生态系统、人脑系统、社会经济系统等) 的过程中，有必要应用模糊数学理论 将二值逻辑推广为多值逻辑即模糊逻辑。而模糊逻辑在控制领域中的应用称为模糊控 制。模糊控制的特点就是，它将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述 的控制规则，然后用这些规则去对系统实现控制。模糊控制尤其适用于数学模型未知 的、复杂的非线性系统的控制。 3 2 模糊控制的发展及特点 3 2 1 模糊控制的提出 依照模糊理论奠基人l a z a d e h 教授的最初设想，模糊理论应在人类主观因素起主 导作用的领域，如人文科学和社会科学上得到应用和发展。在这些领域人类必须进行 分析、判断和决策。人类所使用的信息是语言信息，而语言信息描述的特点是其描述 的模糊性，所描述的事物没有明确的分界线，人类的主观因素在这里起很大作用。然 而模糊理论最成功的应用领域却是自动控制领域。模糊逻辑控青u ( f u z z y l o g i c c o n t r 0 1 ) 简称模糊控钳j ( f u z z y c o n t r 0 1 ) ，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础 的一种计算机数字控制技术。1 9 6 5 年，美国的l a z a d e h 创立了模糊集合论；1 9 7 3 年他 给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1 9 7 4 年，一英国的e h m a m d a n i 首先用模糊 控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。 这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。1 9 7 3 年l a z a d e h 教授继续丰富和发展 了模糊集合理论，提出了一种把逻辑规则的语言转化成相关控制量的思想，从而为模 糊控制的形成奠定了理论基础。他同时指出：模糊控制方法与通常分析系统所用的定量 方法在本质上是不同的，它有3 个主要特点：( 1 ) 用语言变量代替数学变量或两者结合 应用；( 2 ) 用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系；( 3 ) 用模糊算法来刻画复杂关系。 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特 点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇 到了较大的阻力：然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推广应用 3 2 2 模糊控制的特点 模糊控制是建立在人工经验基础上的。模糊控制语言是一种表示人类思维活动以 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 及复杂事物极其有效程度的手段，因此，对于那些利用传统控制方法难以实现或奏效 的控制问题，采用模糊控制技术往往能迎刃而解。模糊控制在最近的短短2 0 年来迅速 发展，这主要归结于模糊控制相对于传统控制技术所具有无需知道被控对象的数学模 型、易于对不确定系统或非线性系统进行控制、对被控对象的参数变化有较强的鲁棒 性、对外界的于扰有较强的抑制能力等特点，具体可归纳为以下几点： ( 1 ) 模糊控制器的设计不依赖于被控对象的精确数学模型。模糊控制是以人对被控 系统的控制经验为依据而设计的控制器，因此，无需知道被控系统的数学模型。 ( 2 ) 模糊控制器易于被操作人员接受。模糊控制采用人类思维中的模糊量，“高”、 “中”、“低、“大”、“小”等，控制量由模糊推理导出；控制规则以人类语言 表示，如“超调较大”、“偏差较小”。这些模糊量和模糊推理是人类通常智能活动 的体现。 ( 3 ) 便以计算机软硬件实现。系统的软硬件实现都比较方便。硬件结构一般无特 殊要求，用单片机等来构造模糊控制系统，其结构与一般的数字控制系统无差别，在 软件方面其算法也比较简洁。对于基本模糊控制器在实际运行时只需进行简单的查表 运算，其他的过程可离线进行。因此这种控制方法很容易被现场工程技术人员和操作 者所掌握。 ( 4 ) 鲁棒性较强，对于参数的变化不灵敏。由于模糊控制采用的不是二值逻辑， 而是一种连续多值逻辑，所以当系统参数变化时，能比较容易实现稳定的控制，具有 良好的鲁棒性和适应性。 ( 5 ) 控制系统的规则和参数整定方便。只要通过对现场的工业过程进行定性的分 析，就能比较好的建立语言变量的控制规则和系统的控制参数，而且参数的适用范围 较广。 模糊控制技术具有如此明显的优点，因而越来越吸引广大研究者的注意，同时也进 一步促进了模糊控制的发展，使其在工业以及其他领域的控制过程中也发挥了越来越 重要的作用 3 2 3 模糊控制的应用和发展 模糊控制把人类自然语言表述的控制策略，通过模糊集合和模糊逻辑推理转化成 数字或数学函数，再用计算机去实现预定的控制。由于模糊控制室以人的操作经验为 基础，而不依赖控制系统的数学模型，实际上是把人的智能融入了控制系统，自然实 现了人的某些功能，所以它属于一种智能控制。 模糊控制的发展历程大致可分为以下三个阶段【3 4 | 。 1 形成期( 1 9 7 4 年以前) 1 9 6 5 年，美国加州大学自动控制系l a z e d e h 教授把经典集合与j l u k a s i e w i c z 的 多值逻辑融为一体，用数学或函数表述和运算含有像：“冷”、“热”之类纯属主观 意义的模糊概念，创立了模糊集合理论，这就开创了模糊控制的数学基础的研究。其 后，出现了许多研究模糊集合理论和模糊推理的成果：1 9 6 8 年提出了模糊算法概念， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 1 9 7 0 年提出模糊决策，1 9 7 3 年，z e d e h 引入语言变量这一概念，提出用模糊i f t h e n 规则来量化人类模糊语言的知识规则，建议把模糊逻辑应用于控制领域，从而奠定了 模糊控制的理论基础。 2 发展期( 1 9 7 4 1 9 7 9 ) 1 9 7 4 年，伦敦大学教授e h m a m d a n i 博士利用模糊逻辑开发了世界上第一台模糊 控制的蒸汽机，从而开创了模糊控制的历史。1 9 7 5 年英国的p j k i n g 把模糊集合理论 应用于反映炉的温度自动控制系统；1 9 7 6 年荷兰的d v n a t u r a ll e m k e 等人把模糊理论 用于多变量非线性控制热水厂热交换过程。 3 高性能模糊控制阶段( 1 9