（电机与电器专业论文）同步发电机励磁控制系统的仿真研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei np o w e rs y s t e m i tc a nb e u s e dt om m n t a i ng e n e r a t o rt e r m i n a lv o l t a g ea n di m p r o v ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t y t h i s p a p e rm a k e sar e s e a r c h o ne x c i t a t i o nc o n t r o l s y s t e ma n dg i v e sc o n c e r n i n g c o n c l u s i o n sb yt h et y p eo fs i m u l a t i o n b e s i d e s ，s o m en e wc o n t r o lm e t h o d s a r e p r o p o s e d a n dak i n do fs i m u l a t i o np l a t f o r mo fe x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m i s e s t a b l i s h e d t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h em o d e l so fs y n c h r o n o u sa n de x c i t a t i o ns y s t e m ，m o d i f i e s t h es y n c h r o n o u sm o d e li nv i r t u eo ft h en e e do fr e s e a r c h ，a n dm a k e sa ni n t r o d u c t i o no f m e a s u r e m e n tu n i t c o n t r o lu n i ta n dm a i n 1 0 0 pm o d e l so fe x c i t a t i o ns y s t e m b e s i d e s ，a t y p eo fn o n l i n e p i dc o n t r o ls c h e m ew h i c hh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei sp u tf o r w a r d b a s e do nc o m m o np i dc o n t r 0 1 s e c o n d l y , t h i sp a p e rm a k e ss i m u l a t i o n so np i dc o n t r o l ，n o n l i n e - p i dc o n t r o la n d f u z z y p i dc o n t r o lu n d e rs t e p r e s p o n s ea n ds u d d e n 1 0 a dc h a n g ei nt h ec a s eo fb r u s h a n db r u s h l e s se x c i t a t i o ns y s t e m b e s i d e s ，c o n c e r n i n gc o n c l u s i o n sa r eg i v e no nt h e b a s i so fa n a l y t i cr e s u l to ft e r m i n a lv o l t a g eo u t p u to fg e n e r a t o r s a l s o ，an e wc o n t r o lt y p eb a s e do ne l e c t r i cm o t o ri sp u tf o r w a r d ，t h ep r i n c i p l eo f w h i c hi sb a s e do ne x c i t a t i o nc u r r e n tc l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，c o n t r o l p r e c i s i o ni sc o n s i d e r e da tt h eb a s i so f n o l i n e p i dc o n t r 0 1 t w os c h e m e su s e dt om a k e t h en e wc o n t r o lt y p et r u ea r es h o w ni nt h i sp a p e r , a n dt h er e s e a r c hm e t h o di st h es a m e a st h ec o n t r o lt y p ea b o v e t e s t ss h o wt h a tt h i st y p eh a sh i g e rs u p e r i o r i t yi ns p e e d i n e s s a n ds t a b i l i t y f i n a l l y , t h i sp a p e re s t a b l i s h e sas i m u l a t i o ns o f h v a r ep l a t f o r mb a s e do nm a t l a b g u i ，i nv i r t u eo fw h i c hu s e r sc a ne a s i l ys e tp a r a m e t e r s ，m o d i f ym o d e l s ，o b s e r v e r e s u l t sa n do p e r a t ef i g u r e s ，e t c t h ep l a t f o r ms i m p l i f i e st h ec o u r s ea n di m p r o v e s e f f i c i e n c yo fs i m u l a t i o no p e r a t i o n b e s i d e s ，t h ei n t e r f a c ep r o v i d e sw o r t h yr e f e r e n c e f o r t h ee s t a b l i s h m e n to fo t h e rt y p e so fs i m u l a t i o np l a t f o r m 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 ；e x c i t a t i o nc o n t r o l ；c u r r e n t c l o s e d - l o o p ； s i m u l a t i o np l a t f o r m i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：寥、拓犷签字日期：川声，胡力j 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全 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 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 欤嘲i 一 导师签名：盘它为冈t j 签字日期：伽声，多月纠曰签字日期：沙7 年协月纠日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 同步发电机励磁控制系统概述1 1 卜1 4 1 随着电力工业的迅速发展，现代电力系统的规模越来越大，保证系统运行 的可靠性和稳定性，提供优质的电能对国民经济和人民的生活水平的提高有着 极为重要的作用和意义。同步发电机励磁控制系统是电力系统控制的重要组成 部分，它除了维持发电机端电压的恒定和进行无功调节外，还必须保证电力系 统的动态和暂态稳定性。它的优化和发展对发电机乃至整个电力系统的运行具 有决定性的意义。 励磁控制系统主要包括两个方面的内容：一方面是主励磁系统( 即励磁方式 或励磁功率单元) ；另一方面是励磁调节器( 即励磁控制方式) 。如图1 1 所示： 图1 i 励磁系统结构框图 励磁系统按照所采用整流方式分为两大类：一类是直流发电机励磁系统， 另一类是交流整流励磁系统。直流发电机励磁是一种传统的励磁方式，但由于 直流电机存在换向火花和磨损等问题，而逐渐被淘汰。交流整流励磁系统中的 励磁电源为交流电源，其输出的交流电经半导体整流后供给主机励磁。这种励 磁系统可分为静止和旋转两大类。静止式的交流整流励磁系统，解决了直流励 磁机的换向火花问题，但是它还存在滑环和电刷。通过把交流励磁机做成与主 发电机同轴的旋转电枢式同步发电机，并将硅整流桥也固定在励磁机的电枢上 使其一起旋转，便组成了旋转的交流整流励磁系统，而完全省去了集电环、碳 刷等滑动接触装置，成为无触点励磁或称无刷励磁系统。随着电力电子器件和 及电力电子技术的发展，交流励磁系统得到了日益广泛的应用。 励磁调节器是励磁控制系统的重要组成部分。整个励磁系统动、静态特性 第1 章绪论 的优劣，在很大程度上取决于励磁调节器的性能好坏。励磁调节器的发展既包 括其硬件设备的改良与革新，也包括软件部分即控制控制方式的创新和优化， 而后者尤为重要，它是决定调节器性能优劣的关键。励磁控制器硬件结构的发 展轨迹与励磁方式的发展有紧密的联系。早期的励磁控制器为振动型和变阻器 型，它们都具有机械部件，称为机电型励磁控制器。由于它们不能连续调节， 响应速度缓慢，并有死区，早已被淘汰。2 0 世纪5 0 年代，电力系统广泛采用磁 放大器和电磁元件组成的电磁型励磁控制器。电磁型励磁控制器因为具有时滞 性，调节速度比较慢，但是可靠性比较高，通常用于直流励磁机系统。2 0 世纪 6 0 年代，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体励磁控制器。由于半导 体元件几乎没有时滞，功率放大倍数也较高。因此，半导体励磁控制器调节速 度较快，得到了较大的发展，到2 0 世纪7 0 年代，半导体励磁控制器己经广泛 的应用于他励交流励磁机系统。上述电磁型、半导体型励磁控制器均属于模拟 式的控制器，所有功能均由硬件完成。若要增加新的功能则必须增加新的硬件 电路。因此模拟式的控制器结构复杂，操作繁琐，维护困难。 大规模集成电路，数字控制技术和计算机技术的迅速发展和成熟，使得以 微处理器为主要特征的数字电子技术正逐步应用到现代励磁控制系统中，取代 传统的模拟式励磁控制器。微机励磁控制器除保留了模拟式励磁调节器的全部 功能外，还增加了很多以往在模拟式励磁系统中难以实现的控制功能。到目前 为止，微机励磁控制器采用的硬件结构已经具有多种形式，如单板机结构、单 片机结构、工控机结构以及可编程程序控制器结构等微机励磁控制器的发展为 更复杂和高级的控制理论在励磁控制上的应用铺平了道路。 励磁控制器控制算法的改进总是紧紧依赖于控制理论的发展，可以说励磁 控制方式的每一次突破都是以控制理论的发展为契机的。控制理论及其应用的 提高和发展趋势总是由单变量到多变量，由线性到非线性，最后到包含智能化 的控制方式，励磁控制方式的发展也经历了一条与之完全相适应的过程。 励磁控制方式的发展大致经历了三个发展阶段【5 j 。第一个阶段是古典控制理 论发展阶段，从线性定长的单输入单输出系统，到按机端电压偏差进行调 节的比例调节方式，再到后来由于静态稳定极限及稳态电压调节精度等方面的 要求，形成了按机端电压偏差进行调节的p i d 控制器。在第二阶段中，电力系 统稳定器p s s ( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r ) 最具代表性，它是在第一阶段发展的基础 上，采用机端电压的频率，或机组转速脚，亦或是发电机电磁功率作为辅 2 第1 章绪论 助输入量的一种方式，用以抑制由于励磁系统和发电机绕组的滞后特性所产生 的低频振荡，从而提高电力系统的动态稳定性。第三个阶段是从二十世纪六、 七十年代开始，状态空间方法得到飞速发展，建立了一套以状态空间描述为基 础的现代控制理论。随着现代控制理论的发展，出现的线性最优励磁控制方式， 非线性最优励磁控制方式，智能控制方式以及基于大系统理论的分散与协调控 制方式等。 1 2 国内外研究状况及存在问题 本课题主要从两个方面展开的：一方面是研究一些性能更佳的励磁控制方 式；另一方面是对励磁控制系统仿真测试方法的改进。这两方面的研究现状总 结如下 1 2 1 励磁控制方式的研究状况闱i $ 1 控制理论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，同步电机励磁控制方式也随之发展。 1 古典励磁控制方式 这种励磁方式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，于是人们发展出了按电压偏差调节的p ( 比例) i ( 积分) - d ( 微分) 调节方式。 这种电压调节的方式基本功能是调节电压和分配无功功率，它在一定程度上提 高了系统的静态和暂态稳定性，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。 电力系统采用快速励磁方式之后，系统出现阻尼特性恶化、低频震荡等现 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 l 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 0 7 、功率偏差峨或频率偏差作为输入信号的 二阶超前校正环节，其作用是增加对电力系统机电震荡的阻尼，以增强电力系 统的动态稳定性。 p s s 在单机无穷大系统中的应用已取得了良好的效果，能有效的抑制系统 3 第1 章绪论 的震荡，提高系统的稳定性，因此在国内外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 强力式励磁调节方式 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功率振 荡，前苏联专家在二十世纪5 0 年代末期研制了强力式励磁调节器。这种励磁调 节器设计的基本核心思路是：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 线性最优励磁控制器( l o e c ) 为了改善在小干扰条件下发电机的静态及动态稳定品质，我国的科学工作 者曾将多变量的线性最优控制理论应用到励磁系统的控制中。设计最优控制系 统的目的是在所有可能的控制相量中确定出最优的控制相量。 l o e c 是将发电机的多个输出量偏差按最优反馈系数叠加而形成控制量，它 可以有效改善电力系统的小干扰稳定性，可以将系统的静稳极限提高至线路的 功率传输极限。但是，文献 9 】提出的l o e c 只是针对单机无穷大系统的，在多 机系统中，理论上不能保证最优，也不能保证全局稳定。文献u 0 是9 0 年代提 出的面向多机系统的线性最优励磁控制，并称之为电力系统最优分散协调控制。 其主要思想是系统所有发电机只需反馈本地输出量，就可以保证全局稳定且达 到二次性能指标为最优。这种方法实现了全系统所有发电机动态行为之间的协 调，和以往基于单机无穷大系统设计励磁规律相比，无疑是质的飞跃。但是， 这种励磁规律的求取，需要解算高维l e v i n e - a t l a n s 方程组或r i c c a f i 方程组，在 应用于实际电力系统时，必然造成极其巨大的设计计算量。因此，也只能用于 局部或少数机组的分散协调设计。除此之外，线性最优控制规律设计时，如何 确定加权矩阵，仍然是一个难题。 4 非线性励磁控制方式 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，要想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，上面介绍的励磁控制方式有一个共同点：它们的数学模型都是线性化的数 4 第1 章绪论 学模型。使用这种数学模型设计出来的励磁控制器，仅在其设计点受到小扰动 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。2 0 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( n 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、结构和运行方式的变化有很强的适应性，使得 系统震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。 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 磁控制方式还有：基于大范围直接线性化的非线性励磁控制方式，基于李亚普 诺夫稳定性理论的非线性励磁控制方式，基于- o o 鲁棒控制的非线性励磁控制方 式以及基于变结构控制的非线性励磁控制方式等。虽然在理论上证明这些控制 方式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方式的推广应用受到 了严重的影响，到目前为止仍停滞在理论研究阶段【1 1 h ”j 。 5 自适应励磁控制 自适应控制在电力系统中的应用研究开始于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 控制方式的研究已取得了一批有意义的成果，大量研究【1 6 1 1 7 】表明自适应励磁控 制方式的控制效果优于其它参数固定的励磁控制方式。 5 第1 章绪论 自适应励磁控制方式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，而自适应励磁控制方式的计算量过大导 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 智能励磁控制方式【1 8 卜【3 0 】包括了：人工神经网络控制、模糊控制、专家控 制、以及基于遗传算法的控制等。他们的基本特点是不依赖于对象系统的精确 数学模型，而是基于某种智能概念模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结 合，具有处理非线性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多方面的能力和 优点。其中，智能技术既可以作为一种上层策略以实现在线或离线调整或优化 原有非智能控制器的参数和或结构，也可以作为一种底层控制规律来取代原有 励磁控制的某一环节，实现特定的控制算法或映射关系。 尽管这些智能励磁控制方式【2 5 卜【2 8 】具有种种优点，但是目前智能型励磁控 制方法大多尚停留在仿真计算阶段，少数应用实例也仅是一些简单的实验性尝 试，欲推广其应用，还有大量的理论和实际工作要做。拿模糊逻辑励磁控制来 说，多变量模糊建模问题，模糊控制器的稳定性问题，以及实际应用中的软硬 件环境和操作规范等，都有待于深入和细致的研究。 7 综合的励磁控制方式 前面所提到的各种励磁控制方式都有各自的优点和不足，每种控制方式在 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，将会把电系统的励磁控制推到一个全 新的阶段，在文献【2 5 卜 3 0 】【3 4 】提到的各种综合控制方式，其优点相比于普通的 单独控制方式来说，相当明显。 综合控制可分为两个方面：一方面，智能控制和现代控制理论的结合；另 一方面，各种智能控制理论之间的交叉结合。目前在电力系统励磁控制中研究 的热点是神经网络与专家系统的结合，模糊控制与专家系统的结合，神经网络 与模糊控制的结合，遗传算法与它们之间的结合等等。虽然综合控制在励磁控 制中的研究刚刚起步，但是可以看出，对于电力系统这个复杂的非线性大系统 而言，综合控制有着巨大的发展潜力。 总之，无论采用哪种励磁方式，都是为了更好地改善励磁系统的动、静态 6 第i 章绪论 特性，改善发电机的运行特性，使得电力系统安全经济运行。 1 2 2 仿真测试工具的研究状况p 1 1 i 阑 作为电力系统的基本控制部件，同步发电机励磁系统在电力系统可靠性和 稳定性方面起着重要作用，提高其性能是实现电力系统稳定的最有效和最经济 的措施；但励磁系统同时又是一种复杂的控制系统。在我国，励磁故障是发电 机电气故障的主要原因之一，励磁系统的可靠性和技术性能指标还不能令人满 意，究其原因主要是励磁系统性能测试方法不够准确、测试技术不够完善。根 据检索到的文献，目前对同步发电机励磁系统测试工具的研究综述如下： 1 实时的励磁系统测试 所谓实时的励磁系统测试，就是在线整定励磁调节系统参数，评价控制系 统性能，有严格的时间限制。这种方式是相对于离线测试而言的，它能够及时 地根据测试结果，优化调节参数。一般来说，实时测试系统可以是对整个物理 系统进行测试，但是随着电力系统的发展，系统规模和复杂程度的增加，完全 采取物理模拟的方法对实际系统进行仿真受到较大的限制。随之形成由模型仿 真介入的实时仿真系统，这种混合测试系统要求仿真模型的时间比例尺完全等 于原始模型的时间比例尺。规模较大，花费的费用较高，建立的时间较长，而 且需要软硬件配合使用，操作复杂，一旦出现问题维护比较困难，具体阐述如 下。 通常励磁调节器的试验是在制造厂完成静态测试和非实际参数动态试验 后，在实际机组上完成参数的最终整定和系统的动态试验，这种试验方法对机 组的冲击很大，对设备有危险性，由于不便实现系统短路试验、断路试验和稳 定性试验，励磁系统对系统故障的反应只有遇到系统冲击时才能知道。因此， 除了提高制造水平外，使用具有等效控制对象模型的动态测试设备，在设计、 制造、使用、维护等各个阶段对实际励磁系统进行设计验证和动态性能测试， 是提高励磁系统可靠性的重要手段。但是，对这些阶段直接进行硬件测试实验， 不仅过程复杂，而且浪费大量时间、人力和财力，不利于现代化的生产需求。 动态模拟试验过去只能在电力系统动态模拟试验室中，用按比例缩小的物 理模型对同步发电机、变压器、输电线路和负荷进行机电动态模拟，耗时长、 工作量和工作强度大、元件连接方式受到设备的限制，对象的物理可模拟性和 参数可调范围有限，实际上，在各方面严格按比例缩小的物理模型是无法制造 7 第1 章绪论 出来的。为解决这些限制，s b e r c h t e n 提出了外部参数调节器方案，这个方案利 用了模型参考的概念，用计算机参考模型对物理模型的行为进行修正，使物理 模型逼近计算机内设定的参考模型，从而突破了某些可模拟性限制，简化了参 数整定过程。但由于仍然使用的是物理模型，这个方案使得系统的构成更加庞 大，不大可能走出试验室去满足工厂日常测试的需求。 在数字计算机普及之前，同步发电机的仿真还可在模拟计算机上实现模拟 计算机体积大，不易移动，精度低，可试时间短，接线复杂，只能在短时间内 作研究使用。它的基本原理是将发电机的微分方程改写为积分仿真方程，依此 构造模拟电路进行仿真。a b b 公司的任意参数同步发电机电子模型就采用了这 种方法，它装有发电机和单机对无穷大系统模型，为励磁调节器提供三相交流 电压、三相交流电流接口，是一种由模拟数字混合电路实现的同步发电机励磁 动态仿真测试装置。装置体积大、不易携带，需要三相交流电源模拟无穷大功 率电源，需要用电位器整定参数，参数的整定值需离线计算，给出的信号也不 完善。由于缺少模型库，仿真范围明显受到限制。 在电力系统实时仿真方面，来自加拿大的实时数字仿真系统r t d s 在电力系 统规划、设计和运行中得到相对广泛的应用。它是为实时仿真电力系统暂态过 程而专门设计的并行计算机系统。r t d s 的硬件主要由后台工作站和数层机箱组 成。后台工作站是通用的r i s c 工作站，用于运行用户图形界面p s c a d ，并与 r 1 d s 实时仿真机箱相连接，组成较大规模的仿真器。仿真机箱在物理上是独立 的，主要由3 类功能卡组成：w i c 工作站接口卡、k 通讯卡和t p c 双处理器 卡。r 1 i ) s 的电力系统元件模型主要有无源支路、输电线、变压器、断路器、同 步发电机组及其控制设备等。虽然，r t d s 目前在电力系统实时仿真领域内处于 国际领先地位，但由于其属于固定研究设备，体积大，造价昂贵，操作复杂， 运行费用高，不适宜在工业现场和制造厂检验车间使用；另外，由于是通用设 备，在进行励磁系统闭环测试前仍需大量的外围设备接口工作，使用人员还必 须经过专门培训才能上岗操作。 另外，在文献 3 6 0 e ，提出要达到系统的实时性要求，计算机的硬件系统性 能是十分重要的。为此，作者采取双机并行方案，仿真主程序在下位机运行， 程序用c - h - 实现；用于显示实时结果的人机界面在上位机运行，用v c 6 0 进行 开发。两者之间通过1 1 5 2 0 0 b p s 高速串行口传递仿真结果及控制命令。并且要求 下位机具有p c i 0 4 总线，及可以扩充的a d 转换器和d a 转换器。通过a d 和 8 第l 章绪论 d a 转换器接入受试励磁装置，通过总线实现各个器件之间的通信。可见，要完 成这样一个测试系统，既要有严格的硬件要求，又要有扎实的编程功底，不仅 需要花费大量时间和人力，而且不利于维护。 2 离线的励磁系统仿真 电力系统离线仿真是指对电力系统的物理过程建立数学模型，应用计算机 进行仿真计算，其仿真速度与实际系统的动态过程不同电力系统的离线仿真分 析，主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真、中长期动态过程仿真及发 电机组的轴系扭振等。目前比较流行的电力系统仿真软件有：加拿大不列颠哥 伦比亚大学的h w d o m m e l 教授创立的电力系统电磁暂态计算程序( e m t p ) 、德 国西门子公司开发的n e t o m a c 软件、美国电力公司( p t i ) 开发的p s s e ， m a t h w o r k s 公司开发的m a t l a b 中所包含的p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ( p s b ) t 具 箱、中国电力科学研究院给出的电力系统分析综合程序( p s a s p ) 、国电自动化研 究院依据扩展等面积法则( e e a c ) 而设计的电力系统安全定量分析软件 ( f a s t e s t ) 等。 上述软件各有各自的特点： e m t p 和n e l d m a c 仿真软件的特点是计算速度快、结果准确度高、功 能强大，几乎可为任意复杂电力网络进行模拟； p s s e 是一个集成化的交互式软件，主要用丁电力系统潮流计算，界面 友好，可与多种输出设备相连，输入输出可根据用户要求进行设计，但它要求 用户有一定的编程基础，输入不如e m t p 和p s a s p 方便； p s a s p 特点在于其使用简单，功能简单齐全，但计算模式有局限性，不 易进行复杂模型的算法仿真； f a s t e s t 是一个新型暂态安全评估工具，能全面地快速定量评估电网的 暂态功角稳定性、暂态电压安全性和暂态阻尼安全性，满足在线动态安全分析 要求； m a t l a b 是高性能、通用的科学与工程计算软件。随着版本的不断优化 升级，它的强大功能已经覆盖电气、化工、制造、医疗等多个行业。m a t l a b 使用方便、简单易学、编成容易，并且开发出了图形建模的电力系统模块，集 矩阵计算、编程、建模仿真、g u 图形用户界面等为一体。s p s 可对复杂的控制 方法进行仿真，如神经网络、模糊控制、鲁棒性、遗传算法等，且界面相当友 好，有在线帮助等功能。这种软件尤其适宜在对规模不大的电力系统进行建模 9 第1 章绪论 仿真分析，在对大型电力系统仿真中，其计算速度较其他软件要慢，优势不是 太明显。 通过上述对各种离线仿真软件特点的分析，易知分析同步发电机励磁控制 方式的最佳软件是m a t l a b 。类似于文献 2 2 2 3 1 1 3 1 等许多关于励磁系统设计 方案的文章均运用m a ，a b s i m i i 姗( 仿真工具箱对其所设计的励磁控制器 的性能进行测试，通过仿真结果有效地检验了励磁控制器性能的优劣。文献【2 2 】 指出利用m 棚，a b ，s i m i i ，i n k 和s p s 模块建立的同步发电机励磁调节系统仿真 模型，模型直观，运行速度快，易于使用，为验证设计思想并进行高效成功的 设计与综合分析打下了良好的基础。 现在利用m a t l a b s i m u l i n k 进行励磁系统仿真测试的文献很多，但是总 体看来主要存在以下几个常见问题： ( 1 ) 在文献【3 7 】中，作者依据电压和磁链方程建立了同步电机数学模型，再 根据数学模型在m a ：兀，a b ，s i m u l i n k 里建立仿真模型进行仿真。在需要重复修 改参数的场合，查找和修改参数比较繁琐，耗费时间，效率低下； ( 2 ) 对用户而言，他们需要一个操作简便、结果清晰、界面友好的软件仿真 测试平台，通过平台来验证励磁系统性能。在文献【3 8 】中，作者利用c + + b u i l d e r 制作励磁仿真界面，可以在界面中输入或修改各种仿真参数，借助m a l l a b 引 擎调用s i m u l i n k 模型并对其进行仿真操作，整个仿真过程在后台实现，运行 结束后返回在c + + b u i l d e r 用户界面上提示相关结束信息，仿真的结果仍然是依 靠m a t l a b 的f i g u r e 窗口来显示。但是，一方面：不同程序问的调用，接口问 题是十分关键的。用这种方法开发界面，周期较长、稳定性较差，因此难以得 到进一步的推广；另一方面：利用这种方法开发的界面在使用时脱离不了 m a t l a b ，而且仿真的操作与结果的显示并不能有机地结合到一起，形成一个 整体。 1 3 励磁控制系统的任务及作用i i i l 2 i i 抑1 1 4 0 l 在电力系统正常运行和事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要 的作用。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。根据运行方面的要求，励磁控制系统应 该承担如下的任务： 1 0 第l 章绪论 ( 1 ) 维持发电机端或系统指定控制点的电压在给定水平上 满足这一要求首先考虑的是保证电力系统运行设备的安全性，即在小偏差 干扰下的微动情况和系统发生大扰动的暂态情况下保证发电机的电压维持在给 定水平上。其次保证发电机运行的经济性，因为发电机在额定电压附近运行是 最经济的。如果发电机电压下降，则输出相同的功率所需的定子电流将增加， 从而使损耗增加。此外，维持发电机电压与提高电力系统稳定性方面的要求也 是一致的。 ( 2 ) 合理分配并联运行发电机间的无功功率 电力系统中有许多台发电机并联运行。为了保证系统的电压质量和无功潮 流合理分布，要求合理控制电力系统中并联运行发电机输出的无功功率。所谓“合 理控制”包含两层意思：每台发电机发出的无功功率数量要合理；当系统电压 变化时，每台发电机输出的无功功率要随之自动调节，而且调节量要合理。 ( 3 ) 提高电力系统的静态稳定性 当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电 力系统的静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功 率。这需要解决许多技术问题。而其中最重要的和最基本的困难之一是同步发 电机只具有较小的静态稳定性。但自从自动励磁的调节装置的出现，使这一问 题得到了圆满的解决。 ( 4 ) 提高电力系统的暂态稳定性 暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性。励磁控制系统的作用主要由以 下3 个因素决定。 励磁系统强励顶值倍数 提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。提高励磁系统强励倍 数的要求，与提高调压精度并没有矛盾。 励磁系统电压响应比 励磁系统电压响应比越大，励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提 高暂态稳定性越有利。电压响应比主要由励磁系统的型式决定。但是，励磁控 制器的控制规律和参数对电压响应比也有举足轻重的影响。在相同的控制规律 下，增大励磁控制系统的开环增益可以提高励磁电压响应比，同时，也提高了 电压的调节精度。 励磁系统强励倍数的利用程度 第1 章绪论 充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用的一个 重要因素。如果电力系统发生故障时励磁系统的输出电压达不到顶值，或者维 持顶值的时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障前的值时，就不再进行强 励了，那么它的强励倍数就没有得到很好发挥，改善暂态稳定的效果也就不好。 充分利用励磁系统项值电压的措施之一，就是提高励磁控制系统开环增益。开 环增益越大，强励倍数利用就越充分，调压精度也越高，也越有利于改善电力 系统的暂态稳定性。 由此可见，提高励磁控制系统保持端电压水平的能力，与提高电力系统的 暂态稳定性是一致的。 ( 5 ) 提高电力系统动态稳定性 当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然 短路等故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性。这 也是同步发电机的重要性能之一。增加励磁调节系统强励能力，降低励磁调节 系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措施。 ( 6 ) 提高继电保护装置动作的准确性 当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大。若系统此时发生 短路故障，短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限继电保护不能正常动作。 励磁自动控制系统可以通过调节发电机励磁电流来增大短路电流，使继电保护 正确动作。 ( 7 ) 保证并联运行系统的正常工作 系统的无功分配单元可保证参加并联运行的各发电机的输出无功功率获得 均衡分配，增加了稳定环节的无功分配单元是保证强励能力大的并联运行系统 能正常稳定工作的重要条件之一。 1 4m a t l a b 仿真工具简介1 4 1 h 4 s l 本文的研究是通过m a t l a b 仿真实现的，因此有必要对其发展及其特点进 行扼要表述。 m a t l a b 是矩阵实验室0 4 a t r i xl a b o r a t o r y ) 之意，现已成为当今国际上科学 界( 尤其是自动控制领域) 最具影响力，也是最有活力的软件。除具备卓越的数值 计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理、可视化建模仿真和 第1 章绪论 实时控制、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与 其他程序和语言接口的功能等功能。m a t l a b 进行数值计算的基本单位是复数 数组( 或称阵列) ，这使得m a t l a b 高度“向量化”经过十几年的完善和扩充， 现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需定义数组的维数，并给出 矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识 别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级 语言所不能比拟的。m a t l a b 语言由美国1 1 1 em a t h w o r k s 开发，2 0 0 3 年推出 了其全新的m a t l a b6 5 1 正式版。目前最新版本r e l e a s e1 4 ( m a t l a b7 o ) 的s e r v i c ep a c kl ，2 0 0 4 年9 月正式推出。本文的研究是基于m a t l a 7 0 s m l i n k6 0 基础上的。 m a t l a b 用符合人们思维习惯的代码，代替了c 和f o r t r a n 语言的冗长 代码，并且提供给用户最直观，最简洁的程序开发环境。m a t l a b 的主要特点 如下： ( 1 ) 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。m a t l a b 程序书写 形式自由，利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必 要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠 性。可以说，用m a t l a b 进行科技开发是站在专家的肩膀上； ( 2 ) 运算符丰富。由于m a t l a b 是用c 语言编写的，m a t l a b 提供了和c 语言几乎一样多的运算符，灵活使用m a t l a b 的运算符将使程序变得极为简短； ( 3 ) m a t l a b 既具有结构化的控制语句( 如f o r 循环，w h i l e 循环，b r e a k 语 句和i f 语句) ，又有面向对象编程的特性。并且程序限制不严格，程序设计自由 度大； ( 4 ) 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操 作系统上运行； ( 5 ) m a t l a b 5 3 以后的版本中增加了图形界面编辑g u i ，这可让使用者也 可以象v b 、v c 、d e l p h i 等程序那样进行一般的可视化的程序界面编辑： ( 6 ) m a t l a b 的图形功能十分强大。在f o r t r a n 和c 语言里，绘图都很 不容易，但在m 棚，a b 里，数据的可视化非常简单； ( 7 ) m a t l a b 的缺点是：它和其他高级语言相比，程序的执行速度比较慢。 由于m a t l a b 的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执 行，所以速度较慢； 第1 章绪论 ( 8 ) 功能强大的工具箱是m a t l a b 的另一特色。m a t l a b 包含两个部分： 核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱 又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符 号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功 能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，这些工具箱都 是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内 的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究； ( 9 ) 源程序的开放性。开放性也许是m a t l a b 最受人们欢迎的特点。除内 部函数以外，所有m a t l a b 的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件， 用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。 1 5 本课题研究意义 1 励磁系统是同步发电机的运行控制核心，对发电机运行的可靠性、经济 性及其它特性有直接的影响。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，而且还可有效地提高电力系统的技术指标。因此， 对励磁系统进行研究有着深远的意义； 2 对励磁系统进行研究可以采用现场测试、实物仿真、半实物仿真和仿真 手段等。但从经济性、安全性和方便性等角度考虑，采用仿真的方法更胜一筹。 这种方法具有：不受原有系统规模和结构复杂性的限制、保证被研究和试验系 统的安全性、具有良好的经济性和便利性、可用于对设计未来系统性能的预测 等优点，现已成为分析、研究电力系统必不可少的工具； 3 通过对励磁控制方式的仿真研究，总结出这些控制方式的调试方法及控 制性能，对工程实践有着重要的指导意义； 4 在总结p i d 控制方式的基础上，提出了一种非线性p i d 控制算法：另外， 提出一种基于同步电机本身的励磁电流闭环控制算法。这些方法经仿真测试表 明具有良好的快速性和稳定性，可以在原有基础上进一步提高励磁系统的控制 性能： 5 建立一个励磁系统仿真界面平台，借助此平台人们可以方便、快捷、有 效地对各种励磁系统进行参数调节、仿真测试和结果显示等，可以较大程度地 简化仿真过程、降低操作难度、提高工作效率； 1 4 第1 章绪论 6 详细地介绍励磁控制系统软件仿真平台实现的各个过程以及对难点、要 点的重点阐述，可以对其它系统类型仿真界面化的实现有着重要的指导意义和 参考价值。 1 6 本课题研究的主要内容 本课题的研究已经在前期做了励磁调节器硬件和软件工作的基础上进行 的，但由于利用实物对励磁控制系统研究的灵活性和普遍性受到一定的限制， 因此本文借助m a n 。a b 仿真工具测试的便利