船舶同步发电机参数自适应数字式励磁调节器研究与设计.doc

船舶同步发电机参数自适应数字式励磁调节器研究与设计 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文 “船舶同步发电机参数自适应数字式励磁调节器研究与设计”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库（中国学术期刊（光盘版）电子杂志社）、中国学位论文全文数据库（中国科学技术信息研究所）等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于： 保 密 在 年解密后适用本授权书。 不保密 （请在以上方框内打“” ）论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日- 5 -中 文 摘 要摘 要现代船舶大型化和自动化的发展趋势对船舶电力系统的电能质量、稳定性和可靠性提出了更高的要求。船舶电力系统是一个独立的电力网络，具有结构复杂、容量有限、易受冲击等特点，是一个典型的非线性系统。但是目前，船舶同步发电机仍普遍采用传统的PI、PID模拟式自动励磁调节器，无法满足船舶电力系统日益苛刻的性能要求。本文针对这种状况，根据中国船级社钢质海船入级规范2009的要求，研究并设计了旨在提高船舶电力系统稳定性和可靠性的模糊参数自适应PID数字式励磁调节器。本文在收集查阅大量资料文献的基础上，首先分析了船舶同步发电机励磁装置的功能和任务，并深入研究了相复励无刷励磁装置、自动励磁调节器和励磁调差装置的原理；其次，研究了PID控制器参数自整定方法和模糊控制器的原理，并将模糊控制器和PID控制器结合起来，设计了模糊参数自适应整定PID励磁控制器；然后，在此基础上提出了以TMS320F2812型DSP芯片为核心的数字式励磁调节器设计方案，并设计了励磁调节器的硬件电路和软件流程；最后，采用MATLAB/SIMULINK软件建立了模糊参数自适应PID励磁调节器的仿真模型并进行了仿真验证。仿真结果证明，与传统PID励磁调节器相比，模糊参数自适应PID励磁调节器加快了船舶发电机励磁装置的响应速度，提高了发电机端电压的控制精度和船舶电力系统的稳定性。关键词：船舶同步发电机；数字式励磁调节器；模糊参数自适应整定 英 文 摘 要ABSTRACTThe development trend of the modern large and automatic ships requires the shipboard power system should possess higher quality of power supply, stability and reliability. The shipboard power system is an independent power network with complex structure and limited capacity, which causes it to be vulnerable. So it is a typical nonlinear system. But marine synchronous generators still generally use traditional PI or PID analog excitation regulators which are unable to meet the increasingly rigorous performance requirements of the shipboard power system. In view of this situation, this thesis researches and designs a fuzzy adaptive PID digital excitation regulator according to the China Classification Societys Rules for Classification of Sea-going Steel Ships 2009, aiming to improve the stability and reliability of the shipboard power system.Basing on the collected references, this thesis firstly analyses the functions and tasks of the marine synchronous generators excitation system, and studys the principle of the phase compound excitation brushless excitation device, automatic excitation regulator and excitation adjustment device; Secondly, this paper studys the principle of the PID controller parameter tuning methods and the principle of the fuzzy controller, and then combines the tow kinds controllers designing a fuzzy parameters adaptive tuning PID excitation controller; Thirdly, a design proposal of the digital excitation regulator which uses the TMS320F2812 DSP chip as the control core is put forward, and the hardware circuit and the software flow path for the excitation regulator is designed; Finally, the simulation model of the fuzzy parameters adaptive tuning PID excitation controller is built by MATLAB/SIMULINK to research its control effect.The simulation result proves that the fuzzy parameters adaptive tuning PID excitation controller, compared with the traditional PID excitation controller, could effectively accelerate the response speed of the marine generators excitation device, enhance the control precision of the generator terminal voltage and the stability of the shipboard power system.Key Words: Ship Synchronous Generator; Digital Excitation Regulator; Fuzzy Parameters Adaptive Adjusting目 录 船舶同步发电机参数自适应数字式励磁调节器研究与设计第1章 绪论引言随着现代造船技术的发展，船舶上大量采用自动化设备，这大大提高了船舶自动化程度、减轻了船舶工作人员的负担，但是也对船舶电力系统的供电质量提出了更高的要求。在船舶交流电力系统中电能质量有两个指标即频率和电压，而船舶发电机和负载状态的变化都会对电网频率和电压造成不同程度的影响，这就要求船舶电力系统具有较高的鲁棒性能1。船舶电力系统是由船舶同步发电机、配电装置、输电网络和负载构成的独立电力网络2,3,与陆地电力系统相比具有容量小、负载种类多、结构复杂、工作条件恶劣等特点，因此滞后性大、易受冲击，是典型的非线性系统。船舶同步发电机是船舶电能的主要来源，其运行工况直接决定了船舶电力系统的稳定性和可靠性。同步发电机的励磁装置负责将发电机端电压稳定在额定值附近、合理分配并联运行发电机组之间的无功功率，是船舶同步发电机的重要组成部分4。船舶电力系统运行时受到频繁干扰，要保持系统电压的稳定，要求同步发电机的励磁装置具有良好的动态性能和静态性能。因此绝大多数船舶同步发电机都采用了可控励磁装置，而自动励磁调节器是可控励磁装置重要的组成部分。因此简单、快速、可靠的高性能自动励磁调节器是提高船舶电力系统电压稳定的重要保证。本文的主要工作是根据船舶电力系统特点，研究设计高性能的模糊参数自适应PID数字式励磁调节器，实现对船舶电力系统的非线性控制，以达到稳定系统电压、提高系统供电质量的目的。1.1 同步发电机数字式励磁调节器研究现状1.1.1 励磁调节器硬件发展与现状随着电子技术的发展，国内外同步发电机励磁调节器的发展经历了振动型和变阻器型等机电式、由磁放大器和电磁元件组成的电磁式、采用大规模集成电路的模拟式、再到现在以嵌入式微处理器为核心的数字式等几个主要阶段5。我国的电力系统研究人员从上世纪八十年代就开始了用于陆地同步发电机的数字式励磁调节器的研究工作6。在这三十年间，随着人们研究工作的不断深入以及微处理控制技术的不断发展和应用，国内相关研究单位和厂家相继推出了采用单片机作为处理器的DWKL2000、DWLZ等系列、采用PLC的KWLZ等系列、以及采用PCC作为处理器的数字式励磁调节器。广州电器科学研究院推出的EXC9000型励磁调节器采用COMPACTPCI总线工控机作为控制器并且采用了数字信号处理器对模拟量进行处理，是我国在同步发电机数字式励磁调节器研制领域的最新进展7。国外从七十年代便开始了数字式励磁调节器的研究，并在九十年代生产出了多种适于工程应用的产品。实际应用比较多、影响比较大的数字式励磁调节器主要有：UNITROL和FMTB系列（ABB公司），THYRIPOL系列（德国西门子公司）以及MEC（日本三菱公司）等系列数字式励磁调节器8。数字式励磁调节器主要由主处理器、采样测量单元、移相触发脉冲放大单元、数字量输入输出模块、通信模块和其他辅助模块组成，不仅保留了传统模拟式励磁调节器的所有功能，还具有以下显著优势9：(1) 数字式励磁调节器采用嵌入式微处理器作为主处理器，能够实现更高级的控制算法，并且方便系统升级；(2) 采用大规模集成电路模块化设计，减少了电子元器件的使用，调节精度更高，维护更加方便，工作更加可靠；(3) 更加多功能化，能够方便地和上位机的通讯，能够在人机界面及时地反应励磁装置的运行状况，并在系统发生故障时及时报警，并打印记录；(4) 采用多通道、多控制器冗余运行方式，大大提高了励磁调节器的可靠性。这些突出优点都将使得数字式励磁调节器在船舶同步发电机励磁装置中逐渐得到广泛应用，从而取代现在仍然应用很多的模拟式励磁调节器。1.1.2 励磁控制规律的发展与现状控制理论的每一次进步都离不开控制技术的需求和推动，而每一次新控制理论的提出必然催生一系列新的控制技术，励磁控制技术也是如此。同步发电机励磁控制规律的发展主要经历了以下几个历程11-14：第一阶段，励磁装置的单变量经典控制。在这一时期，励磁控制以发电机端电压作为控制变量，采用PI或者PID控制规律进行单一变量控制。第二阶段，励磁装置的多变量控制。随着现代社会工业化的迅速发展，电力系统的容量和规模迅猛增加，电能输送距离越来越远，大型电力系统的稳定问题日益显著。在原来按电压偏差进行单变量控制的励磁装置中引入电力系统稳定器(PSS)，使其变为多变量反馈励磁装置，以抑制电网的低频振荡，提高其稳定性。第三阶段，励磁装置的现代控制。以控制系统状态空间为基础的现代控制理论的发展也催生了诸如线性控制、非线性控制和最优控制等多种现代励磁控制技术15。著名电力系统自动控制专家卢强教授开拓了我国电力系统线性、非线性最优励磁控制领域，所研制的最优励磁控制装置在陆地电力系统中得到了初步应用并且取得了一定改善效果，但是还没有广泛地推广。第四阶段，励磁装置的智能控制。随着自适应控制、人工神经网络、遗传算法、克隆选择算法、粒子群算法等智能控制理论引入到同步发电机励磁控制领域，同步发电机的励磁控制进入了智能化阶段16-18。但是智能控制理论尚不成熟，还停留在研究探索阶段。1.2 论文研究的背景与意义虽然在一些新造的船舶同步发电机励磁装置中已经采用了数字式励磁调节器，如烟大渤海铁路轮渡的发电机采用的由是ABB公司生产的采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心的UNITROL1000型数字式励磁调节器19。但是，船舶同步发电机励磁装置中模拟式励磁调节器仍然占据主要地位，如大连海事大学教学实习船“育鲲”轮同步发电机的西门子THYRIPART励磁装置中采用的便是6GA2491-1A型模拟式励磁调节器20。另外，在船舶发电机励磁调节器中应用最多的还是经典的PI或PID励磁控制规律。PID及其改进型控制方式是工业控制中应用最为广泛，技术最为成熟的控制规律，但是PID控制参数设定后系统运行时便不再轻易变动。船舶同步发电机从起励至达到空载电压这一阶段，磁滞饱和的影响非常小，可以认为是线性过程，普通的PID控制规律便可以取得理想效果。但是当同步发电机带负载之后，运行特性要受到电网变化的干扰，尤其是大型负载投切时，电网结构和参数都发生变化。此时船舶电力系统是非线性的，如果同步发电机的励磁调节器依然采用参数不变的普通PID励磁控制规律，将无法取得满意的控制效果。国内针对船舶电力系统中同步发电机的数字式励磁调节器的研究较少，本文在成熟的PID励磁控制基础上研究了PID参数自适应数字式励磁调节器。这种励磁调节器能根据船舶电力系统运行工况的变化实时地整定PID控制参数，以求在系统各个动态过程中都取得良好的控制效果。这对提高船舶电力系统的鲁棒性和供电质量以及保证船舶电力负载的正常运行具有重要实际意义。1.3 本文所做的工作本文在查阅相关文献的基础上所做的工作如下：(1) 根据船舶电力系统的特点分析了船舶同步发电机励磁装置的任务和要求，并对同步发电机相复励无刷励磁装置的结构和原理做了深入研究；(2) 在对PID控制规律和其参数自整定方法研究的基础上选择基于规则的模糊参数自适应整定方式，设计了模糊参数自适应PID励磁控制器；(3) 提出了采用美国德州仪器生产的TMS320F2812型DSP作为处理器的模糊参数自适应PID数字式励磁调节器硬件和软件设计方案。(4) 使用MATLAB/SIMULINK建立船舶电力系统简化模型和模糊参数自适应PID励磁调节器模型，并对其进行了仿真验证。-3-第二章 船舶同步发电机励磁装置研究2.1 船舶同步发电机励磁装置的任务船舶电力系统所具有的运行特点，使其对同步发电机励磁装置的要求与陆地无穷大电力系统有所不同。船舶电力系统要求同步发电机的励磁装置能够准确地调节发电机端电压、合理地分配并联机组之间的无功功率、有效地提高船舶电力系统稳定性和可靠性2,3。2.1.1 维持同步发电机端电压稳定船舶同步发电机大多为转极式交流发电机，运行时转子上的励磁绕组产生旋转的励磁磁场，而定子上的电枢绕组则切割磁感线产生电动势，在发电机端产生输出电压。不考虑电枢绕组阻抗时，同步发电机的端电压等于感应电动势可以表示为： （2.1）式中，e为同步发电机端电压瞬时值；N为定子绕组有效匝数；m为气隙主磁场磁通量。同步发电机的频率为f时，其端电压有效值为： （2.2）当同步发电机空载时，电枢绕组中没有负载电流通过，转子和定子之间只有励磁磁场。当同步发电机带负载运行时，定子绕组有负载电流通过，便产生一个与转子转向和角速度均相同的电枢磁场，该磁场与励磁磁场叠加形成新的气隙主磁场。这种电枢磁场对气隙主磁场的影响称为电枢反应21。同步发电机不同性质的负载电流产生不同性质的电枢磁场，对气隙磁场产生的影响也不同。船舶电力系统的用电设备主要是感性负载和阻性负载，忽略船舶发电机内部绕组电阻，船舶发电机负载电流的电枢反应如图2.1所示：图2.1 船舶同步发电机负载电流电枢反应Fig. 2.1 The amature reaction of marine synchronous generators load current 如图2.1所示，为发电机励磁电流产生的励磁磁动势，为发电机的端电压并滞后于励磁磁动势90电角度，为发电机的负载电流，保持发电机励磁电流不变时，励磁磁动势也不变。船舶同步发电机带负载运行时，其负载电流分为阻性负载电流和感性负载电流，产生的电枢磁动势分别为和，两者与励磁磁动势合成为发电机气隙主磁场的磁动势。阻性负载电流的电枢磁动势滞后于励磁磁动势90电角度，使气隙主磁场发生变形，称之为交轴电枢反应；感性负载电流产生的电枢磁动势滞后于励磁磁动势180电角度，使气隙主磁场减小，称之为直轴去磁电枢反应。图2.2船舶同步发电机的外特性Fig. 2.2 The outer characteristic of the marine synchronous generator图2.2为船舶同步发电机外特性曲线。阻性负载电流使发电机气隙主磁场发生形变，呈轻微去磁作用，当发电机带阻性负载时，其外特性是下降曲线。船舶电力系统的负载有纯阻性、纯感性和纯容性负载，综合起来为略呈感性的负载22，因此它的实际外特性为比纯阻性负载下降幅度更大的曲线。由此可见，保持发电机励磁电流不变时，发电机端电压是随着负载大小和性质的变化而变化的。船舶电力系统容量较小，当投切负载、配电系统局部操作和发生相间短路等故障时，电网电压会发生不同程度的波动，严重时会造成船舶电力系统电压失稳，甚至出现电压崩溃。要保持船舶电力系统电压稳定，励磁装置必须根据负载的变化实时地改变励磁电流的大小，抵消负载电流的电枢反应，保持气隙主磁场的磁通不变。当船舶电力系统受到小干扰时，我国钢质海船入级规范规定：交流发电机连同其励磁装置，应能在负载自空载至额定负载范围内，且功率因数为额定值的情况下，保持其稳态电压的变化值在额定电压的2.5%以内。当船舶电力系统受到大干扰时，钢质海船入级规范规定：交流发电机负载为空载，转速为额定转速，电压接近额定值的情况下，突加和突卸60%额定电流及功率因数不超过0.4（滞后）的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应不低于额定电压的85%；当电压上升时，其瞬态电压值应不超过额定电压的120%，而电压恢复到与最后稳定值相差3%以内所需要的时间不超过1.5s。2.1.2 分配并联运行同步发电机无功功率在船舶通过狭窄水道或者做机动航行以及投入大容量负载时，为了满足负载的容量需求并保证供电可靠性，船舶电力系统采用双机或多机并联的运行方式。两台或以上发电机并联运行时，各发电机的励磁装置应能够将总无功功率在各发电机之间按容量比例合理分配，以防止在并联发电机组之间产生环流，损坏甚至烧毁发电机绕组23,24。钢质海船入级规范规定：并联运行的发电机负载在总额定负载的20%100%范围内变化时，各机组所承担的无功负载与总无功负载按机组定额比例分配值之差，应不超过下列数值中较小者： 最大机组额定无功功率的10%；最小机组额定无功功率的25%。两台同步发电机并联运行时，它们之间无功功率的分配是由各发电机的电压调整特性决定的25。同步发电机的电压调整特性是指忽略发电机电枢绕组的电阻时，其端电压U随无功负载电流IQ的变化规律。当同步发电机电压给定值不变的情况下，其理想的线性化电压调整特性如图2.3所示：图2.3同步发电机理想化电压调整特性Fig. 2.3 The idealized voltage adjustment characteristic of the Ssynchronous generator 如图2.3所示，当同步发电机的无功负载电流从IQ1增大到IQ2时，其端电压从U1下降到U2。电压调整特性曲线的斜率称为发电机的调差率，如式2.3所示，是发电机端电压变化量和无功负载电流变化量绝对值的比值，它的大小由发电机励磁装置的结构和参数决定。 （2.3）为了便于维护保养，船舶电力系统一般采用容量和型号相同的同步发电机。但是，由于励磁装置具体参数不同、工作时间长短不一和其他因素的影响，各发电机的调差率并不相等。当两台调差率不同的发电机并联运行时，它们之间的无功负载电流分配情况如图2.4所示：图2.4 发电机调差率不相等时无功分配 Fig. 2.4 The reactive power distribution when the adjustment ratio is different两台发电机并联运行在第一种状态时，1号和2号发电机的端电压均为U1，它们承担的无功负载电流为IQ1和IQ2。IQ1IQ2，说明并联运行时调差率较小的发电机承担的无功负载较大。当船舶电力系统无功负载增大时，两台发电机端电压电压降为U2，所承担的无功负载电流分别增加到IQ11和IQ22。IQ11-IQ1IQ22-IQ2，由此可见，具有不同调差率的两台发电机并联运行时，可以自动分配承担的无功负载。但是调差率较小的1号发电机分配的无功负载变化较小，而调差率较大的2号发电机分配的无功负载变化较大26。因此，当容量相同的发电机并联运行时，它们的励磁装置应使各发电机具有相同的调差率，使其能够平均分配无功功率；当容量不同的发电机并联运行时，它们的励磁装置应使容量较大的发电机具有较小的调差率、容量较小的发电机具有较大的调差率，以实现按照容量大小成比例分配无功功率。2.1.3 提高船舶电力系统的稳定性(1) 提高船舶电力系统静态稳定性船舶同步发电机正常运转时，其特征可以用功角特性来表示21：（2.4）式中，P为同步发电机的有功功率；E0为同步发电机的空载电势；U为同步发电机的端电压即船舶电力系统电网电压； XD为同步发电机的内电抗；为同步发电机的功率角。图2.5 无励磁调节作用时的功角特性曲线Fig. 2.5 The power-angle characteristic curve without excitation effect图2.5为当励磁装置不具有电压自动调节作用时，即Eq为常数时，发电机的功率特性曲线。船舶电力系统投切小容量负载造成的负荷小量波动、电网配电系统的局部操作、发电机运行参数的极小改变等小干扰时都会引起发电机工作点的变动。设同步发电机起始工作点为a，船舶电力系统负载增加，发电机应承担的有功功率由P0增加到P1，发电机的工作点变为b，发电机的功率角由a增大到b并达到新的平衡。当发电机的起始工作点为c时，船舶电力系统负载增加，应承担的有功功率由P0增大到P1，功率角应从c减小为d，但是发电机为了增大输入机械功率会增加转速导致发电机的功率角增大，这显然是矛盾的。因此同步发电机静态稳定极限的判据为，或者27。当发电机励磁装置具有自动电压调节能力时，发电机空载电动势E0也随负载变化而变化，发电机的功角特性曲线不再是一条正弦曲线，而是由一组正弦曲线上各工作点组成的如图2.6中所示曲线abcd：图2.6励磁调节作用时的功角特性曲线Fig. 2.6. The power-angle characteristic curve with excitation effect由此可见，发电机的自动励磁装置能够增大发电机的静态稳定区域，提高发电机的静态稳定极限，这与励磁装置维持发电机端电压恒定的目标是一致的。(2) 提高船舶电力系统暂态稳定性船舶电力系统投切诸如艏侧推、大容量泵组、锚绞机等大型负载，以及发生相间短路等故障时，都会对系统产生较大干扰。下面以船舶电力系统发生短路故障为例，分析励磁装置对系统暂态稳定性的影响。在船舶电力系统发生相间短路故障时，不带自动励磁装置的同步发电机的功角特性如图2.7所示：图2.7 无励磁调节作用时短路故障功角特性图Fig. 2.7 The short circuit fault power-angle characteristics graph without excitation effect发电机正常运行时其工作点为曲线1上的a点，当发生短路故障时发电机功角特性变为曲线3。由于机组存在惯性，其转速不变，功率角仍保持在0，工作点变为b。之后发电机开始加速，功率角增加，在c点时，故障切除，发电机工作点变为e。此时功率角为1，由于惯性的影响，发电机继续加速，直到f点，对应的功率角为2，之后发电机开始减速，功角开始减小。发电机经过振荡，最后稳定在功率角为3的g点工作。曲线abcd包围的面积称为发电机的加速面积，def包围的面积称为减速面积。发电机受到较大干扰之后，只有当其功率特性曲线上加速面积小于减速面积时才能恢复稳定27,28。图2.8 励磁调节作用下的短路故障功角特性图Fig. 2.8 The short circuit fault power-angle characteristics graph with excitation effect如图2.8所示，在船舶电力系统发生短路故障时，在励磁装置的调节作用下发电机的空载电动势E0迅速升高，发电机的功角特性变为曲线4，发电机的加速面积减小为abcd；当故障切除时，发电机的功角特性变为曲线5，发电机的减速面积增大为edf，这将使发电机能够更加快速恢复稳定。因此，具有较高强励顶值倍数和较大顶值电压响应比的励磁装置对于提高船舶电力系统的暂态稳定性具有重要意义。2.1.4 提高船舶电力系统可靠性船舶电力系统是船舶的重要组成部分，是船舶正常营运的重要保证，因此船舶电力系统必须具备高度的可靠性。保证船舶电力系统的可靠性除了采用高性能的继电保护装置外，为船舶同步发电机配置高性能的励磁装置也是一种有效的方法。(1) 励磁限制为了保护同步发电机组，励磁装置需要对发电机的各种极限运行工况做出相应的保护限制5,29： 当船舶电力系统受到较大干扰导致发电机端电压会迅速下降时，励磁装置为了保证电网电压稳定大幅增加励磁电流，但是为了防止强励励磁电流过大对发电机绕组造成损坏，需要进行最大励磁电流瞬时限制； 当发电机带大负载长时间运行时励磁电流虽然不太大，但是由于热量积累绕组温度也会过高，需要进行反时限延时过励磁电流限制； 当多台发电机并联运行时，若某台发电机励磁装置的调差单元出现故障可能导致另一台发电机进相运行，严重的话会造成发电机会失稳，需要进行最小励磁电流限制。除此之外，励磁装置还有伏赫比限制、无功功率过载限制等。(2) 提高机电保护装置动作的灵敏性和可靠性当发电机外部短路时发电机端电压迅速降低，同时短路电流会快速衰减，这将影响保护继电器尤其是时限保护继电器准确动作。励磁装置具有强励性能时会使发电机端电压迅速恢复，减缓短路电流的衰减，进而使继电保护装置更加灵敏、可靠地动作，从而提高电力系统的可靠性30。(3) 快速灭磁当发电机内部绕组发生短路时继电保护装置动作，切断发电机主开关和励磁电源。但是发电机励磁绕组的电感比较大，存储了大量电磁能量，当切断励磁电源时会感生过电压。为了减少短路电流对发电机内部绕组造成的损坏，励磁装置必须具有快速灭磁功能。2.2 船舶同步发电机励磁装置2.2.1 船舶同步发电机励磁装置的种类(1) 他励励磁装置和自励励磁装置励磁装置根据励磁电流的来源可以分为他励励磁装置和自励励磁装置：他励励磁装置是采用发电机自身以外的电源作为励磁电源的励磁装置，具有励磁电压稳定、受电网影响小的优点，但是响应速度慢、结构比较复杂；自励励磁装置是采用发电机自身作为励磁电源的励磁装置，具有结构简单、响应速度快、动态性能好等特点，在船舶同步发电机上应用比较广泛。(2) 有刷励磁装置和无刷励磁装置有刷励磁装置的特点是采用电刷和滑环装置将直流励磁电流送到发电机转子上的励磁绕组中。有刷励磁装置的优点是发电机与励磁装置界限明显，相对独立，而且转子励磁电流、励磁电压容易取得，数值准确，检修方便。但是，由于电刷具有较大的接触电阻，当励磁电流较大时发热严重，甚至发生环火，烧毁滑环；电刷磨损时产生的碳粉会影响发电机绝缘，带来安全隐患；另外，工作人员需要定时调节电刷的位置以保证电刷滑环接触良好。无刷励磁装置的特点是采用了交流励磁机和旋转整流子结构。这种结构取代了有刷励磁装置中的电刷滑环装置，大大提高了励磁装置的可靠性，减轻了维护工作人员的负担，延长了装置的工作寿命；另外，降低了发电机励磁控制装置的电压等级，使其更适于在大容量发电机中使用。(3) 励磁装置根据调节原理不同可以分为三类27：按机端电压进行调节的励磁装置。以发电机端电压作为被检测量和被控制量，它的调节作用只与发电机端电压的偏差有关，而与产生的扰动无关，是一种闭环励磁控制。这种励磁装置具有调节精度高，静态性能好的优点；但是调节过程震荡比较严重，动态性能比较差。按负载电流进行调节的励磁装置，以发电机的负载电流作为被检测量，而以发电机的端电压作为被控制量，是一种按扰动进行超前调节的开环励磁控制。这种励磁调节器的调节过程是非周期性的，振荡比较小，动态性能好；但是当发电机受到转速、温度等负载电流以外的干扰时，励磁装置没有响应输出，导致发电机端电压出现偏差，因此静态性能比较差。按发电机端电压和负载电流进行综合调节的励磁装置，结合了上述两种调节方式的特点，它的静态性能和动态性能都比较理想。因此，这种综合调节励磁装置在船舶发电机中应用比较广泛，其中比较典型的一种是可控相复励励磁装置。2.2.1 相复励无刷励磁装置现在船舶同步发电机大多采用自励式无刷励磁装置，采用发电机端电压、负载电流作为励磁电源，经过整流装置整流成直流励磁电源供给交流励磁机，具有响应速度快、结构简单可靠、成本较低等多方面优点。常见的自励式无刷励磁装置有三相谐波自励式和相复励式等结构，本文以相复励无刷励磁装置作为研究对象。图2.9相复励无刷励磁装置电路原理图Fig. 2.9 The schematic circuit diagram of phase compound excitation brushless exciting device图2.9为相复励无刷励磁装置原理图，其中相复励单元是其核心，主要包括移相电抗器L、电流互感器TC、复励变压器T和谐振电容器C等部分31。当发电机空载起动时，发电机励磁绕组中的剩磁在发电机端产生剩磁电动势。该剩磁电动势在移相电抗器L和谐振电容C之间产生谐振，使复励变压器T的副边输出电压升高。当复励变压器副边输出的电压足以克服整流元件的正向压降时，整流装置开始向交流励磁机输出直流电流。交流励磁机获得直流励磁电源之后便开始通过旋转整流子向发电机励磁绕组供电来增强励磁磁场，形成自励内反馈，这样发电机电压逐渐升高，直至达到空载电压额定值，顺利实现起励建压。谐振电容C增强了相复励无刷励磁发电机的起励性能，省去了专门的起励电路，使励磁装置更加简单。当发电机带负载运行时，移相电抗器L和电流互感器TC分别检测发电机端电压U和负载电流I信号，送到复励变压器T经过电磁叠加得到交流励磁机的励磁电源，再经过整流装置整流送到交流励磁机定子上的励磁绕组，这样交流励磁机根据发电机端电压和负载电流调节发电机励磁电流的大小。图2.10相复励单元相量原理图Fig. 2.10 The schematic phasor diagram of phase compound excitation unit图2.10为相复励单元相量原理图，交流励磁机励磁电流是由电压分量和电流分量两个向量合成，它的大小是由发电机的负载电流以及负载电流与发电机端电压之间的相位夹角即功率因数角决定的。由此可见，相复励无刷励磁装置可以根据发电机负载的变化自动调节励磁电流的大小，将发电机的端电压维持在一定的范围内，是一种典型的具有扰动补偿控制功能的励磁装置。2.2.3 自动励磁调节器不可控相复励装置具有优异的动态性能，已经能够将发电机端电压稳定在一定的范围内。但是它属于开环励磁控制，当发电机受到小范围的干扰时，发电机端电压静态性能不够理想，稳态电压变化率较大。因此，在不可控相复励基础上加自动励磁调节器，使之成为按发电机端电压和负载电流进行调节的综合励磁装置，可以大大提高电力系统的电压静态稳定性能。如图2.11所示，同步发电机励磁调节器包括基本控制、辅助控制和励磁限制三大部分32。图2.11励磁调节器原理框图Fig. 2.11 The functional block diagram of the excitation regulator基本控制环节通过比较发电机端电压测量值Ut和电压给定值UG得到电压偏差U，然后由励磁调节单元进行计算得到励磁调节器的控制输出量uc，最后由uc控制发电机励磁电流的大小，是励磁调节器的核心功能部分。辅助控制环节是为了提高电力系统的稳定性和自动励磁调节器的调压精度而附加的控制单元，如电力系统稳定器（PSS）、励磁机时间常数补偿器（ESS）等。船舶电力系统容量较小，电能传送距离短，受低频振荡的影响微弱，因此船舶发电机励磁调节器中一般很少有设置PSS33。励磁限制环节是为了提高电力系统可靠性，对同步发电机在各种极限运行状态下的励磁电流进行限制的控制单元，如最大励磁电流瞬时限制（OEL）、反时限延时过励磁电流限制、最小励磁电流限制（UEL）等。2.2.4 励磁调差装置同步发电机并联运行时，它们的励磁装置必须能够根据各发电机的容量比例对船舶电力系统的无功功率进行合理分配。在不可控相复励励磁装置中，一般采用直流均压线的方式，即将并联运行发电机的相复励直流输出端并联，这样各发电机的励磁电流相等，只要各发电机有功功率相等，它们所承担的无功功率也等。但是当并联的发电机容量不同时，它们的无功功率不能容量比例进行分配。采用可控相复励励磁装置的发电机，由于励磁调节器的作用，电压静态稳定性能好，单机运行时基本够实现无差运行，但是在与其他发电机并联运行时，不能自动分配无功功率，对此人们在可控相复励励磁装置中附加了励磁调差装置。但是采用调差装置牺牲了发电机的静态调压精度，因此只有在发电机并联运行时才投入使用。调差装置按原理可以分为横向电流补偿和差动电流补偿两种形式24：图2.12 横向电流补偿调差装置电路原理图Fig. 2.12 The schematic circuit diagram of the horizontal current compensation adjustment device图2.13 横向电流补偿调差相量原理图Fig 2.13 The schematic phasor diagram of the horizontal current compensation adjustment图2.12为横向电流补偿调差电路原理图，图2.13为其相量原理图。发电机工作时电压互感器PT检测与线电压成正比的，同时调差电路则在自动励磁调节器的检测端附加一个与发电机负载电流成正比的电压信号，两个电压信号合成为自动励磁调节器的电压检测信号。这样自动励磁调节器检测的发电机端电压虚假升高，这使发电机励磁装置减小励磁电流，导致发电机端电压下降。带有横向电流补偿调差电路的自动励磁调节器使发电机具有较大的调差率，这有利于发电机并联运行时对无功负载进行调节和分配。图2.14差动电流补偿调差装置电路原理图Fig. 2.14 The schematic circuit diagram of the difference current compensation adjustment device如图2.14所示为差动电流补偿调差电路原理图，这种调差电路附加在补偿电阻R1和R2上的电流为两台发电机负载电流的差值，则两台发电机自动励磁调节器上的附加电压分别为：（2.5）（2.6）式中，UR1、UR2为两台发电机自动励磁调节器附加电压；R1、R2为两台发电机自动励磁调节器补偿电阻；IR1、IR2为两个电流互感器输出电流。差动电流补偿调差工作原理如相量图2.15所示：图2.15差动电流补偿调差相量图Fig. 2.15 The schematic phasor diagram of the difference current compensation adjustment由图2.15可知，当两台发电机有功功率相等时，1号自动励磁调节器附加电压只与两台发电机无功电流差值有关。当1号发电机无功电流大于2号发电机无功电流时，它的自动励磁调节器检测的发电机端电压虚高，磁装置减小发电机的励磁电流，减小其承担的无功负载；同时，2号发电机励磁装置增大发电机的励磁电流，增加其承担的无功负载，直到两台发电机的无功电流相等。对于容量不同的发电机，调节补偿电阻R1和R2的大小，可以保证它们并联运行时的无功负载按容量比例进行分配。-19-第三章 模糊参数自适应PID励磁控制器船舶同步发电机数字式励磁调节器绝大多数都采用PID控制算法（如烟大渤海火车轮渡上发电机的UNITROL 1000励磁调节器采用的便是数字式PID控制方式），但是船舶电力系统的参数和结构的不确定性导致参数确定的普通PID控制器不能在系统的整个工作范围内都保持良好的控制效果。有一些数字式励磁调节器预设定多组PID控制参数（如巴斯勒电气的DECS100型励磁调节器预设20组标准PID参数选择）34，能够在船舶电力系统运行状态发生变化时选择合适的控制参数组。但是这无疑加重了处理器的工作负担，影响励磁装置的响应速度；另外，当参数组选择不合适时反而会影响控制器的效果。如果数字式励磁调节器的PID控制器具有参数自适应整定功能，能够根据系统变化情况自动修正参数，那么船舶电力系统在各个动态过程中都将取得较好的控制效果。3.1 数字式PID控制算法3.1.1 PID控制器基本原理PID控制系统是按偏差进行调节的线性控制系统35，其原理如图3.1所示：图3.1 PID控制器原理图Fig. 3.1 The schematic diagram of PID controllerPID控制系统工作时，比较系统的设定值r和控制对象实际输出值uc得到偏差e，然后PID控制器对e分别进行比例、积分、微分计算，之后将三个量线性叠加得到控制器的输出量uc来控制被控对象的输出，直到偏差消失。PID的理想控制算法为：（3.1）其传递函数形式为：（3.2）式中，Kp、Ti和Td分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数，它们的取值对PID控制器的控制效果至关重要。比例放大环节在系统出现偏差时，立即输出与偏差成一定比例的控制量，使系统偏差快速向减小的趋势变化。Kp越大比例作用越强，调节作用更快，但是超过极限值系统会失去稳定。积分环节可以消除系统的稳态偏差，只要有偏差存在就一直起作用，直到偏差消失。Ti过大时，积分作用会消失；Ti过小时，积分作用过强，系统稳定性和快速性都会下降；微分环节根据偏差变化率产生超前调节作用，能够提高系统动态性能。Td过小微分作用微弱；过大则会破坏系统稳定性，加剧震荡。因此必须根据系统的运行特点对三个参数进行合适的取值才能保证控制器取得理想的控制效果。3.1.2 位置式PID控制算法在数字式励磁调节器中，PID控制器用软件实现，这是一种采样控制，只能根据采样时刻电压偏差值来计算控制量，因此必须对连续PID算法离散化36。以T作为采样周期，以k作为采样序号，那么可以用离散化的采样时间kT来表示t，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，可做如下近似变换：（3.3）为了简明起见，可以用ek来表示e(kT)，并将上式带入式3.3便可以得到离散化的PID控制算法： （3.4）也可以写为：（3.5）只要采样周期T足够小，离散式PID算法便与连续PID算法足够接近，能够获得足够的控制精度。3.1.3 增量式PID控制算法位置式PID控制算法每次输出均与过去状态有关，控制器运行时需要对ek进行累加，不仅使计算繁琐还会占用大量的内存空间。另外，当计算错误时，uk发生较大变化，执行器也随之发生较大变动，影响系统的稳定。因此采用递推原理对上式改进可得： （3.6）此时控制器输出的只是控制量的增量，这种算法称为增量式PID控制算法36。该算法中，控制器的输出只与前后三次测量偏差有关，大大简化了处理器的计算；当处理器计算错误时，执行器的变化较之位置式PID算法小很多，更加可靠。3.2 PID控制器参数自整定方法PID控制器的三个控制参数的取值非常重要，直接决定了整个控制系统的性能。PID控制器理想的控制参数应能够保证控制系统受到干扰后控制器的超调量小、减幅振荡次数少、过渡时间短、静态偏差小等37。PID控制器的参数自整定是指控制器能够根据控制对象的运行状态，按照一定的性能指标或者控制规则自动地调整三个参数，以使控制系统达到上述要求。在设计控制器时，必须对控制系统