基于MATLAB的发电机励磁系统的仿真

CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE50动态指标超调量1530,调整时间ST10S控制精度稳态误差。1一2E根据规程要求，应从稳定性、动态性能、稳态性能二个方面对励磁控制系统进行分析和设计。32励磁控制系统数学模型19励磁控制系统构成框图如图1所示，其由励磁机、发电机、电压测量比较单元、综合放大单元、功率放大单元等组成。图32励磁控制系统构成图（1）励磁机的传递函数为1EEEGSTSKSE34式中为励磁机时间常数，为饱和函数，为由励磁回路电阻和气隙特性斜率构成。ETESEK第18页共37页（2）同步发电的传递函数为1GGKGSTDOS35式中TDO为发电机空载转子时间常数，GK为发电机放大倍数。（3）励磁调节器各单元的传递函数1）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，因此测量比较电路的传递函数为1RRRKGSTS36式中T为时间常数，K为放大倍数2）综合放大单元在电子型调节器中试由运算放大器组成的，在电磁型调节器中则采用磁放大器，其传递函数为1AAAKGSTS37式中为放大器时间常数，为放大倍数ATAK3）功率放大单元其传递函数为1SZTZEZKGSKZETS38式中1/MF为最大可能滞后时间常数M为整流相数，F为电压频率ZTZK为整流电路放大倍数。33励磁控制系统的传递函数求得励磁控制系统各单元的传递函数后，按上图32可以组成励磁系统的传递函数框图，则同步发电利息控制系统传递函数框图如图33。第19页共37页图2励磁控制系统传递函数方框图第20页共37页4励磁控制系统的MATLAB仿真41励磁系统的仿真分析典型励磁控制系统参数如下0ATS，838DOTS069ETS004RTS，1RK，1EK，1ES，由图2（假设放大无饱和限制，并不考虑校正环节）可得下图10AK图41励磁系统模型411仿真模型的建立键入SMULILNK打开仿真环境1在SIMULINK窗口下的FILE菜单中选择NEW命令创建一个UNTITLED空白文件窗口，保存，命名为LICIXITONGMDL。（2）根据励磁系统的传递函数模型框图图41建立励磁系统的仿真模型。在SIMULINK模块库里找到TRANSFERFCN模块和GAIN模块，ADD模块，限幅模块SATURATION模块，节约输入STEP模块，示波器模块左键选中拖入模型页面。将励磁系统模型框图给出的相应参数值填入对应模块，再进行连线。利用SIMULINK建立仿真模型后利用MATLAB程序A,B,C,DLINMODLICIXITONGMDLNUM,DENSS2TFA,B,C,DPRINTSYSNUM,DEN,S；可得系统开环传递函数为第21页共37页432401214525111AGRERDODOERKKKGSHSSSSTTTSSSTTT41然后，利用RLOCUS函数画出根轨迹图，见图42，利用BODE函数画出BODE图，见图43。根据图形可知，该系统性能不能满足自动控制的要求，如果要观看系统的阶跃响应需要另外求出闭环传递函数。根轨迹图MATLAB程序如下N1DCONV1012,1145,125STFN,DRLOCUSSBODE图MATLAB程序如下N1DCONV1012,1145,125STFN,DBODES图42根轨迹图第22页共37页图43BODE图412利用根轨迹设计器根轨迹设计器可以方便地调整并及时观看开环放大倍数对系统性能的影响，也可以进行零、极点设计，另外还可以观看脉冲响应、BODE,NYQUIST图等，不足的是对励磁系统稳定器多环系统的分析还是不方便。在MATLAB命令窗口键入N432DCONVCONV1012,1145,125STFN,DRLTOOLS打开根轨迹设计器如图44第23页共37页图44根轨迹图调节参数C相当于改变开环放大倍数，可以看到极点位置在移动、同时可以观察阶跃响应的变化。图45是C1时的阶跃响应很显然系统也是稳定的，但是调整时间太长，还是不符合要求。图46是C448时的阶跃响应图，显然系统是稳定的，但超调量等指标不符合要求。图47是C432时的阶跃响应图，此时极点己到了复平面的右半部分，系统变得不稳定了。图45C1时的阶跃响应第24页共37页图46C448时的阶跃响应图47C432时的阶跃响应42SIMULINK对励磁系统的仿真利用SIMULINK建立图41的仿真模型后，点击“开始”按钮进行仿真，双击示波器模块，得到阶跃响应图，如图48所示分别是开环放大倍数为10、20、60时的阶跃响应图。第25页共37页图48SIMULINK仿真阶跃响应由上图可以计算出，三个阶跃响应的超调量分别为10P011，30P031，60P052；调整时间分别为10ST7S，30ST8S，60ST7S；上升时间分别为42S，28S，21S；10RT30RT60RT由以上分析可知，在发电机励磁控制系统中，仅仅靠调节开环放大倍数是不能满足系统的要求的，必须增设校正环节才能使稳定性、动态性能、稳态性能同时满足要求。第26页共37页5521励磁控制系统的校正51校正的基本概念在系统性能分析的基础上，当系统性能指标不能满足技术要求时，就可以对系统进行校正，以求改善系统的性能对自动控制系统进行校正的过程，首先考虑的是对自动控制系统的的参数，如增益、时间常数等进行行调整。只有当调整系统参数仍无法满足要求时，才会有目的地增添一些装置和元件，人为地改变系统的结构和性能，从而使之满足所要求的性能指标。我们把这种有目的地、通过给自动控制系统增添一些装置和元件，人为地改变系统结构和性能，从而使之满足所要求的性能指标的方法称为系统校正（或系统补偿SYSTEMCOMPENSATION）。增添的装置和元件统称为校正装置和校正元件（COMPENSATION）。所以自动控制系统进行校正过程实际上就是对校正装置或较正元件的参数进行设计过程。52校正的分类根据校正装置所组成的，其中可分为被控对象，控制器，检测环节三个部分。被控对象是由系统所完成的具体任务而选定的，它包括的控制装置是系统的基本部分。根据校正装置在系统中所处地位的不同，一般分为串联校正、反馈校正和顺馈校正。在串联校正中，根据校正环节对系统开环频率特性相位的影响，又可分为相位超前校正、相位滞后校正和相位超前滞后校正。需要校正的控制系统通常是为了完成某项任务，并根据其工艺设计出的某些装置超前校正等。在反馈校正中，根据是否经过微分环节，又分为软校正和硬校正。在顺馈校正中，根据补偿采样源的不同，又可分为给定顺馈校正和扰动顺馈校正。根据校正装置本身是否另接电源又分为无源校正装置和有源校正装置。无源校正装置无源校正装置通常是由一些电阻和电容组成的两端口网络。根据它们对系统频率特性相位的影响，又分为相位滞后校正、相位超前校正和相位滞后超前校正。由于无源校正装置本身没有增益，只有衰减，且输入阻抗较低，输出阻抗又第27页共37页较高，因此在实际应用时，常常还得增设放大器或隔离放大器。522有源校正装置有源校正装置是由运放器组成的调节器。有源校正装置本身有增益，且输入阻抗高，输出阻抗低。此外，只要改变输入回路阻抗和反馈阻抗，就可以很容易地改变校正装置的结构，参数调整也方便。所以如今较多采用有源校正装置。53PID控制规律所谓PID控制规律，就是一种对偏差信号进行比例、积分和微分变换的控制规律，PID校正是常用的有源校正装置。PID校正相对上节所述的无源校正环节具有更为广泛的应用范围。（1）P调节器引入比例校正可以提高系统的开环增益而不影响其相位。因此在串联校正中，采用比例校正装置可以提高系统的开环增益，减少稳态误差，提高系统响应的快速性，但会降低其稳定性，故在系统校正中很少单独使用。（2）PD调节器采用PD调节器可以提高系统的相位裕度，提高系统的稳定性；增加系统的幅值穿越频率，提高系统响应的快速性。但系统的高频增益上升，抗干扰能力减弱。（3）PI调节器引入PI调节器后，系统的型次提高，使系统的稳态误差得以消除或减少，改善了系统的稳态性能。但由于校正后系统相位裕度有所下降，所以系统的稳定性变差，因此，只有原系统的稳定裕度相当足够大时才被采用。（4）PID调节器第28页共37页通过选择PID各部分的参数，使积分部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；而使微分部分发生在系统频率特性的高频段，以改善系统的动态性能。54PID对励磁系统的仿真利用SIMULINK建立图54的仿真模型后，点击“开始”按钮进行仿真，双击示波器模块，得到阶跃响应图，经过不断调整后在KP1，KI001，KD（10）015,KD30007,KD60006时PID调节取得比较理想的效果，如图55所示分别是开环放大倍数为10、30、60时的阶跃响应图。图54PID校正励磁系统方框图图55PID校正后的阶跃响应增设PID校正装置后第29页共37页在低频段，改善了系统的稳态在性能。使对输入等速信号由有静差变为无静差。在中频段由于PID调节器微分部分的作用，进行相位超前校正，使系统的相位裕量增加，这意味着超调量减小，振荡次数减少，从而改善了系统的动态性能相对稳定性和快速性均有改善。在高频段，会降低系统的抗高频干扰的能力。比例积分微分PID校正兼顾了系统稳态性能和动态性能的改善，由于PID校正使系统在低频段相位后移，而在中、高频段相位前移，因此又称它为相位滞后超前校正。55励磁系统稳定器（PSS）对系统的校正发电机的励磁控制系统是一个由多个惯性环节组成的反馈控制系统。从励磁调节器的信号测量到发电机转子绕组，每一个环节都具有惯性，其中主要的惯性是发电机转子绕组。因此，总体来看，励磁系统是一个滞后环节。正是由于这种滞后性，使得在系统低频振荡时，励磁电流的变化滞后于转子角的变化，加剧了转子角的摆动，也就是提供了负的阻尼。PSS的任务就是抵消这种负的阻尼，同时还要提供正的阻尼。为了便于说明PSS是如何提供正的阻尼的，建立一个平面坐标系，在平面上，和转子速度变化同相的力矩是正阻尼力矩，反相的是负阻尼力矩，和角度变化同相的力矩是正同步力矩，反相的为负同步力矩。在电力系统中并联运行的同步发电机，它稳定运行的必要条件是具有正的阻尼力矩系数和正的同步力矩系数。当阻尼力矩系数为负时，将会因出现自发增幅振荡而最终失去稳定，而当同步力矩系数为负时，发电机将出现爬行失步。同样利用SIMULINK建立图56的仿真模型后，分别在开环放大倍数为10、30、60时设定TJ为1、04、02，然后点击“开始”按钮进行仿真，双击示波器模块，得到阶跃响应图，如图57所示分别是开环放大倍数为10、30、60时的阶跃响应图。第30页共37页图56带励磁系统稳定器的励磁系统方框图图57励磁系统稳定器的阶跃响应56PID校正和PSS校正的分析比较使用PID校正时为了保证发电机有足够的调压精度，必须采用较大的开环放大倍数，但开环放大倍数的增大将造成励磁控制回路的不稳定，在发电机空载运行时可能导致发电机电压振荡。励磁系统稳定器采用了转子电压软负反馈，主要作用是使暂态时的增益降低，以防止发电机空载时励磁控制回路振荡。但采用PSS虽可提高励磁控制回路的稳定性，但整个暂态过程的增益减小，也减小了其励磁响应的速度。PID调节可使暂态增益衰减限制在低频振荡区，而不影响其它频段调节作用的充分发挥。电力系统稳定器的作用主要是抑制01第31页共37页26HZ的低频振荡。它从电力系统接受这些振荡信号，并按要求传递给励磁电压调节器，通过电压调节器的自动控制作用，对发电机转子之间的相对振荡提供正阻尼，以此实现对振荡的抑制。57PIDPSS对励磁系统的校正利用SIMULINK建立图58的仿真模型后，分别在开环放大倍数为10、30、60时设定TJ为1、05、01，然后点击“开始”按钮进行仿真，双击示波器模块，得到阶跃响应图，如图59所示分别是开环放大倍数为10、30、60时的阶跃响应图。图58带PIDPSS的励磁系统框图图59带PIDPSS的励磁系统阶跃响应由上图可以计算出，三个阶跃响应的超调量分别为10P01，第32页共37页30P021，60P028；调整时间分别为10ST45S，30ST38S，60ST35S；上升时间分别为39S，25S，2S；10RT30RT60RT可见，PIDPSS励磁控制系统，能够迅速、有效地调节同步发电机的励磁电流，从而控制发电机的机端电压及无功功率分配，同时有效抑制了系统低频振荡，从而保证了机组的稳定可靠运行，为电力系统提供了良好的的稳定运行环境。第33页共37页6总结以上利用MATLAB/SIMULINK建立同步同步发电机励磁系统仿真模型，模型简易直观，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。通过以上的演示可知，MATLAB能够准确，清晰地测绘出各种情况下同步电机阶跃响应，根轨迹，波特图等曲线图，且有很高的量化精度，这种预见性，为系统控制的选择和参数的设定提供了直观而准确的依据。电力系统的电压是衡量电能质量的基本指标，电压的稳定性是电力系统稳定性的重要组成部分。保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行的根本任务。改变同步发电机励磁电流就可以影响同步发电机的出口电压，因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。本次设计所设计的PIDPSS励磁控制系统，能够迅速、有效地调节同步发电机的励磁电流，从而控制发电机的机端电压及无功功率分配，同时有效抑制了系统低频振荡，从而保证了机组的稳定可靠运行，为电力系统提供了良好的的稳定运行环境。从分析结果可知，本次设计的励磁调节器符合设计要求。第34页共37页致谢本设计在撰写过程中，至始至终得到了指导老师莫京军的耐心教导和鼓励。自毕业设计开始，老师就不断的催促指导我进行设计，他在此次设计过程中付出辛勤的劳动老师严谨的教学态度，科学的思维方式令我深受启迪，使我终生受益，必将对我今后的工作、生活产生深远影响。在此对李老师表示由衷的感谢。最后，谨向审阅本文的老师，同学致以诚挚的谢意。肖晃2009年6月10日第35页共37页参考文献1李维播MATLAB在电气工程中的应用M中国电力出版社，20062孙炳达自动控制原理（第2版）M机械工业出版社，20053孟忠祥，王博电力系统自动化M中国林业出版社，北京大学出版社，20064李发海，朱东起电机学（第3版）M科学出版社，20005黄耀群，李兴源同步电机现代励磁系统及其控制M成都科技大学出版社，19936薛定宇，陈阳泉基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用M清华大学出版社，20027朱振青励磁控制与电力系统稳定M中国电力出版社，19948黄忠爽控制系统MATLAB计算及仿真M国防工业出版社20019何东健，刘忠超，范灵燕基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真J西安科技大学学报第26卷第4期，2006年12月10陈小明葛洲坝水力发电厂技术培训教材励磁装置讲解与学习题库C葛洲坝水力发电厂，2001年2月11张志涌等精通MATLAB65版M北京航空航天大学出版社,2003312黎平基于MATLAB的励磁控制系统性能分析与设计的软件开发J东北电力学院学报，2000413楼顺天，施阳基于MATLAB的系统分析与设计神经网络J西安西安电子科技大学出版社，200014YUANYIHHSU,KANLEELIOUDESINGOFSELFTUNINGPIDPOWERSYSTEMSTABILIZERSFORSYNCHRNOUSGENERATORSIEEETRANSEC,1987,2315WANGYOUYI,HILLDJ,MIDDLETONRH,ETALTRANSIENTSTABILITYENHANCEMENTANDVOLTAGEREGULATIONOFPOWERSYSTEMSIEEETRANSONPOWERSYSTEMS,1993，8262062716薛定宇，陈阳泉基于MATLABSIMULINK的系统仿真技术与应用M北京清华大学出版社，2002第36页共37页17郭培源电力系统自动控制新技术M北京科学出版社，200118戴克健同步发电机励磁及其控制M北京水利电力出版社，198819孙雅明电力系统自动控制装置M北京水利电力出版社，199020杨冠成电力系统自动装置原理第二版M北京中国电力出版社，199521李基成现代同步发电机励磁系统设计及应用M北京中国电力出版社200022朱振青励磁控制与电力系统稳定M北京水利电力出版社199423方思立，朱方电力系统稳定器的原理及其应用M北京中国电力出版社199624韩英铎，谢小荣，崔文进同步发电机励磁控制研究的现状与走向J清华大学学报，2001，41414214625彭咏龙，王仁洲，柳悼同步发电机励磁控制研究综述J电力情报，1996，1526刘增煌同步发电机励磁控制的任务及其设计思想比较J电网技术，1999，23869第37页共37页毕业设计论文开题报告题目基于MATLAB的发电机励磁系统的仿真课题类别设计论文学生姓名肖晃学号200524170622班级05241706专业（全称）电气工程及其自动化指导教师莫京军2009年3月一、本课题设计（研究）的目的同步发电机是电力系统的能量提供者，它的控制性能的好坏将直接决定电力系统的安全与稳定运行状况。通过掌握利用MATLAB对励磁控制进行分析和研究的技能，能灵活应用MATLAB的SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。通过使用这一软件工具从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）1引言随着电力工业的发展，电力系统规模越来越大，特别是随着互联电网的出现，系统的节点数由原来的几十个上升到几百个甚至上千个。对于如此大的电力网络想用原来的手算方法进行电力系统的分析和计算已是不现实，我们须借助于先进的计算机技术和强大的系统仿真软件进行电力系统的分析和计算，从而加深我们对电力系统的理解，进一步指导我们在电力系统的工作。同步发电机是电力系统的能量提供者，它的控制性能的好坏将直接决定电力系统的安全与稳定运行状况。因此，很多电力系统仿真技术都离不开对同步发电机进行建模与仿真分析和研究。在MATLAB中，同步发电机的功能模块有两个输入端（一个是机械功率输入端，另一个是励磁电压输入端）。而对同步发电机的控制，实际上就是通过这两个输入端来实现的。机械功率的调节，是通过调速器的控制作用而实现的。2MATLAB简介21MATLAB概况MATLAB是由美国MATHWORKS公司20世纪80年代中期推出的数学软件。MATLAB是“MATRICLABORATORY”的缩写，意及“矩阵实验室”，优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力使其很快在数学软件中脱颖而出。MATLAB已经发展成为多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。在欧美的高校和研究机构中，MATLAB是一种非常流行的计算机语言，许多重要的学术刊物上发表的论文均是用MATLAB来分析计算以及绘制出各种图形。MATLAB是一完整2的并可扩展的计算机环境，是一种进行科学和工程计算的交互式程序语言。它的基本数据单元是不需要指定维数的矩阵，它可直接用于表达数学的算式和技术概念，而普通的高级语言只能对一个个具体的数据单元进行操作。因此，解决同样的数值计算问题，使用MATLAB要比使用BASIC、FORTRAN和C语言等提高效率许多倍。许多人赞誉它为万能的数学“演算纸”。MATLAB采用开放式的环境，你可以读到它的算法，并能改变当前的函数或增添你自己编写的函数。22仿真工具SIMULINKSIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于WINDOWS的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。23SIMPOWERSYSTEMS简介MATLAB提供的电力系统工具箱（POWERSYSTEMBLOCKSET以下简称PSB）主要是由加拿大的HYDROQUEBEC和TECSIMINTERNATIONAL公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前将其自动变化成状态方程描述的系统形式，然后在SIMULINK下进行仿真分析。MATLAB建模还可以直接调用PSB中的电气模块。PSB含有丰富的元件模型，几乎提供了组成电力系统的所有元件，包括电力网络元件，机电设备、电力电子器件，控制和测量环节以及三相元件库等，信号显示、模块连接等模块一般可以在SIMULINK工具箱中找到。同时PSB提供了图形用户界面（POWERGUI），它可以使电路稳态分析得到简化，并且MATLAB中的POWER2SYS函数可以将电路仿真结果转换为A、B、C、D四个矩阵表示的状态变量形式，实现对仿真结果的3计算和分析。这种方法使得复杂的建模问题变得极为简便，用户只需在模型库里找到相应的电气元件，通过图形界面输入元件参数，即可完成相应元件的建模；再通过拖、拉等方式把元件组合起来，即可完成系统建模；再设置一定仿真参数，即可进行系统仿真分析。3同步发电机励磁系统控制原理同步发电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个电流称为励磁电流，而供给电流的整个系统称为励磁系统。由于励磁绕组又称发电机转子，故励磁电流也叫转子电流。在电力系统的运行中，同步发电机是电力系统的无功主要来源之一，通过调节励磁电流可以改变发电机的无功功率，维持发电机端电压。不论在系统正常运行还是故障情况下，同步发电机的直流励磁电流都需要控制，因此励磁系统是同步发电机的重要组成部分。励磁系统的安全运行，不仅与发电机及其相关联的电力系统的运行经济指标密切相关，而且与发电机及电力系统的运行稳定性密切相关。同步发电机的励磁系统实质上是一个可控的直流电源。为了满足正常运行的要求，在设计励磁系统方案时，首先应考虑它的可靠性。励磁系统一旦发生故障，轻则自动励磁调节器退出运行，改由运行人员手动调节；重则造成停机事故，将直接影响电厂乃至电力系统的正常运行，甚至造成设备损坏。4基于MATLAB的励磁控制系统仿真实验设计1在SIMULINK下搭建基于传递函数的常规PID励磁控制系统仿真模型，进行励磁自动控制系统特性的分析。2利用MATLAB提供的模糊逻辑工具箱和神经网络工具箱设计模糊励磁控制器和神经网络励磁控制器。3设计多变量线性最优控制励磁调节器。4三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）通过此次设计了解了MATLAB语言及SIMULINK系统分析环境，熟悉了POWERSYSTEMBLOCKS工具箱和SIMULINK工具箱里的各种基本模块；并且针对同步发电机励磁系统系统搭建励磁系统的仿真模型，并对其进行PID和PSS的校正。设计（研究）的重点利用MATLAB的仿真功能对发电机励磁系统的模型进行仿真。设计（研究）的难点对发电机励磁系统模型的建立拟采用的途径1、建立同步发电机励磁机励磁控制系统的数学模型2、对励磁系统系统的稳定性、稳态性能和暂态性能等进行分析。3、探讨提高系统各项性能指标的措施。4、分析比较PID校正与励磁系稳定器的效果。5四、设计（研究）进度计划自3月份开题到6月份结束，共计14周，计划安排如下第4周查找相关资料并熟悉MATLAB的相关知识第5周开题报告和外文资料翻译第67周了解仿真工具SIMULINK，比对其进行实例操作运行第89周了解发电机励磁系统并建立励磁控制系统模型第1011周对发电机励磁系统模型进行仿真分析第1215周对不同校正方法进行仿真并探讨最佳效果第1617周整理资料，撰写论文第18周准备答辩6五、参考文献1李维播MATLAB在电气工程中的应用中国电力出版社，20062孙炳达自动控制原理（第2版）机械工业出版社，20053孟忠祥，王博电力系统自动化中国林业出版社，北京大学出版社，20064李发海，朱东起电机学（第3版）科学出版社，20005黄耀群，李兴源同步电机现代励磁系统及其控制成都科技大学出版社，19936薛定宇，陈阳泉基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用清华大学出版社，20027朱振青励磁控制与电力系统稳定中国电力出版社，19948黄忠爽控制系统MATLAB计算及仿真国防工业出版社20019何东健，刘忠超，范灵燕基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真西安科技大学学报第26卷第4期，2006年12月10陈小明葛洲坝水力发电厂技术培训教材励磁装置讲解与学习题库葛洲坝水力发电厂，2001年2月11张志涌等精通MATLAB65版北京航空航天大学出版社,2003312黎平基于MATLAB的励磁控制系统性能分析与设计的软件开发东北电力学院学报，2000413楼顺天，施阳基于MATLAB的系统分析与设计神经网络西安西安电子科技大学出版社，200014YUANYIHHSU,KANLEELIOUDESINGOFSELFTUNINGPIDPOWERSYSTEMSTABILIZERSFORSYNCHRNOUSGENERATORSIEEETRANSEC,1987,2315WANGYOUYI,HILLDJ,MIDDLETONRH,ETALTRANSIENTSTABILITYENHANCEMENTANDVOLTAGEREGULATIONOFPOWERSYSTEMSIEEETRANSONPOWERSYSTEMS,1993，826206277指导教师意见签名月日教研室（学术小组）意见教研室主任（学术小组长）（签章）月日89同步发电机自整定PID电力系统稳定器的设计YUANYIHHSU,MEMBERKANLEELIOU台湾，台北台湾大学国家电力工程师部摘要同步发电机一项新的励磁控制的技术呈现在这篇论文上。这被提议的技术使用一种自整定比例积分微分（PID）电力系统稳定器为了提高同步机在广泛的运行条件下的动态性能。异步电机数字仿真在不同的运行条件下受到三相相间短路的重大干扰的完成，证明了被提议的控制器的效力。结果发现，自整定PID剂可以加强同步电机的暂态稳定和动态性能。1介绍在文献中，相当大的努力已经被用于应用励磁控制器（电力系统稳定器）去提高同步发电机在受到干扰的状态下的动态性能18。DEMELLO和CONCORDIA2是首先使用在频域中的相位补偿的理论彻底分析了超前滞后补偿装置，这是目前应用最广的电力系统稳定器（PSS），以加强同步电机的阻尼特性36。自那以后，许多论文已发表来调整超前滞后控制器的参数和设计其他类型的励磁控制器，如优化控制器7和变结构控制器8。最近，作者提出了比例积分（PI）的PSS9它的特点是相对简单的具体实现。前面提到的所有的电力系统稳定器是固定增益控制器，在某一特定运行条件的基础上确定增益的设置。因此这些控制器的增益的设定总是在轻负载和过负载的状态下的最佳值的折衷值，在某些情况下，增益的设定适合一种运行状态可能完全不适合另一种负荷状态。为了在大范围的负荷状态下获得最好的控制器增益和在同步机遭受大的干扰时达到最好的动态性能，一个带有自我调整增益的自适应控制器应运而生。迄今大多数的自适应的PSS被提议都是信号合成自整定控制器。鉴于简单的PID控制器和在大的负荷状态范围下的PSS需要有自我调节增益的功能，为了提高同步机阻尼，一种自整定PID励磁控制器被提议在这篇论文上。之所以采用PID控制器代替PI控制器7是因为PID控制器比PI控制器可以提供更好的动态响应。为了证明被提议的控制器的有效，我们在各种负荷状态时的三相故障的情况下测试了同步发电机的动态响应。结果表明，同步电机在不同的运行条件下通过被提议的PSS能够证明阻尼的提高。2采用模态控制理论的固定增益PID控制器的设计以往的论文中不理想的稳定器的方法在PI控制器的设计中受到的最大的缺点是计算效率不高。此外，选择适当的加权矩阵Q的性能指标J的仍然是一个悬而未决的问题。因此，一种简单而有效的基于模态控制理论，在本节的PID电力系统稳定器的设计中提出了。在本文中该系统是一个同步发电机通过双回路传输线连接无穷大系统如图1。在附录A中给出了同步发电机的非线性方程。图1一台同步机通过外阻抗连接到一个大型电力系统的系统结构在PID电力系统稳定器的设计中使用的模态控制理论，在附录A中给出的发电机非线性方程在运行点周围的最先被线性化，已获得最佳线性模型。图2显示了使用最普通的带有电压调节器和励磁控制器的HEFFRONPHILLIPSDEMELLOCONCORDIA线性化模型。应当注意到指定的PSS的阻塞在图2表明PID励磁控制器传递函数的确定。图2带有励磁器和稳定器的同步发电机线性递增模型在系统某个特定的负荷状态下的状态方程可以这样写是状态量，是输出信号，系统恒定矩阵A,B和C是分别给定的。在频域中的控制信号可以表示为是恒定消除时间,WTPK,DK和是PID控制器的增益。未知数，IKWTPK，DK和能够按以下方法确定。IK由拉普拉斯变换公式（1）和（2），我们得到合并公式（6），（7）和（8）我们有根据以下特征方程得到配备PID控制器的系统闭环特征值的解答因此，联立四个带有四个未知数，WTPK，DK和的代数方程在方程10中通过取代四个特征值IK1234,S和能获得解。理想的控制参数，WTPK，DK和然后通过解决这四个代数方程能够计算得出。通常，通过转换左方的严重阻尼特征值可以得到特征值。其结果是该系统的阻尼可以通过特征值转换过程得到提高，由于闭环系统的特征值已经被转换到更加适合的位置。值得指出的是只有四个特征值通过被提议的带有四个未知数的单输入单输出控制器能被准确分配。如果多余四个特征值将要被分配必须使用单输入多输出PID控制器或高阶单输入单输出控制器。IK很显然从公式（3）和（10）闭环系统的特征值配备了固定增益PID控制器的六个常数K1K6是同步机负荷状态的作用2,4。因此这些特征值只要负荷状态和额定工况不同就会偏离先前指定的值。遗憾的是任何在电力系统中的发电机在日常的运行中都会经过持续过载的变化。当电力系统发生故障在运行状况下甚至会发生剧变。在这种状态下动态性能不在想先前设计的那么好了。为了防止当系统受到负载变化或重大干扰时系统特征值漂移出先前设定的位置，一个根据系统运行状态参数可以自动调节的自整定控制器必须被使用。如此一个自整定控制器的设计是下一节的内容。3自整定PID控制器的设计基于特征值定位方法的自整定PID控制器将在这部分介绍。带有增益设定的PID控制器，PK，DK和自动调整，不管运行状态怎么变化系统特征值能够保持在设定的位置。IK考虑系统所描述的其输入输出关系其中YS是输出样品，是输入样本，通过附录B中的递归最小二乘辨识方法能够计算出这些系数。US公式（11）能被写成1Z是后向移位算子，A和B是多项式由下式给出在公式（12）中的常规线性调节器控制型号能通过下式被描述RY是Y的参考信号，R,S和T是1Z中的多项式。合并公式（12）和（15）我们得到闭环系统的传递函数想得到的闭环传递函数是20因此，我们得到在20中的假设下，B能被分解为1B所有的零点都在有限地稳定范围外，2B的零点在稳定范围内。在取消零极点后比较公式（18）的两边的分母，我们得到两个项和都是来自于零极点取消。把公式（19）代入公式（20）得11ZR11ZP为了保持PID自整定控制器的结构，让给我们假设其中其中,ST和都是先前设定的为参数辨识的阻尼比率，自然频率和取样周期，数字控制器的个别的增益调整。把公式（22）（25）代入（21）中得比较公式26两边的系数得其中和是先前给定的，1Q2Q1A2A1B，2B使用RLS标识符估算出，四个参数通过解决公式（27）（30）可以计算得出。值得注意的是在受到干扰的状况下在估算值，1R0S1S2S1A2A1B，2B变化的情况下这些参数值也将改变。把公式（22）（25）代入公式（15）得到自整定控制器的控制信号PID控制器能被下式表述在这篇论文中，由于被用于输出信号Y所以基准信号Y和零点。比较公式（31）和（32）得到自整定PID控制器的增益WRY这些控制器的增益设定是在每个即时采样使用假定模型的估计系数的现值计算的，例如，1A2A1B，2B。拟定的自整定PID控制器的框图如图3。图3电力系统稳定器自整定PID控制器框图4例如考虑到单机无穷大系统的系统总线如图1系统参数如下同步发电机电压调节器和励磁器A固定增益PID电力系统稳定器在图2中的线性模型和和六个常数在正常运行状态下能被计算出来如下用这些常数，系统矩阵如在公式（3）（5）中表述的都给出来如下不带有PID励磁控制器的开环系统特征值在表1中第一栏列出。表1正常状态下系统整定值在表1中我们发现力学模型的特征值阻尼00135土J92238非常小。因此为了满足动态稳定性需要PID励磁控制器补助。一对特征值，3J10，被选择给阻尼比为03的机电模型特征值。另一组特征值04J12也同样被指定为了有适当的稳定系数TW,KP,KI和把这些特征值代入公式（10）同时解决由DK此产生的代数方程组，我们最终得到理想的控制器参数W2ST，P18KI80KD25K。带有PID控制器的闭环系统特征值同样在表1中给出。可以看出在正常运行状态下力学模型的阻尼值得改善。B自整定PID电力系统稳定器在自整定控制器设计中，系统的一对理想特征值其特点是二阶方程必须首先选择。在这项研究中，相同的特征值所使用的固定增益控制器，3J10，被选中作为理想的特征值取样周期由下式给出其中N是每个时期的取样值，在这篇论文中它为100为了证明被提议的自整定PID控制器的效力，发电机受到在其中一个两条传输电路中点F如图1的三相相间故障的数字仿真，持续四个周期才完成。三个不同的负荷状态P1PU,P05PU和P15PU在仿真中被考虑到。角速度的动态响应和机端电压，系统通过用自整定PID控制器获得，在前面章节涉及到的固定增益PID在图4和5中比较过了。值得注意的是无水洗周期的自整定控制器本质上是一个信号合成器。然而，固定增益控制器和自整定控制器的设计都是基于同样的阻尼比的机电模型特征值。TV图4三相短路成功合闸后的角速度变化自整定控制器固定增益控制器图5三相短路成功合闸的极端电压变化自整定控制器固定增益控制器5讨论从图4和5中的动态响应我们可以得出一下的观测（1）自整定PID控制器比固定增益PID控制器能提供更好的阻尼特性，甚至在固定增益PID控制器设计的负荷状态P10PU时也要好。这个结果是由于在故障期间运行状态会有剧烈改变（2）通过图4的曲线很明显系统暂态稳定极限能通过自整定PID控制器得到改善，带有固定增益PID控制器的发电机当负荷增加到15PU时会变得不稳定，然而带有自整定PID控制器的发电机仍然保持稳定。（3）自整定PID控制器的阻尼特性对负荷变化不敏感，然而固定增益PID控制器随着负荷的变化而恶化。（4）图5所示自整定PID控制器能像角速度一样给机端电压提供好的响应。因此当励磁控制器被用于提高阻尼时能避免严重的电压分布偏差的主要缺点。（5）在图3中的接地电压上限，EFD，和控制信号VEXC必须包含在数字仿真中。如果励磁器上限电压和发电机机端电压的限制被忽略可能产生不切实际的结果。（6）拟定的PID控制器比实际执行的信号合成控制器更简单。实际上，在工业过程中PID控制器是迄今为止最常用的控制算法。6结论同步发电机自整定PID电力系统稳定器已经在这篇论文中呈现出来。从数字仿真的结果表明，所提出的自整定PID控制器在各种运行条件下可以产生很好的额阻尼特性，而固定增益PID控制器对负荷状态的变化很敏感。通过被提议的自整定PID控制器同样能提高暂态稳定极限。使用微机为自整定PID控制器的实际执行做进一步的工作。一些微处理器速度和噪音的影响的限制的实际方面的问题应予以考虑。7术语EXCV励磁控制器输出角速度,PIDKKKPID控制器增益,AB系统多项式R额定角速度DLD轴定子绕组电感QLQ轴定子绕组电感FL励磁绕组电感DLD轴阻尼绕组电感QLQ轴阻尼绕组电感LDD轴定子漏电感LQQ轴定子漏电感DKKKFDRMMMLLDLQQKQMLR定子电阻RF励磁线圈电阻RDD轴阻尼绕组电阻RQQ轴阻尼绕组电阻H惯性常数D阻尼系数WT冲洗时间常数AT调整时间常数1KK6线性模型常数AK增益调整器FT变压器时间常数稳定FK变压器增益稳定2最小二乘方标识符变化最小二乘方标识符参数V无穷大系统电压TV发电机机端电压RE传输线电阻LE传输线电感IEEETRANSACTIONSONENERGYCONVERSION,VOLEC2,NO3,SEPTEMBER1987343DESIGNOFSELFTUNINGPIDPOWERSYSTEMSTABILIZERSFORSYNCHRONOUSGENERATORSYUANYIHHSU,MEMBERKANLEELIOUDEPARTMENTOFELECTRICALENGINEERINGNATIONALTAIWANUNIVERSITYTAIPEI,TAIWANABSTRACTMACHINEUNDERDIFFERENTOPERATINGCONDITIONSCANBESIGNIFICANTLYANEWTECHNIQUEFORTHEEXCITATIONCONTROLOFASYNCHRONOUSIMPROVEDBYTHEPROPOSEDPSSMOREOVER,TRANSIENTSTABILITYOFGENERATORISPRESENTEDINTHISPAPERTHEPROPOSEDTECHNIQUETHESYSTEMCANBEGREATLYENHANCEDBYMEANSOFTHEPROPOSEDEMPLOYSASELFTUNINGPROPORTIONALINTEGRALDERIVATIVEPIDPOWERSELFTUNINGPIDCONTROLLERSYSTEMSTABILIZERINORDERTOIMPROVETHEDYNAMICPERF6RMANCEOFASYNCHRONOUSMACHINEUNDERAWIDERANGEOFOPERATINGCONDITION2DESIGNOFFIXEDGAINPIDCONTROLLERDIGITALSIMUIATIONOFASYNCHRONOUSMACHINESUBJECTTOAMAJORUSINGMODALCONTROLTHEORYDISTURBANCEOFATHREEPHASEFAULTUNDERDIFFERENTOPERATINGCONDITIONSISPERFORMEDTODEMONSTRATETHEEFFECTIVENESSOFTHETHESUBOPTIMALREGULATORMETHODEMPLOYEDINAPREVIOUSPROPOSEDCONTROLLERITISFOUNDTHATTHESELFTUNINGPIDSTABILIZERPAPER9FORTHEDESIGNOFAPICONTROLLERSUFFERSFROMTHEMAJORCANENHANCEBOTHTHETRANSIENTSTABILITYANDTHEDYNAMICDRAWBACKOFBEINGCOMPUTATIONALLYINEFFICIENTMOREOVER,THEPERFORMANCEOFTHESYNCHRONOUSMACHINE,SELECTIONOFAPROPERWEIGHTINGMATRIXQFORTHEPERFORMANCEINDEXJISSTILLANUNSOLVEDPROBLEMTHEREFORTE,ASIMPLEANDEFFICIENT1INTRODUCTIONALGORITHMBASEDONMODALCONTROLTHEORY16,17ISPROPOSEDINTHISSECTIONFORTHEDESIGNOFAPIDPOWERSYSTEMSTABILIZERINTHELITERATURE,CONSIDERABLEEFFORTSHAVEBEENPLACEDONTHETHESYSTEMCONSIDEREDINTHISPAPERISASYNCHRONOUSGENERATORAPPLICATIONOFEXCITATIONCONTROLLERPOWERSYSTEMSTABILIZERTOCONNECTEDTOANINFINITEBUSTHROUGHADOUBLECIRCUITTRANSMISSIONIMPROVETHEDYNAMICPERFORMANCEOFASYNCHRONOUSGENERATORUNDERLINEASSHOWNINFIGLTHENONLINEARSYNCHRONOUSMACHINEEQUADISTURBANCECONDITIONS18DEMELLOANDCONCORDIA2WERETHETIONSAREGIVENINAPPENDIXAFIRSTTOUSETHETHEORYOFPHASECOMPENSATIONINTHEFREQUENCYDOMAINTOMAKEATHOROUGHANALYSISOFALEADLAGCOMPENSATORWHICHISNOWADAYSTHEMOSTWIDELYEMPLOYEDPOWERSYSTEMSTABILIZERPSSFORENHANCINGTHEDAMPINGCHARACTERISTICOFA2RE2LESYNCHRONOUSMACHINE36SINCETHEN,NUMEROUSPAPERSHAVEBEENPUBLISHEDONTHETUNINGOFTHEPARAMETERSOFTHELEADLAGCONTROLLERANDONTHEDESIGNOFOTHERTYPESOFEXCITATIONCONTROLLERSSUCHASOPTIMALCONTROLLERS71ANDVARIABLESTRUCTURECONTROLLERS8RECENTLY,THEAUTHORSPRESENTEDAPROPORTIONALINTEGRALPIPSSRELERELB91WITHTHECHARACTERISTICFEATUREOFBEINGRELATIVELYSIMPLEFORFPRACTICALIMPLEMENTATIONALLTHEPOWERSYSTEMSTABILIZERPREVIOUSLYMENTIONEDAREFIXEDVTVGAINCONTROLLERSOFWHICHTHEGAINSETTINGSAREDETERMNINEDBASEDONAPARTICULAROPERATINGCONDITIONTHER