基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模与仿真研究

1、硕士研究生学位论文X X 大 学论文题目(中文)：基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模仿真论文题目(外文)：Modeling and Simulation of excitation system of synchronous generator based on MATLAB/simulink研 究 生 姓 名：XXXX学 科、 专 业：电气工程研 究 方 向： 导师姓名职称：论文答辩日期 年 月 日学位授予日期 年 月 日摘 要近些年来,电力系统发展迅速,基本形成了高电压、大机组、超远距离输送的模式。因此,保证电力系统的安全、稳定、高效运行成为了研究的热点与难点。同步发电机励磁控制系

2、统是同步发电机控制系统的核心。经过长年的研究证明,实现对同步发电机励磁的合理有效控制,是实现电力系统稳定运行要求的最快捷、最有效、最廉价的方法。传统PID控制需要线性的精确模型,无法实现对非线性对象的有效控制,不能及时应对系统运行中被控对象发生的改变,对于目前以至未来电力系统的发展特点,难以实现有效控制。模糊控制是一种智能控制方法,它不需要精确的数学模型,鲁棒性强,同时设计简单方便,易于实现。本文从同步发电机励磁控制系统原理入手,在深入学习PID控制与模糊控制理论之后,将两者结合起来,提出了基于模糊PID同步发电机励磁控制策略。详细阐述了该模糊PID励磁控制器的设计过程,实现了针对同步发电机励

3、磁控制这一非线性系统的实时在线控制。选取了多组参数对所设计的励磁控制器进行仿真,与常规PID控制效果进行比较分析。实验结果表明本文提出的基于模糊PID的同步发电机励磁控制效果良好,系统的动态特性和静态特性相对于传统PID励磁控制都得到改善,能够对系统运行状态的改变做出及时合理的调整,响应速度快,超调量小,调整时间短,使系统具有较强的适应和抗干扰能力,控制效果明显提高；对于传统PID控制无法解决的非线性问题,模糊PID控制依然有良好的控制效果,体现出解决非线性控制问题的优势。关键字：同步发电机；励磁控制系统；MATLAB建模；PID控制；模糊控制AbstractIn recent years,

4、the power system is developing fast. Basically formed a high-voltage, lager units, ultra-long-range transport model. Therefore, safely, stable and running efficiently to become the research focus and difficult about the power system. Synchronous generator excitation control system is the core of the

5、 control system of synchronous generator. Through many years research have proved that, to achieve reasonable and effective control of synchronous generator excitation is to achieve power system stable operation of the requirements of the quickest, most effective and cheapest way.Traditional PID con

6、trol needs an accurate model of the linear. It can not achieve ffective control of the nonlinear object. And it can not respond promptly to the status change when the system running. To the present and future characteristics of the development of the power system, it is difficult to achieve effectiv

7、e control.Fuzzy control is an intelligent control method. It is not require a precise mathematical model, robustness, while the design is simple and convenient. Also, it is easy to implement.In this passage, it is starting from the synchronous generator excitation control system theory. After depth

8、learning PID control and fuzzy control theory, proposed a synchronous generator excitation control strategy based on fuzzy PID, which combining the two. And then, elaborate the design process that based on the fuzzy PID excitation control. It is achieve the real-time online control of nonlinear syst

9、em. Selected some sets of parameters to simulate the excitation controller which designed with conventional PID control effect. Experimental results show that the synchronous generator excitation control based on the fuzzy PID has a good effect. The dynamic characteristics and static characteristics

10、 of the system compared to the conventional PID excitation control have improved. To the changing of the system can make timely and reasonable adjustment, fast response, small overshoot, short adjustment. So that the system has strong adapted ability and anti-jamming capability, control has improved

11、 obviously. Fuzzy PID control for nonlinear problems that the traditional PID control can not be solved, still have good control effect, reflecting the advantage to solve nonlinear control problems.Key words: Power system stability; Nonlinear system; Excitation control; PID control;Fuzzy control目 录1

12、 绪论41.1 国内外研究现状41.2 未来走向72 发电机励磁系统的作用及分类82.1 励磁系统作用82.1.1 维持电压水平82.2 励磁系统分类92.2.2 他励旋转硅整流器励磁方式(无刷励磁系统)103 同步发电机励磁系统建模123.1 发电机模型和励磁系统123.2 主励磁系统(励磁电源)的数学模型123.3 励磁调节器(AVR)数学模型154 同步发电机模糊PID励磁控制器设计194.1常规PID控制器原理与设计204.1.1 PID控制原理204.2 基于模糊PID控制器的同步发电机励磁控制器设计225 系统仿真实验与结果分析235.1 Simulink环境下的同步发电机励磁控制

13、建模235.2模糊控制器设计275.2.1模糊拉制器的组成原理275.2.2参数整定原则275.2.3 仿真实验285.2.4发电机时间常数突变情况的仿真实验及结果分析296 总结与展望346.1本文总结346.2进一步工作的展望351 绪论1.1 国内外研究现状早在20世纪70年代美国电力科学院(EPRI)就已提出用在线测试技术测试电机参数，并强调电机参数与运行方式密切相关，其后Demello、Dandero、Bollinger、UTA和GE公司先后对四大参数(指发电机、励磁机、原动机和调速器、负荷模型的有关参数)开展工作。在现场测试方面，日本的日立公司和关西电力公司于1981年对全套发电机

14、组参数进行了现场在线测试。在此基础上，IEEE所属电力系统各分委会自1972年起相继发表了有关励磁系统、原动机及调速器和负荷的数学模型。在四类参数测试中，励磁系统参数测试工作研究较多，现已形成了一套成熟的技术。在国内，清华大学电机系较早开展辨识技术的研究和应用H1，取得了可喜成果。上世纪90年代以来，东北、华北、西南等地区的电力试验研究院和电力公司都做过励磁系统参数辨识的工作阳1，用的方法主要是时域法和频域法。在励磁系统参数估计方面，国外进行了许多工作，1975年M。J。Gibbard等人提出了时域和频域的测量方法儿阳1。时域辨识法首先做阶跃响应试验，以便对系统特性有初步的了解，然后向被测的励

15、磁系统注入PRBS(二位式伪随机信号)，利用模拟乘法器和积分器完成数据处理计算，求出系统的脉冲响应，由于条件的限制，这种方法的计算速度慢，精度不高。频域辨识法采用FRA(频率响应分析仪)，用不同频率的小正弦信号做输入，逐点测试，做出系统的频率响应曲线，进一步拟合出参数。采用这种在离散频率下进行量测的频率响应分析仪，一方面在信号频率和大小的选择方面必须小心，特别是在系统谐振频率附近。在接近发电机系统低频振荡频率(约0。22Hz)时，需要十分小心。一般没有专门的保护措施，试验很难将频率引向高于7Hz处。另一方面，由于离散化逐点测量，现场试验时间长，对电力系统正常运行影响大，却很难保证测量的同时性，

16、试验的精度难以很好地保证。在发电机参数估计方面，1979年余耀南教授提出了一种基于最小二乘法判据的发电机参数估计方法，以后又有人进一步研究了发电机参数的估计方法。1982年K。E。Bollinger等人提出用FFT(快速傅立叶变换)辨识法测试励磁系统参数的方法1，采用的仪器是FRA03(频率响应分析仪，实质上是一种FFT分析仪)，输入信号采用PRBS码，整个频谱上的响应是同时获得的，缩短了实验时间，对系统扰动小，由于随机频率的干扰，输入信号和系统产生谐振的可能性很小。该方法的测试对象是励磁系统的简单支路。它每次只测某一单个环节(按一阶惯性环节等效)的频率特性，从Bode图进行作图分析，手工计算

17、得到参数。这种方法需要作进一步改进，因为：采用作图法不能保证一定的精度，且待测系统的阶数增高时，无法用作图法求解。该方法逐渐测试求出每一单个环节的参数，因此要求出整个系统的全部参数，测试时间仍然不能缩短。该方法在比较简单的励磁系统和采用简单的控制模型时才是可行的。因为这种系统的各环节之间相互反馈很少，所测信号能够引出，但对于复杂的励磁控制系统和采用比较完善的控制数学模型时，特别是电力系统现场测试，模型中许多物理量，在实际中很难测量，也找不到对应的测点，即该方法不能适应于高阶系统。在参数测试方面主要存在的问题有：如何在不降低精度的条件下，利用现场容易量测的量测出所需的频率响应。如何解决人工作图拟

18、合参数，误差大，高阶无法求解参数的问题。如何采用软件拟合技术尽量减少测量量，缩短试验时间，保证精度，适合于高阶系统。如何找到一种有效的方法消除测量所用设备(如低通滤波器，电压变换器等)对结果的影响，提高测量精度。总之，该方法要成为简单可行的现场试验方法，必须缩短试验时间，保证结果的精度，能适用于高阶系统。在求取参数的方法和数据滤波、去除干扰方面作了改进，不同程度上提高了频域辨识法的效率。由于频域辨识方法的改进、试验设备性能的提高，频域辨识技术在励磁系统参数辨识中已得到工业应用。频域法应用信号处理技术，通过快速傅立叶变换将时域信号转换到频域进行处理，得到系统频域响应，再利用拟合技术求取励磁系统的

19、模型参数，其优点是输入为伪随机信号，不影响机组正常发电，测试方法实用，可以直接求得传递函数系数。时域辨识法按模型分类，可分为两类。第一类是非参数型辨识法：首先获得待测系统的非参数特性模型，即脉冲响应或阶跃响应，再用动态拟合技术，求得系统的传递函数。第二类是参数辨识法：以系统的微分方程为研究对象，对微分方程的等式两边进行积分、滤波及正交变换等处理，直接求得微分方程的各阶系数，或者用状态空间模型，以具体参数为估计对象，通过最小二乘法直接得到具有物理意义的特性参数。在文献先后都应用了时域辨识法进行励磁系统的参数辨识。从这两种辨识方法的操作过程来看，参数辨识法更简便，故在发电机励磁系统参数辨识中应用较

20、多。国内1993年提出的频率响应拟合法(FFTLSE)在之后的现场励磁系统参数辨识中得到广泛的应用。FFTLSE法应用了信号处理技术，通过FFT变换将系统输入输出时域信号转换为频域信号后，经噪声滤波，获得非参数的结果，即获得系统的幅频特性、相频特性，通过LSE方法拟合，最后获得估计的参数。随着电力系统参数辨识的发展，各种智能辨识法也越来越多的应用于励磁系统的参数辨识。文献提出了一种基于遗传算法的励磁系统辨识方法，通过建立待辨识励磁系统的传递函数结构模型，以励磁系统的实际输入作为模型的输入，以实际励磁系统和模型的输出误差最小作为目标，利用遗传算法对模型参数进行优化调整，最终得到满足误差要求的励磁

21、系统参数。该方法的优点在于解决了目前电力系统中常用的辨识方法无法对非线性环节进行有效辨识的问题，且根据输入输出采样直接在时域上进行参数辨识，能直接得到传递函数框图环节参数，无需转换。1.2 未来走向关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地解决，它们是进一步研究的重点所在。1)多机系统中的“强”非线性问题，即考虑控制限幅、饱和、切换以及各种实际约束(如端电压约束)条件下的控制系统综合和分析问题。现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常规非线性(或称为光滑可逆非线性)问题，而对工程实际中广泛存在的强非线性“视而不见”，或者只是做事后的定性校验；针对单机无穷大电力系统提出了一种

22、考虑输入限幅和机组端电压约束的分段LQ励磁控制策略，而对于一般情况的多机电力系统尚需要进行更深入的研究。2)将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的鲁棒自适应励磁控制问题。3)多目标协调问题。由于控制手段增多，调节系统的侧重点和能力各异，因此有必要从整体出发，规划不同控制手段之间的协调工作方式，以解决电力系统的多目标控制问题。4)动态协调控制问题。目前的协调控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑系统运行方式和网络拓扑变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应该考虑控制器之间的在线动态协调问题。5)电力工

23、业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励磁控制的新要求。6)基于GPS的多机系统励磁优化协调控制的研究。在对励磁控制进一步探索的过程中，研究工作者应本着实事求是的科学态度，既从理论自身的发展规律出发，又要结合工程实际需要，脚踏实地地解决问题，并注意避免以下几个误区:1)“削足适履”。不从实际出发，为了套用某种“新”的控制方法，对系统模型进行与现实情况不符的假设和简化，从而得出不合理的结论。2)“拘泥细节”。没有抓住问题的主要方面，沉溺于细枝末节的研究。一个很明显的例子是，在研究励磁控制提高系统阻尼特性时，很多学者过份追求“摆几摆”的问题。3)“以偏概全”。在比较不同控制方法的效果时，应做

24、到公正客观，全面分析其利与弊，不要以偏概全，攻其一点，不及其余，对自己研究的方法的优点也不要故意夸大，只有实事求是才能把我们的研究推向新的高度。总之，同步发电机励磁控制研究已经取得了很大的成绩，但一些最初的难题还没有得到满意的解决，而电力系统的大规模联网、市场化运作等又对此提出了新的挑战。了解励磁控制对电力系统安全稳定性的作用是解决问题的出发点，已有的理论和实践成果是进一步研究的基础，而只有建立共识、脚踏实地才能集广大科研工作者之合力，解决当前在该课题上的一些关键难题，推动其发展。2 发电机励磁系统的作用及分类2.1 励磁系统作用 2.1.1 维持电压水平维持发电机或其他控制点(例如发电厂高压

25、侧母线)的电压在给定水平 维持电压水平是励磁控制系统的主要的任务，有以下 3 个主要原因： 第一，保证电力系统运行设备的安全。电力系统中的运行设备都有其额定运行电压和高运行电压。保持发电机端电压在容许水平上，是保证发电机及电力系统设备安全运行的基本条件之一，这就要求发电机励磁系统不但能够在静态下，而且能在大扰动后的稳态下保证发电机电压在给定的容许水平上。发电机运行规程规定，大型同步发电机运行电压不得高于额定值的 110。 第二，保证发电机运行的经济性。发电机在额定值附近运行是经济的。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。规程规定大型发电机运行电压不得低于额定

26、值的 90；当发电机电压低于 95时，发电机应限负荷运行。其他电力设备也有此问题。 第三，提高维持发电机电压能力的要求和提高电力系统稳定的要求在许多方面是一致的。励磁控制系统对静态稳定、动态稳定和暂态稳定的改善，都有显著的作用，而且是为简单、经济而有效的措施。 2.1.2 无功合理分配控制并联运行机组无功功率合理分配并联运行机组无功功率合理分配与发电机端电压的调差率有关。发电机端电压的调差率有三种调差特性：无调差、负调差和正调差。两台或多台有差调节的发电机并联运行时，按调差率大小分配无功功率。调差率小的分配的无功多，调差率大的分配到的无功少。 如果发电机变压器单元在高压侧并联，因为变压器有较大

27、的电抗，如果采用无差特性，经变压器到高压侧后，该单元就成了有差调节了。若变压器电抗较大，为使高压母线电压稳定，就要使高压母线上的调差率不至太大，这时发电机可采用负调差特性，其作用是部分补偿无功电流在主变压器上形成的电压降落，这也称为负荷补偿。调差特性由自动电压调节器中附加的调差环节整定。与大系统联网的机组，调差率 Ku 在 (3%10%)之间调整。 2.2 励磁系统分类同步发电机的励磁系统种类很多，目前在电力系统中广泛使用的有以下几种类型。2.2.1 交流励磁机系统当前，交流励磁系统是汽轮发电机组比较主要的励磁方式。交流励磁机系统根据励磁机的励磁方式不同，可分为它励和自励交流励磁机系统。交流励

28、磁机系统若按整流是静止或是旋转、以及交流励磁机是磁场旋转或电枢旋转的不同，又可分为下列四种励磁方式：（a） 交流励磁机加静止硅整流器；（b） 交流励磁机加静止可控硅；（c） 交流励磁机加旋转硅整流器；（d） 交流励磁机加旋转可控硅；交流励磁机系统的具体接线方式很多，下面给出几种典型的接线方式。它励交流励磁机系统（三机它励励磁系统）交流主励磁机（ACL）和交流副励磁机（ACFL）都与发电机同轴。副励磁机是自励式的，其磁场绕组由副励磁机机端电压经整流后供电。也有用永磁发电机作副励磁机的，亦称三机它励励磁系统。自励交流励磁机系统没有副励磁机。交流励磁机的励磁电源是从该机的出口电压直接获得，其原理见图

29、。交流主励磁机经过可控硅整流装置向发电机转子回路提供励磁电流；自动励磁调节器控制可控硅的触发角，调整其输出电流。其原理见图，亦称为两机它励励磁系统。图2.1 交流励磁机系统接线原理一（三机它励）励磁系统没有副励磁机，交流励磁机的励磁电源由发电机出口电压经励磁变压器后获得，自动励磁调节器控制可控硅砖触发角，以调节交流励磁机励磁电流，交流励磁机输出电压经硅二极管整流后接至发电机转子，亦称为两机一变励磁系统，其原理图见图。2.2.2 他励旋转硅整流器励磁方式(无刷励磁系统)他励旋转硅整流器励磁方式，由于主发电机转子不用滑环和炭刷的突出优点，现在已经用于大型发电机组上。他励旋转硅整流器励磁方式的工作原

30、理和运行性能与他励静止硅整流器励磁方式相似，只不过励磁主回路的硅整流二极管是与交流励磁机电枢和主机转子同轴旋转的，励磁电流不需要经过炭刷及滑环引入转子励磁绕组。因此这种励磁系统又称为旋转半导体励磁系统，或称无刷励磁系统。主回路原理图中虚线框内为旋转部份。交流励磁机 JL 是一台电枢旋转式交流发电机，其感应电势一般为三相正弦波。国外有的制造厂也有把电势设计为多相矩形波或梯形波的，这对整流有利，而且可使每相绕组所接的二极管并联支路数减少。为了减少励磁调节环节的时间常数，交流励磁机的频率一般作成 150HZ或 200HZ。交流励磁机的输出，经快速熔断器 KPD 接到硅二极管整流桥，经整流后直接通到主

31、发电机转子励磁绕组中去，取消了滑环及炭刷。旋转二极管组成三相桥式整流电路，一般分成两组，分别安装在两个同轴旋转的与轴绝缘的金属圆盘上（称为散热盘）。一组为阴极型硅二极管，阴极固定在同一个散热盘上，称为共阴极组；另一组用阳极型硅二极管，其阳极固定在另一个散热盘上，称为共阳极组。每臂的硅二极管可以串联和并联。硅二极管的并联个数，应根据额定励磁电流，再加上 20%的裕度，还要考虑 15%左右的电流不平衡来选择，以保证当一个并联支路的快速熔断器烧断后，仍能维持发电机额定出力运行。此外，对于短时的强励电流以及发电机突然短路产生的过电流，也应加以考虑。硅二极管的串联个数，应根据恶劣条件下产生的反向电压的数

32、值来选择。图2.2 交流励磁机系统接线原理二图2.3 交流励磁机系统接线原理图（两机一变）图2.3 无刷励磁机系统原理接线图3 同步发电机励磁系统建模3.1 发电机模型和励磁系统同步发电机是电力系统中物理过程最复杂的的元件，既有机械运动过程又有电磁暂态过程，并且包含变量众多。因此只能是根据某种目的，按照某种要求来建立相应的数学模型，这里要建立的是分析发电机励磁控制系统所用的传递函数，故发电机的近似传递函。数为：发电机的输出变量Ut为机端电压，输入变量Uf，是施加在转子绕组上的励磁电压，这些变量常用其标么值表示。3.2 主励磁系统(励磁电源)的数学模型近年来，随着发电机容量的不断增大，直流励磁机

33、励磁系统已逐渐被其它励磁方式所代替，虽然运行中的同步发电机有些还装有这类励磁机，但其容量较小对系统稳定几乎没有什么影响，所以这里仅介绍交流励磁机和静止励磁电源的数学模型。图3.1 交流励磁机的结构组成(1)交流励磁机的数学模型交流励磁机处于带整流负荷的特殊运行状态时，它的数学模型应当包括交流励磁机和功率整流器两部分。在我国，除个别情况外，绝大多数交流励磁机均为它励发电机，因此可以用同步发电机模型来描述，由于励磁机的负载接近于恒定，因此它的负载电流(即整流后送到发电机励磁绕组的电流)产生的电枢反映对于励磁机端电压以的影响，不必像同步发电机那样精确的描述，而是近似的用常数代替即可。因此，交流励磁机

34、的传递函数框图如图所示。图3.2 交流励磁机的传递函数图其中：SE一饱和系数UR一励磁调节器输出电压KD一反映励磁机负载电流去磁作用的系数Ue一不可控三相全波整流桥的输出电压TE一励磁机励磁绕组空载时间常数IFD一发电机励磁电流KE一自励系数对于送到发电机励磁绕组的电压Uf的影响，除励磁机的电枢反应外，还与整流器的换相压降有关，所以必须与功率整流器连接后才能看清楚。所谓换相压降是指换流过程中的电流变化在电感上引起电压降落，使输出电压波形增加缺口，导致输出电压平均值减少。交流励磁机所用的功率整流器为三相桥式可控或不可控整流器，下图给出不可控整流器的数学模型。图3.3 不可控整流器的数学模型其中：

35、Fex整流器调节特性，与整流器工作状态有关的函数。 (2)静止励磁电源的数学模型自并励励磁系统接于发电机端的励磁变压器经可控整流后供给发电机励磁绕组，这实际上就是变压器带整流负荷的问题，由于可控整流桥的换相压降相对较小，因此励磁变压器用比例环节模拟即可。可控整流桥的电源由励磁变压器供给，它随发电机机端电压而变化，由于自并励系统多数采用余弦波移项触发电路，其可控整流桥的输出电压为：式中：K是励磁变压器变比与整流系数的乘积；口为控制角，它是调节器的输出电压和余弦波同步信号电压瞬时值相等时的相位角。进一步可写成：此式说明，励磁电压UFD与调节器输出电压UR是线性关系，并且不受发电机端电压的Ut的影响

36、，这是采用余弦波移项方式的优点。只有当强行励磁时，控制角为固定值，与余弦波同步信号无关，而UFD受Ut的影响。因此，自并励电源可用限幅器的形式表示，计及换相压降，并把励磁变压器和可控整流桥的增益归算到调节器，自并励电源的数学模型如图所示。图3.4 自并励电源的数学模型其中：Ka一移相回路的增益 Ta一移相回路的时间常数URmax一发电机额定电压时最大输出电压URmin一发电机额定电压时最小输出电压Kc一整流器换相压降系数Ut、IFD一机端电压和励磁电流在进行小扰动稳定分析时，可以省略限幅环节，自并励电源用比例环节模拟，励磁变压器和可控整流桥的时滞很小，可以忽略。3.3 励磁调节器(AVR)数学

37、模型目前我国电力系统中应用的励磁调节器基本上有三种类型：电磁型的电压校正器、相位复式励磁调节器、晶体管可控硅型励磁调节器。前两种己属淘汰之列，这里以可控硅励磁调节器为例，介绍其数学模型。可控硅励磁调节器由量测补偿调差、综合放大、移相触发、可控硅输出及转子电压软反馈等单元组成。(1)电压测量调差补偿单元电压测量单元把发电机端电压处理后，与给定电压Uref进行比较，其偏差值作为控制信号送到放大单元。由于整个电压测量单元总的滞后时间比较小，为了简化计算，一般用一阶惯性环节表示，其等值时间常数为TR。该单元有量测比较电路调差补偿电路及滤波整流电路组成，发电机端电压Ut及定子电流It经调差后构成输出电压

38、Uc，则：Rc和Xc分别为调差电阻和电抗。整流滤波电路可用一阶惯性环节表示为：式中：KR为电压比例系数；TR为时间常数，数值较小，一般在0。02一0。06s之间。(2)综合放大控制单元该单元由调节器中的综合放大、移相触发及可控硅整流电路组成。放大电路可看成惯性环节，同步触发器是一个比例环节，无时滞影响，对于可控硅整流器，考虑到在运行中改变控制电压的调节过程中，整流器的平均输出电压对触发器电压有滞后作用，经适当处理后，也可看成一阶惯性环节。这样，综合控制单元的传递函数可以近似为一阶惯性环节：式中：KA为综合放大倍数；TA为综合时间常数。(3)转子软反馈单元为了提高调节系统的动态稳定性，改善其调节

39、品质，通常设有转子软反馈单元。实质上是一个惯性微分环节，其传递函数为：式中：KF、TF分别为该环节的放大倍数和时间常数。(4)励磁稳定器为了提高励磁控制系统的稳定性，改善其调节品质，通常设有串、并联校正单元。串联校正单元又叫做PID调节器。其标准模型如图所示，由两个环节组成。其中，互一五为其时间常数(也称为超前滞后补偿时间常数)，K为其增益，KV为积分选择因子，KV=O时为纯积分校正。也有只使用一个校正环节的情况，此时，令T3= T4。图3.5 串联校正单元串联校正单元模型参数T1一T4和K(实际装置中可能两个环节都各有自己的增益)，都应通过测量或辨识取得。一般一个为超前环节，有T1 (或T3

40、) T2 (或T4)，一个为滞后环节，有T3 (或T1) T4(或T2)。并联校正单元又称为励磁系统稳定器(PSS)，其模型如图所示。其输入信号可以是发电机的励磁电压(仅用于有刷励磁系统) EFD或交流励磁机的励磁电流IFD (有刷或无刷系统均有使用)。输出信号的嵌入点可因调节器的不同而不同。图3.6 并联校正单元并联校正单元模型参数有两个KF和TF。都应通过测量或辨识取得。(5)误差放大单元模型误差信号放大单元用作误差信号的放大。有时误差信号直接由串联校正单元放大而省去误差信号放大单元。误差信号放大单元大多数可以用一个一阶惯性环节来模拟，其模型如图所示。图3.7 误差放大单元模型误差信号放大

41、模型参数有增益KA和时间常数TA，KA和TA均可以通过测量或辨识取得。误差信号放大单元有时也用做多种信号的综合单元，此时应注意对不同信号的增益是否相同。(6)功率放大单元模型及参数自动电压调节器的功率放大单元大多数为三相可控硅整流桥。功率放大单元模型如图所示。图3.8 功率放大单元模型URmax、URmin分别为自动电压调节器的功率放大单元最大输出电压、最小输出电压，K为其增益，T为其等效时间常数。输入为校正单元或综合放大器的输出。当自动电压调节器的功率放大单元由同轴副励磁机提供时：式中：UP、分别为副励磁机电压(取强励时的输出电压)、最小控制角和最大控制角。当自动电压调节器的功率放大单元由励

42、磁变压器从发电机端取得时，URmaxN、URminN分别为发电机电压为额定值时功率放大单元的最大输出电压和最小输出电压。等效时间常数T由调节器特性决定。对模拟式调节器且从副励磁机取得电源时，可以忽略，功率单元由机端变压器供电时为0。003一0。02秒，对数字式调节器，还受其采样及计算周期的影响，可由试验测定。理论上，电力系统稳定计算程序中使用的励磁系统模型应与励磁系统原始模型完全一致，实际上，在大多数情况下是不可能的。这主要是因为电力系统中实际使用的励磁系统(主要是其控制器)种类繁多且不断发生变化，使编制电力系统稳定计算分析程序时来不及、也不可能将电力系统中实际使用的每一种励磁系统的模型都包括

43、在电力系统稳定计算分析程序内。当出现电力系统稳定计算程序中使用的励磁系统模型与励磁系统原始模型不一致时，应采取如下处理办法：首先，在所使用的电力系统稳定计算程序中寻找与励磁系统原始模型最接近的励磁系统模型；第二，通过各种等值方法，将原始模型的参数转换成稳定计算程序中选用的模型参数；第三，通过仿真计算，校核等值结果，误差应满足要求；第四，如果等值结果不能满足要求，则可以通过程序的用户自定义功能(如果有的话)或要求程序提供商增加新的励磁系统模型。当然，对新的励磁系统数学模型也应通过仿真计算的校核。本课题就四种经典励磁模型中的自并励静止励磁系统进行研究，最终选用自并励静止励磁系统模型作为系统模型。它

44、有以下优点：(1)自并励励磁系统没有旋转部件，运行可靠性高。(2)由于它可缩短发电机的轴系长度，减少轴承数，所以可改善发电机组的轴系稳定性。(3)可提高电力系统稳定运行水平，尤其在小干扰情况下，它配制PSS后，小干扰稳定水平有明显的提高。(4)自并励励磁系统参数的选择比较灵活。(5)自并励晶闸管励磁系统性能好，可靠性高，可减少机组轴系扭震，而且减少投资。(6)检修维护方便，因其没有旋转设备，检修工作量小。自并励系统造价低，容易调整，维护简单，故障修复时间短。当外部短路切除后，强励能力便能迅速发挥出来。4 同步发电机模糊PID励磁控制器设计励磁系统是发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电

45、源的一套系统。在电力系统的运行中，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制着发电机的无功功率、功率因素和电流等参数。经过研究表明发电机的励磁控制是非线性、参数时变、要求响应速度快的实时系统。励磁控制系统的研究己经有了几十年的历史，各种控制方法发展都比较成熟，且各有优势。大量的工作都是围绕着励磁方式的改进和控制策略的革新展开的。最早出现的单变量HD调节方式，从一定程度上缓和了稳态电压调节精度和系统稳定性对增益要求上的矛盾，但却不能有效改善系统的动态品质与提高系统的稳定水平，尤其是当需要快速励磁时会时电力系统阻尼特性恶化，引起低频振荡。多变量PID与局部变量反馈的同时运用在实现全局稳定的同时在抑制低频

46、振荡和提高暂态稳定性方面是有一定效果的，系统的鲁棒性和适应性都有改善，但不足的地方是大量的参数需要通过实验方法进行调整和配合，花费很多的时间，而且需要特定的网络模型和对低频振荡空间的设计、鲁棒性和适应性差，如果只是采用以上传统的方法是肯定不能达到控制目的的。模糊控制系统是一种现代智能控制系统，针对非线性系统，它以模糊数学、模糊语言形式对知识的描述和模糊逻辑的规则推理为基础，而且其特性就是不需要被控对象的准确数学模型，构造容易；鲁棒性好，适应力强等。以上这些都与励磁系统的特点正好切合。本文提出将模糊控制与传统PID同步发电机励磁控制相结合，解决上述励磁控制问题，取长补短，使系统的控制效果更好，适

47、应性和调整能力更强。4.1常规PID控制器原理与设计将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制的控制器被称为PID控制器。4.1.1 PID控制原理PID控制算法根据输入输出信号类型的不同分为模拟PID控制算法和数字PID控制算法。(1)模拟PID控制算法模拟PID控制系统原理框图如图所示。图4.1 模拟PID控制系统原理框图PID控制器是针对线性控制所设计的控制器，它根据给定的输入值r(t)与实际的系统输出值也y(t)之间的偏差 e(t)= r(t) - y(t)然后经过如下的PID控制规律，得到写成传递函数形式为以u(t)作为控制调节输入，对被控对

48、象实施控制动作。式中kp为比例系数，Ti为积分环节时间常数， Td为微分环节时间常数。PID控制器的性能好坏由kp、Ti 、Td这三个系数决定。PID是比例、积分、微分的简称，PID控制的难点不是编程，而是控制器的参数整定。参数整定的关键是正确地理解各参数的物理意义，PID控制的原理可以用人对炉温的手动控制来理解。阅读本文不需要高深的数学知识。a比例控制有经验的操作人员手动控制电加热炉的炉温，可以获得非常好的控制品质，PID控制与人工控制的控制策略有很多相似的地方。下面介绍操作人员怎样用比例控制的思想来手动控制电加热炉的炉温。假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。在控制过程中，操作人员用

49、眼睛读取炉温，并与炉温给定值比较，得到温度的误差值。然后用手操作电位器，调节加热的电流，使炉温保持在给定值附近。操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大致位置（我们将它称为位置L），并根据当时的温度误差值调整控制加热电流的电位器的转角。炉温小于给定值时，误差为正，在位置L的基础上顺时针增大电位器的转角，以增大加热的电流。炉温大于给定值时，误差为负，在位置L的基础上反时针减小电位器的转角，并令转角与位置L的差值与误差成正比。上述控制策略就是比例控制，即PID控制器输出中的比例部分与误差成正比。闭环中存在着各种各样的延迟作用。例如调节电位器转角后，到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较大的时间延迟

50、。由于延迟因素的存在，调节电位器转角后不能马上看到调节的效果，因此闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟作用。比例控制的比例系数如果太小，即调节后的电位器转角与位置L的差值太小，调节的力度不够，使系统输出量变化缓慢，调节所需的总时间过长。比例系数如果过大，即调节后电位器转角与位置L的差值过大，调节力度太强，将造成调节过头，甚至使温度忽高忽低，来回震荡。增大比例系数使系统反应灵敏，调节速度加快，并且可以减小稳态误差。但是比例系数过大会使超调量增大，振荡次数增加，调节时间加长，动态性能变坏，比例系数太大甚至会使闭环系统不稳定。单纯的比例控制很难保证调节得恰到好处，完全消除误差。b积分控制PI

51、D控制器中的积分对应于图1中误差曲线 与坐标轴包围的面积（图中的灰色部分）。PID控制程序是周期性执行的，执行的周期称为采样周期。计算机的程序用图1中各矩形面积之和来近似精确的积分，图中的TS就是采样周期。图4.2 积分运算示意图每次PID运算时，在原来的积分值的基础上，增加一个与当前的误差值ev（n）成正比的微小部分。误差为负值时，积分的增量为负。手动调节温度时，积分控制相当于根据当时的误差值，周期性地微调电位器的角度，每次调节的角度增量值与当时的误差值成正比。温度低于设定值时误差为正，积分项增大，使加热电流逐渐增大，反之积分项减小。因此只要误差不为零，控制器的输出就会因为积分作用而不断变化

52、。积分调节的“大方向”是正确的，积分项有减小误差的作用。一直要到系统处于稳定状态，这时误差恒为零，比例部分和微分部分均为零，积分部分才不再变化，并且刚好等于稳态时需要的控制器的输出值，对应于上述温度控制系统中电位器转角的位置L。因此积分部分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，积分作用一般是必须的。PID控制器输出中的积分部分与误差的积分成正比。因为积分时间TI在积分项的分母中，TI越小，积分项变化的速度越快，积分作用越强。cPI控制控制器输出中的积分项与当前的误差值和过去历次误差值的累加值成正比，因此积分作用本身具有严重的滞后特性，对系统的稳定性不利。如果积分项的系数设置得不好，其负面作用很难

53、通过积分作用本身迅速地修正。而比例项没有延迟，只要误差一出现，比例部分就会立即起作用。因此积分作用很少单独使用，它一般与比例和微分联合使用，组成PI或PID控制器。PI和PID控制器既克服了单纯的比例调节有稳态误差的缺点，又避免了单纯的积分调节响应慢、动态性能不好的缺点，因此被广泛使用。如果控制器有积分作用（例如采用PI或PID控制），积分能消除阶跃输入的稳态误差，这时可以将比例系数调得小一些。如果积分作用太强（即积分时间太小），相当于每次微调电位器的角度值过大，其累积的作用会使系统输出的动态性能变差，超调量增大，甚至使系统不稳定。积分作用太弱（即积分时间太大），则消除稳态误差的速度太慢，积分

54、时间的值应取得适中。d微分作用误差的微分就是误差的变化速率，误差变化越快，其微分绝对值越大。误差增大时，其微分为正；误差减小时，其微分为负。控制器输出量的微分部分与误差的微分成正比，反映了被控量变化的趋势。有经验的操作人员在温度上升过快，但是尚未达到设定值时，根据温度变化的趋势，预感到温度将会超过设定值，出现超调。于是调节电位器的转角，提前减小加热的电流。这相当于士兵射击远方的移动目标时，考虑到子弹运动的时间，需要一定的提前量一样。图4.3 阶跃响应曲线图2中的c ()为被控量c (t)的稳态值或被控量的期望值，误差e(t) = c () - c (t)。在图2中启动过程的上升阶段，当 时，被

55、控量尚未超过其稳态值。但是因为误差e(t)不断减小，误差的微分和控制器输出的微分部分为负值，减小了控制器的输出量，相当于提前给出了制动作用，以阻碍被控量的上升，所以可以减少超调量。因此微分控制具有超前和预测的特性，在超调尚未出现之前，就能提前给出控制作用。闭环控制系统的振荡甚至不稳定的根本原因在于有较大的滞后因素。因为微分项能预测误差变化的趋势，这种“超前”的作用可以抵消滞后因素的影响。适当的微分控制作用可以使超调量减小，增加系统的稳定性。对于有较大的滞后特性的被控对象，如果PI控制的效果不理想，可以考虑增加微分控制，以改善系统在调节过程中的动态特性。如果将微分时间设置为0，微分部分将不起作用

56、。微分时间与微分作用的强弱成正比，微分时间越大，微分作用越强。如果微分时间太大，在误差快速变化时，响应曲线上可能会出现“毛刺”。微分控制的缺点是对干扰噪声敏感，使系统抑制干扰的能力降低。为此可在微分部分增加惯性滤波环节。 (2)数字PID控制算法在计算机出现之后，大量的工业生产，实际应用都与计算机结合起來，发展迅速且效果良好，控制科学也不例外。由于计算机本身的采样机制，所以控制时只能依靠釆样时刻的偏差计算控制量，模拟控制这样的连续PID控制算法不适用，需要进行离散化处理。数字PID控制算法有两种表达形式：a：位置式，按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点紅代表连续时间t，以矩形法数值积分近

57、似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分。b：增量式，当执行机构需要的是控制量的增量时(例如驱动步进电机)。 位置式与增量式差别不大，但是相比而言，增量式有一定的优点:a:增量式PID控制算法不需要做累加，且计算误差小，精度高，对控制量的影响不大：b:使用增量式可以在控制手段变化时，不对系统造成冲击和干扰，实现无扰动的控制切换。综上，数字PID控制系统如图所示：图4.4 数字PID控制系统框图根据上图，整理后可以得到数字PID控制算法设计流程，如图：图4.5 数字PID控制算法设计流程图4.2 基于模糊PID控制器的同步发电机励磁控制器设计同步发电机励磁控制器控制策略中,最早被引用的是PID控制算法,而且对于可以建立精确数学模型的控制系统,其控制效果良好。但同步发电机励磁控制过程是非线性,时变的,想要建立精确数学模型难以实现,这时传统PID控制方法不能够达到理想的控制效果,暴露出一系列严重的问题:调节过程复杂,控制参数整定过多的依赖经验等等,这些传统PI