《基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模与仿真研究硕士研究生学位论文》

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

12、TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc400915363 1 绪论 PAGEREF _Toc400915363 h 4 HYPERLINK l _Toc400915364 1.1 国内外研究现状 PAGEREF _Toc400915364 h 4 HYPERLINK l _Toc400915365 1.2 未来走向 PAGEREF _Toc400915365 h 7 HYPERLINK l _Toc400915366 2 发电机励磁系统的作用及分类 PAGEREF _Toc400915366 h 8 HYPERLINK l _Toc400915367 2.1 励磁系统

13、作用 PAGEREF _Toc400915367 h 8 HYPERLINK l _Toc400915368 2.1.1 维持电压水平 PAGEREF _Toc400915368 h 8 HYPERLINK l _Toc400915369 2.2 励磁系统分类 PAGEREF _Toc400915369 h 9 HYPERLINK l _Toc400915370 2.2.2 他励旋转硅整流器励磁方式(无刷励磁系统) PAGEREF _Toc400915370 h 10 HYPERLINK l _Toc400915371 3 同步发电机励磁系统建模 PAGEREF _Toc400915371 h

14、 12 HYPERLINK l _Toc400915372 3.1 发电机模型和励磁系统 PAGEREF _Toc400915372 h 12 HYPERLINK l _Toc400915373 3.2 主励磁系统(励磁电源)的数学模型 PAGEREF _Toc400915373 h 12 HYPERLINK l _Toc400915374 3.3 励磁调节器(AVR)数学模型 PAGEREF _Toc400915374 h 15 HYPERLINK l _Toc400915375 4 同步发电机模糊PID励磁控制器设计 PAGEREF _Toc400915375 h 19 HYPERLINK

15、 l _Toc400915376 4.1常规PID控制器原理与设计 PAGEREF _Toc400915376 h 20 HYPERLINK l _Toc400915377 4.1.1 PID控制原理 PAGEREF _Toc400915377 h 20 HYPERLINK l _Toc400915378 4.2 基于模糊PID控制器的同步发电机励磁控制器设计 PAGEREF _Toc400915378 h 22 HYPERLINK l _Toc400915379 5 系统仿真实验与结果分析 PAGEREF _Toc400915379 h 23 HYPERLINK l _Toc40091538

16、0 5.1 Simulink环境下的同步发电机励磁控制建模 PAGEREF _Toc400915380 h 23 HYPERLINK l _Toc400915381 5.2模糊控制器设计 PAGEREF _Toc400915381 h 27 HYPERLINK l _Toc400915382 5.2.1模糊拉制器的组成原理 PAGEREF _Toc400915382 h 27 HYPERLINK l _Toc400915383 5.2.2参数整定原则 PAGEREF _Toc400915383 h 27 HYPERLINK l _Toc400915384 5.2.3 仿真实验 PAGEREF

17、_Toc400915384 h 28 HYPERLINK l _Toc400915385 5.2.4发电机时间常数突变情况的仿真实验及结果分析 PAGEREF _Toc400915385 h 29 HYPERLINK l _Toc400915386 6 总结与展望 PAGEREF _Toc400915386 h 34 HYPERLINK l _Toc400915387 6.1本文总结 PAGEREF _Toc400915387 h 34 HYPERLINK l _Toc400915388 6.2进一步工作的展望 PAGEREF _Toc400915388 h 351 绪论1.1 国内外研究现状

18、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

19、，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

20、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，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，

21、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。

22、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

23、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

24、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

25、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，

26、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

27、)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

28、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

29、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

30、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

31、.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

32、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

33、，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。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

34、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

35、 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

36、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

37、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

38、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

39、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：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

40、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，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

41、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

42、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

43、，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

44、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) T2 (或T4)，一个为滞后环节，有T3 (或T1)当(E0)时，系统输出趋向稳态值的速度越快越好，即应尽快消除偏差，加大偏差的权当快接近稳态值时，为减少超调，应加大偏差变化的权，适当减小积分作用，以避免积分超调及随之而带来的振荡，有利于控制。(2)当(E0，

45、E0， E0， E0)时，系统出现大超调时，如果下超不太大，即可保持一个较小值，使系统尽快稳定。(5)而在系统进入稳定状态时，恢复调整初始时的PID参数。根据文献总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，针对Kp，Ki ，Kd三个参数整定模糊控制表，建立模糊合适的模糊规则具体见表5.2.3 仿真实验在Simulink中建立常规PID励磁控制系统的仿真图图5.9 传统PID同步发电机励磁控制仿真模型图基于模糊PID控制器的设计理论，设计出如图所示的模糊PID同步发电机励磁控制仿真图，其中的模糊控制器输入变量e和ec的论域为-6，6；输出语言变量kp、ki、kd论域为-3，3。图5.10 模糊PI

46、D同步发电机励磁控制仿真模型图图5.11 PID内部结构封装仿真图5.2.4发电机时间常数突变情况的仿真实验及结果分析选取如下的同步发电机励磁控制实验参数:移相触发和功率单元KE=1，TE=0.3s；电压测量环节: KM=l， T=0.02s；若同步发电机: K=1，T=6s。按照传统PID同步发电机励磁控制系统仿真模型，仿真时间为5s，在Os时候加入幅值为1的阶跃响应信号，其中的PID参数根据反复大量实验得到。当取 kp=118， ki=l，kd=ll时，仿真曲线如下图。按照模糊PID同步发电机励磁控制系统仿真模型，仿真时间为5s，在0s时候加入幅值为1的阶跃响应信号，其中模糊PID励磁控制

47、器中的量化因子Kfe=6、Kfec=0.75，比例因子 Kup=0.333、Kui = 0.167、Kud =0.2，仿真曲线如下图。其中kp、ki、kd三个参数的控制过程调整曲线如图。图5.12 TG=6s传统PID励磁控制仿真曲线图5.13 其中kp、ki、kd三个参数的控制过程调整曲线如下图。 图5.14 (a)kp调整曲线 (b)ki调整曲线 (c) kd调整曲线若同步发电机: K=1，T=12s。其他条件不变的情况下，传统PID同步发电机励磁控制系统仿真曲线如下图。图5.15 传统PID励磁控制仿真曲线图5.16 TG=12s模糊PID励磁控制仿真曲线仿真结果分析：(1)在TG=6s

48、时，通过控制经验反复试凑控制参数后的PID控制上升时间为0.5s，超调量为10%，调整时间为0.8s。模糊PID控制上升时间为0.3s，超调量不到3%，调整时间为0.5s。从仿真结果数据上看，两种控制方法的效果基本是相同的。模糊PID控制在控制效果并没有太大的优势。传统PID控制基本是可以满足励磁控制系统性能要求的，从设计复杂程度上，使用PID控制更方便。(2)在TG=12s时，图中由于控制参数并没有因为发电机系统参数的改变而且做出调整，上升时间为0.8秒，超调量超过了50%，调整时间为接近2s控制效果明显下降，在控制要求高的情况下，PID己经无法满足。图中模糊PID同步发电机励磁控制上升时间

49、为0.3s，超调量也不到3%，调整时间为0.5s，与前图中的仿真曲线比较，没有差别，控制效果并没有因为同步发电机参数的改变而下降。6 总结与展望6.1本文总结本文以电力系统的自身特点与调控要求为线索，结合同步发电机励磁控制效果的好坏对电力系统安全稳定高效运行的意义，提出了基于模糊PID的同步发电机励磁控制策略，并通过仿真进行研究，总结如下:(1)围绕本文中心，先是深入了解了同步发电机的物理特性，运行特性，并建立了同步发电机的数学模型，其中包括单机无限大系统模型和在特殊条件下简化后的同步发电机励磁控制系统经典模型传递函数。(2)对本文研究所用的模糊控制理论知识和PID控制理论知识做了详细的叙述，

50、主要对模糊控制器的结构，各个模块的基础知识，设计流程等一一给出说明；MD控制理论知识方面，给出了 PID控制的模拟算法式与数字算法式，然后重点了解了 PID控制参数整定方法。在以上准备工作完成后，完成了整个基于模糊PID同步发电机励磁控制的设计。(3)根据设计，在Simulink环境下进行了仿真实验，同时与传统PID励磁控制在同样情况下仿真结果进行比较并分析。a:在其他条件相同的情况下，比较发电机时间常数的突然变化情况下两者的控制效果。结果表明，人为的依据控制经验对PID控制参数整定后的传统PID控制器对某一系统实施控制，其控制效果是可以达到要求的，且由于设计与使用简便，其实用性是很高的。模糊

51、PID同步发电机励磁控制器并没有太大的优势与突出表现。发电机的时间常数的突然变化，导致控制模型改变，原先的传统PID控制参数并没有也不可能自动的进行针对性调整，于是传统PID的控制效果明显下降，甚至不能够达到控制要求，这也说明了传统PID控制对被控对象精确数学模型的过于依赖性以及其只能应对线性控制的特性，充分暴露了传统PID控制的确定。但是，仿真实验中清楚的看到，模糊PID控制没有因为系统模型的突然变化而引起控制效果的变化，在比较后，仿真实验曲线几乎一致。通过这个实验充分体现了模糊PID控制相对与传统PID控制的优势所在，即不需要被控制对象的精确模型和具有一定的智能化。b:通过在系统稳定运行时

52、，加入干扰信号的仿真实验来验证模糊PID控制的抗干扰能力，实验表明:系统并没有因为外界的干扰而变的不稳定或者是像传统PID那样产生很大的波动，相反，模糊PID控制使系统在超调小的情况很快恢复稳定。说明模糊PID控制的抗干扰能力强，系统的稳定性好。c:通过在经典模型中加入滞后环节，使被控制对象具有简单的非线性特性，实验表明，对于具有滞后特性的对象，随着时滞参数的增大，传统PID控制效果急剧下降，最终无法有效控制，而模糊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，弥补了传统PID控制的缺陷。以上这些体现出了本文提出的模糊PID励磁控制有很好的鲁棒性与自调整、自适应能力，实现了一些基本的智能控制功能。由仿真结果也证明了所做设计的控制效果的良好和可行性。6.2进一步工作的展望(1)同步发电机原理是很复杂的，还有其他一