交流跟蹤最優(yōu)控制技術(shù)在移動(dòng)電站中的應(yīng)用

安巧靜，朱長青，谷志鋒，王川川

(軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050003)

交流跟蹤最優(yōu)控制技術(shù)在移動(dòng)電站中的應(yīng)用

安巧靜，朱長青，谷志鋒，王川川

(軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050003)

為解決目前移動(dòng)電站所用控制技術(shù)使電站存在輸出電壓穩(wěn)定度差、負(fù)載變化時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間長的問題，提出了電站的交流跟蹤最優(yōu)控制技術(shù)模型，從理論分析和建模仿真兩方面研究了該技術(shù)應(yīng)用的可行性及優(yōu)越性，并與傳統(tǒng)勵(lì)磁控制技術(shù)對(duì)電站輸出電能質(zhì)量的影響進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明：交流跟蹤最優(yōu)控制技術(shù)可以在電站控制中獲得應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)勵(lì)磁控制技術(shù)，前者能夠明顯提高輸出電壓穩(wěn)定度，改善輸出電能質(zhì)量。

移動(dòng)電站；交流跟蹤技術(shù)；交流跟蹤基準(zhǔn)電壓；同步比較；最優(yōu)勵(lì)磁控制

移動(dòng)電站作為信息化武器裝備的電力來源，其電氣性能指標(biāo)，尤其是輸出電壓的穩(wěn)定度及電機(jī)過渡過程的調(diào)節(jié)時(shí)間，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行具有重要影響。由于移動(dòng)電站所帶負(fù)載變化具有隨時(shí)性，而電站容量有限，導(dǎo)致移動(dòng)電站的暫態(tài)調(diào)整過程時(shí)有發(fā)生。移動(dòng)電站一般采用簡單的恒勵(lì)磁方式，即在電壓突變時(shí)，采用強(qiáng)行勵(lì)磁，結(jié)果通常會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和電壓脈沖；而勵(lì)磁控制系統(tǒng)通常采用直流采樣的方式，導(dǎo)致采樣延時(shí)、控制滯后；傳統(tǒng)電站控制采用單反饋量方式，通過分析電站系統(tǒng)的線性化模型，得出系統(tǒng)振蕩的判別條件，尤其是在系統(tǒng)重負(fù)荷高放大倍數(shù)快速勵(lì)磁時(shí)，會(huì)振蕩失穩(wěn)[1]。以上缺點(diǎn)導(dǎo)致電站供電質(zhì)量不高，并對(duì)設(shè)備的安全和性能產(chǎn)生影響。

關(guān)于電站負(fù)載突變時(shí)電壓跌落的原因、電壓變化率的工程計(jì)算方法、電壓跌落的影響因素在不同的文獻(xiàn)[2-3]中都有詳細(xì)介紹，采用先進(jìn)控制算法提高電站電氣性能指標(biāo)的方法，也有大量文獻(xiàn)[4-5]介紹，但都未從根本上克服采樣延時(shí)引起控制滯后的問題。為解決這種問題，本文提出了交流跟蹤技術(shù)，針對(duì)移動(dòng)電站發(fā)電系統(tǒng)的暫態(tài)分析來具體介紹基于交流跟蹤技術(shù)的最優(yōu)勵(lì)磁控制策略研究，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性和優(yōu)越性，為接下來的硬件實(shí)驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。

1 交流基準(zhǔn)電壓的實(shí)現(xiàn)

圖1 某型同步發(fā)電機(jī)電樞繞組實(shí)物圖及電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

交流跟蹤最優(yōu)勵(lì)磁控制的實(shí)現(xiàn)可分為以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：交流基準(zhǔn)電壓和同步比較技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)某型同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合原理分析得到的；對(duì)同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)過程分析電機(jī)負(fù)載變化的過渡過程的時(shí)間常數(shù)[6-7]，得到電壓的變化規(guī)律，明確了交流跟蹤的具體意義，重負(fù)荷高放大倍數(shù)的快速勵(lì)磁對(duì)系統(tǒng)振蕩頻率的影響很大，為此本文采用最優(yōu)勵(lì)磁的控制方式[8-9]，來抑制系統(tǒng)的振蕩。

移動(dòng)電站同步發(fā)電機(jī)電樞繞組的實(shí)物圖及同步發(fā)電機(jī)示意圖，如圖1所示。

交流跟蹤技術(shù)的提出是根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理得到的，電樞繞組嵌于同步發(fā)電機(jī)齒槽中，對(duì)于兩極磁極，每旋轉(zhuǎn)一周，得到兩個(gè)周期的電壓，如圖1所示，所以可以得出輸出電壓的頻率是和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比的。以每過一個(gè)齒槽為例，通過得到轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)校正角度，得到相對(duì)應(yīng)角度基準(zhǔn)電壓與相應(yīng)的端電壓進(jìn)行比較，就可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步比較，可得到勵(lì)磁電壓的控制規(guī)律，經(jīng)一定的控制算法，實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的勵(lì)磁控制。轉(zhuǎn)速傳感器如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速傳感器示意圖

通過記錄相鄰兩個(gè)齒通過轉(zhuǎn)速傳感器的時(shí)間，可以得到同步發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速ω。電站起勵(lì)發(fā)電后，通過采集發(fā)電機(jī)端電壓與轉(zhuǎn)速傳感器的高頻轉(zhuǎn)速信號(hào)，可以確定飛輪齒圈與定子繞組之間的位置關(guān)系。利用轉(zhuǎn)子上的測(cè)速齒輪，其每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生與其齒數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，假設(shè)發(fā)電機(jī)齒數(shù)為180，極對(duì)數(shù)為1，則由測(cè)速齒輪可得到180個(gè)脈沖信號(hào)，對(duì)每個(gè)過一個(gè)齒產(chǎn)生的脈沖信號(hào)做標(biāo)記，我們標(biāo)記為1～180。與此同時(shí)，定子側(cè)電壓經(jīng)過整形得到脈沖，并與轉(zhuǎn)子脈沖進(jìn)行比較，以發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載的情況為例，如圖3所示。

圖3 空載和負(fù)載條件下加載后的功角變化

如果在數(shù)字處理器ROM中開辟一段空間，并構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)正弦波列表，并根據(jù)功角量的提取數(shù)值動(dòng)態(tài)提取ROM中的標(biāo)準(zhǔn)正弦波列表數(shù)據(jù)，從而形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。而形成的標(biāo)準(zhǔn)正弦波將是一個(gè)與外部輸出電壓同頻同相的動(dòng)態(tài)波基準(zhǔn)，利用發(fā)電機(jī)端電壓與此標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，并采用一定的控制算法進(jìn)行勵(lì)磁控制，將明顯縮小傳統(tǒng)勵(lì)磁控制由于采集電路延時(shí)引起的控制滯后的弊端。

仿真中，為得到兩類脈沖，即電壓過零脈沖和讀數(shù)脈沖，分別使用輸出端電壓過零脈沖和角度脈沖，過零脈沖的作用是對(duì)交流基準(zhǔn)電壓的復(fù)位讀取，而讀數(shù)脈沖是每經(jīng)過相同角度的讀取相應(yīng)端電壓和離散基準(zhǔn)電壓的值。交流基準(zhǔn)電壓信號(hào)的提取是由脈沖觸發(fā)一個(gè)電壓有效值恒定的正弦波形，得到的一組離散的數(shù)。SIMULINK仿真實(shí)現(xiàn)如圖4(a)所示。

圖4 交流基準(zhǔn)電壓的產(chǎn)生及同步比較

2 交流基準(zhǔn)電壓同步比較技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

在仿真中，過零脈沖和角度脈沖實(shí)現(xiàn)，以某移動(dòng)電站為例，端電壓經(jīng)過零脈沖得到過零脈沖波形，過零脈沖和讀數(shù)脈沖的作用經(jīng)SIMULINK仿真實(shí)現(xiàn)如圖4(b)所示：圖中θ(theta)角代表轉(zhuǎn)子角，δ(delta)角為功角，θ角經(jīng)δ角校正，連接一個(gè)脈沖發(fā)生器，生成一組等角度脈沖，作為讀數(shù)脈沖，端電壓過零脈沖通過觸發(fā)脈沖模塊對(duì)基準(zhǔn)電壓的讀取復(fù)位。在這里，有一個(gè)判斷，當(dāng)過零脈沖的幅值大于等于0，即為1時(shí)，Triggered Subsystem模塊工作；而當(dāng)過零脈沖的幅值小于0，即為－1時(shí)，Triggered Subsystem1模塊工作。區(qū)分這兩個(gè)模塊的原因是生成基準(zhǔn)電壓為半個(gè)周期，和端電壓進(jìn)行同比較時(shí)，需區(qū)分計(jì)算。

3 移動(dòng)電站系統(tǒng)暫態(tài)分析

3.1突加負(fù)載時(shí)間常數(shù)的分析

為推導(dǎo)突加負(fù)載的電流的幅值表達(dá)式，因考慮發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)過程衰減很快，所以可以忽略不計(jì)。忽略定子電流的非周期分量及二次諧波分量后，空載時(shí)突加滿載的電流表達(dá)式為：

考慮功角變化，負(fù)載變化后的圖形比較如圖5所示。由圖可知，在突加負(fù)載時(shí)端電壓的幅值會(huì)減小，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)交流跟蹤技術(shù)，時(shí)刻比較實(shí)際值和基準(zhǔn)值，需通過功角變化對(duì)轉(zhuǎn)子角進(jìn)行校正[10]。

3.2 對(duì)系統(tǒng)振蕩影響的分析

對(duì)移動(dòng)電站電力系統(tǒng)進(jìn)行線性化得到數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)過

圖5 理想情況下突加負(fù)載后端電壓變化曲線

4 交流跟蹤最優(yōu)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)

得到仿真結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果分析：仿真是在1 s時(shí)突減負(fù)載，在2 s時(shí)恢復(fù)負(fù)載。由結(jié)果可以看出，對(duì)于3個(gè)參量的比較本文提出方法的仿真在抑制參量振蕩和調(diào)節(jié)時(shí)間方面具有更好的效果，其反應(yīng)速度快，穩(wěn)定時(shí)間短。

圖6 最優(yōu)控制和傳統(tǒng)控制仿真結(jié)果比較

5 結(jié)論

交流跟蹤技術(shù)的提出是從目前移動(dòng)電站的傳統(tǒng)控制方式的弊端入手研究的，旨在為移動(dòng)電站開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精密調(diào)壓控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。用于在突變負(fù)載條件下，保證移動(dòng)電站輸出電壓穩(wěn)定，大幅提高移動(dòng)電站的整機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)。首先通過理論分析，證明了這種勵(lì)磁控制方法的可行性，其次針對(duì)具體的移動(dòng)電站供電系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)勵(lì)磁控制效果進(jìn)行了比較。基于交流跟蹤技術(shù)的移動(dòng)電站最優(yōu)勵(lì)磁控制的提出為解決電站控制滯后、調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)長的問題提供了條件，對(duì)于提高移動(dòng)電站穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電氣性能指標(biāo)具有重要意義。

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Research on AC tracking optimal control technique applied in mobile power station

AN Qiao-jing,ZHU Chang-qing,GU Zhi-feng,WANG Chuan-chuan

In order to resolve the problems of poor stability of output voltage and long adjusting time existing in the mobile power station aroused from the current control technique while loads changing,a model about AC tracking technique was proposed.The feasibility and superiority of the technique were researched from two sides:theoretical analysis and modeling simulation.The results show that:the AC tracking control technique can be used in the mobile power station,with which the stability of output voltage is improved and the output power quality is more perfect.

mobile power station;AC tracking technique;AC tracking based voltage;synchronous comparison; optimal excitation control

TM 343

A

1002-087 X(2014)02-0323-04

2013-06-15

軍械工程學(xué)院基金項(xiàng)目(YJJ10031)

安巧靜(1987—)，女，河北省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娬緞?lì)磁技術(shù)。