同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制教學(xué)中的Matlab/simulink應(yīng)用實(shí)例

范程華 張忠祥 魯世斌

摘要：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)是《電機(jī)控制技術(shù)》課程的重要部分，其中PID勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在教學(xué)中具有承前啟后的作用。本文以135MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，介紹了一種基于積分分離PID勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法，并采用simulink搭建了電力系統(tǒng)模型。仿真孤網(wǎng)運(yùn)行并模擬故障，結(jié)果表明該勵(lì)磁控制器能有效提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)過(guò)程有助于學(xué)生理解PID調(diào)節(jié)器的控制方式，對(duì)后續(xù)課程設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī);PID控制;勵(lì)磁調(diào)節(jié)器;系統(tǒng)仿真

中圖分類號(hào)：G64 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）25-0028-03

Abstract： The synchronous generator excitation control system is an important part of the "Motor Control Technology" course， in which， the PID designing of excitation regulator is closely related to the previous and follow-up courses in the teaching.Taking 135MW steam turbine generator as an example， this paper introduces a design method based on integral separation PID excitation regulator， and builds the power system model with simulink. The results of isolation operation and simulating malfunctions show that the excitation controller can effectively improve the dynamic stability of the power system. The design process of the controller can helps students understand the control mode of the PID regulator， which has certain guiding significance for the subsequent course design.

Key words：Synchronous generator; PID control ; Excitation regulator; System Simulation

1 引言

《電機(jī)控制技術(shù)》課程中同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律通常有PID勵(lì)磁控制、線性最優(yōu)控制、自適應(yīng)勵(lì)磁控制和非線性勵(lì)磁控制等[1]。其中PID勵(lì)磁控制是本科教學(xué)階段的重要內(nèi)容之一，在工程實(shí)際中也得到了廣泛的應(yīng)用[2]。當(dāng)發(fā)電機(jī)并電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一旦其電壓頻率有波動(dòng)，電網(wǎng)會(huì)自發(fā)地通過(guò)自己的能力將頻率電壓拉回適應(yīng)的范圍，如果沒(méi)有電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)只能靠調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的頻率電壓[3]。本文以135MW汽輪發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的電壓頻率要求為例，介紹了一種PID勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)Matlab/simulink搭建電力系統(tǒng)模型進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真，幫助學(xué)生理解PID控制規(guī)律及控制器設(shè)計(jì)步驟、方法。

2 同步發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選取額定容量180MVA、額定功率135MW汽輪發(fā)電機(jī)為例，其輸出線電壓為13.8KV，并通過(guò)升壓變壓器接于110kV供電母線上，且不具備孤網(wǎng)運(yùn)行條件。要求設(shè)計(jì)一基于PID的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，使其實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行的可能性。

設(shè)計(jì)思路是首先根據(jù)勵(lì)磁PID控制原理設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，然后選擇PID調(diào)節(jié)器、建立單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)模型，最后模擬運(yùn)行故障。由于PID勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸入是測(cè)得的勵(lì)磁電流、定子電壓、有功及無(wú)功功率[4]，其輸出是控制晶閘管導(dǎo)通角從而控制勵(lì)磁電壓的原理得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

3 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真

3.1 PID控制器設(shè)計(jì)

3.1.1 積分分離PID控制方式的實(shí)現(xiàn)

在常規(guī)PID控制算法中，由于積分系數(shù)ki是常數(shù)，所以在整個(gè)控制過(guò)程中，積分增量是不變的。但是，系統(tǒng)對(duì)于積分項(xiàng)的要求是，系統(tǒng)偏差大時(shí)，積分作用應(yīng)該減弱或是暫時(shí)取消積分作用。而在偏差小時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)積分作用。在實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)積分系數(shù)取大了會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和，取小了系統(tǒng)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，這樣在算法實(shí)現(xiàn)時(shí)可以考慮根據(jù)系統(tǒng)的偏差大小決定是否引入積分作用，從而可以采取積分分離方法，當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，取消積分作用。在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，引入積分控制，以消除靜態(tài)誤差，提高控制精度[5]。采用Simulink模擬積分分離PID算法如圖2，原理是當(dāng)偏差在由subsystem設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)采用積分常數(shù)gain1，否則采用gain2。目的是使得系統(tǒng)在受擾動(dòng)后超調(diào)小且能快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行?？狗e分飽和算法由saturation模擬，設(shè)定上下限為（-1，1）。

3.1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)器采用恒壓勵(lì)磁方式設(shè)計(jì)，在Simulink中實(shí)現(xiàn)如圖3。Vd、Vq為發(fā)電機(jī)端電壓d軸和q軸分量的標(biāo)幺值，由函數(shù)功能模塊轉(zhuǎn)換為端電壓標(biāo)幺值并通過(guò)低通濾波器輸出，與給定值比較結(jié)果作為PID控制的輸入。

3.2 同步發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)模型

3.2.1 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)模擬

為了能與單機(jī)帶負(fù)荷時(shí)所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作性能有所對(duì)比，首先建立單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)模型[6]，研究所設(shè)計(jì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作時(shí)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性[7]。Simulink系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4，三相同步發(fā)電機(jī)采用Synchronous Machine pu Standard模塊[8]， Steam Turbine and Governor模塊用于模擬汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)輸出線電壓為13.8KV，并通過(guò)升壓變壓器接于110kV供電母線上，變壓器兩側(cè)各有一負(fù)載，額定功率分別為5MW和10MW。Three-Phase Fault模塊用于模擬三相對(duì)地短路，示波器可觀測(cè)發(fā)電機(jī)組各相輸出電壓波形的變化，當(dāng)0.1s發(fā)生三相對(duì)地短路而0.2s故障排除時(shí)A相電壓波形如圖6，圖5為系統(tǒng)正常工作時(shí)A相電壓波形。

3.2.2 單機(jī)帶負(fù)荷系統(tǒng)模擬

當(dāng)汽輪機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)其電壓、頻率、轉(zhuǎn)速會(huì)根據(jù)負(fù)荷的變化而不穩(wěn)定，電源品質(zhì)變差[9]。在大負(fù)荷變動(dòng)情況下，負(fù)荷對(duì)汽機(jī)沖擊很大，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成汽機(jī)調(diào)速器損壞，甚至沖垮汽機(jī)正常工作狀態(tài)。這就要求勵(lì)磁系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)荷變化而使得發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率迅速穩(wěn)定[10]。圖7、圖8分別給出了應(yīng)用所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器前后模擬單機(jī)帶負(fù)荷時(shí)三相對(duì)地短路的A相電壓波形。

4 仿真結(jié)果分析

從圖5及圖6可以看出在單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)中應(yīng)用了本研究所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器后，若發(fā)生三相對(duì)地短路（0.1s發(fā)生短路而0.2s故障排除）在故障排除后能很快恢復(fù)正常運(yùn)行。在圖7 及圖8中分別模擬的是單機(jī)帶負(fù)荷時(shí)未接入及接入PID勵(lì)磁調(diào)節(jié)器三相對(duì)地短路（0.1s發(fā)生短路而0.2s故障排除）時(shí)A相電壓波形圖，可以很清晰看出在未接入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器時(shí)系統(tǒng)在故障排除后電壓不能恢復(fù)正常運(yùn)行，始終低于設(shè)定值。而在接入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器后基本能達(dá)到單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的效果。通過(guò)上述分析可看出，本文實(shí)例介紹的135MW汽輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制器能達(dá)到設(shè)計(jì)目的，能有效提高同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)學(xué)生在后期進(jìn)行課程設(shè)計(jì)等具有一定指導(dǎo)意義。

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