同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的PID控制仿真

李昂

（陜西理工學(xué)院 電氣工程系，陜西 漢中 723003）

同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)唯一的有功功率電源，也是重要的無功功率電源，其控制性能的好壞將直接決定電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。因此，電力系統(tǒng)的仿真大多離不開對(duì)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行的建模及仿真研究。

同步發(fā)電機(jī)的控制主要是通過機(jī)械功率和勵(lì)磁電壓來實(shí)現(xiàn)的。其中，機(jī)械功率的調(diào)節(jié)由調(diào)速器的控制作用來實(shí)現(xiàn)，在研究電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程時(shí)，一般不需考慮調(diào)速器的調(diào)節(jié)作用，而認(rèn)為機(jī)械功率是恒定的。因此，對(duì)勵(lì)磁電壓的調(diào)節(jié)將直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。本文采用MATLAB6.5對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。

1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)控制原理及仿真模型

目的[2]。優(yōu)良的勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，還可有效提高發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

勵(lì)磁系統(tǒng)一般由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩部分構(gòu)成，發(fā)電機(jī)和它的勵(lì)磁系統(tǒng)所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)稱為勵(lì)磁控制系統(tǒng)，它是一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)，其控制原理如圖1所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由勵(lì)磁系統(tǒng)供給額定勵(lì)磁電壓/電流；當(dāng)發(fā)電機(jī)由于某種原因?qū)е缕錂C(jī)端電壓發(fā)生變化時(shí)，通過電壓檢測(cè)單元測(cè)量到的信號(hào)與給定的參考電壓相比較，得出的電壓偏差信號(hào)也發(fā)生相應(yīng)的變化，再經(jīng)過綜合放大單元的放大作用，形成控制信號(hào)，作用于勵(lì)磁單元，以改變其輸出電壓/電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電壓/電流的調(diào)節(jié)，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的目的。

1.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)及其控制原理

勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其主要任務(wù)是進(jìn)行電壓控制、合理分配無功，提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性[1]。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組兩端的勵(lì)磁電壓，從而影響發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)，達(dá)到穩(wěn)定端電壓的

圖1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of excitation control system

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律非常多，常用的有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4種控制方式。除PID勵(lì)磁控制是基于經(jīng)典控制理論實(shí)現(xiàn)外，其他3種勵(lì)磁控制方式都是基于現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間來實(shí)現(xiàn)的。

PID調(diào)節(jié)器有比例微分（PD）、比例積分（PI）和比例微積分（PID）三種類型。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；而在隨動(dòng)系統(tǒng)中快速性是主要要求，所以必須用PD或PID調(diào)節(jié)器。本設(shè)計(jì)采用按發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓偏差進(jìn)行的PID勵(lì)磁控制方式。

發(fā)電機(jī)的PID勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制的三階模型狀態(tài)方程可表示為：kV線路，無窮大系統(tǒng)由12 000 MVA電源和500 MVA負(fù)荷復(fù)合而成。

圖2 單機(jī)-無窮大系統(tǒng)Fig.2 Single machine-infinite bus system

式中，KP為比例系數(shù)、KIS為積分系數(shù)、KDS為微分系數(shù)。

由于單純按機(jī)端電壓偏差進(jìn)行的PID控制方式無法提供令人滿意的阻尼特性，尤其是用于控制大型機(jī)組時(shí)，其阻尼特性太差，很容易因阻尼不足會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩。因此在設(shè)計(jì)中引入輔助控制環(huán)節(jié)—電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），通過引入機(jī)組轉(zhuǎn)速或角頻率的反饋量（實(shí)際系統(tǒng)中是采用發(fā)電機(jī)機(jī)端有功功率作為反饋量），向勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)引入一種按某一振蕩頻率設(shè)計(jì)的新的附加控制信號(hào)。它能有效地增強(qiáng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的阻尼，抑制低頻振蕩的發(fā)生，從而改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能[3]。

1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)仿真模型

在研究勵(lì)磁系統(tǒng)仿真模型時(shí)，通常采用單機(jī)—無窮大系統(tǒng)來進(jìn)行，如圖2所示。該系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、變壓器、雙回輸電線路、廠用電負(fù)荷和無窮大系統(tǒng)組成。其中輸電線路為110

在MATLAB 6.5的SimPowerSystems庫中包含3種同步電機(jī)仿真模塊：1）基本標(biāo)么制同步電機(jī)；2）標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)么制同步電機(jī)；3）基本國際單位制同步電機(jī)。這3種模型的原理完全相同，區(qū)別在于模塊參數(shù)輸入方式不同。本設(shè)計(jì)采用模塊2）進(jìn)行仿真，該模塊包含12個(gè)電磁關(guān)系方程建立的d-q軸數(shù)學(xué)模型，輸入為機(jī)械功率Pm和勵(lì)磁電壓 Vf，輸出為 A，B，C，三相交流電和測(cè)量端m_pu[4]。

2 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的MATLAB建模與仿真

2.1 仿真模型搭建

對(duì)圖2所示的單機(jī)—無窮大系統(tǒng)所建立的仿真模型如圖3所示，這是一個(gè)完整的PID+PSS勵(lì)磁控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型。選擇Step（階躍）函數(shù)作為信號(hào)源，PID環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)、PSS環(huán)節(jié)為封裝子系統(tǒng)。在仿真過程中重點(diǎn)模擬了同步發(fā)電機(jī)在大擾動(dòng)下暫態(tài)過程的運(yùn)行特性。

同步發(fā)電機(jī)選擇Synchronous Machine，命名為1 110 MVA 24 kV；廠用電負(fù)荷選擇3-phase parallel RLC load，命名為500 MW，為電阻性負(fù)載；三相升壓變壓器選擇Threephase Transformer，命名為 1 200 MVA 24 kV/110 kV；輸電線路選擇3-Phase Series RLC Branch，電阻為0.1 Ω，電感為1e-2（即0.01 H）。 將 3-phase Source模塊 （名為 12 000 MVA 110 kV）與3-phase parallel RLC load模塊 （名為Load 500 MW）封裝成一個(gè)子系統(tǒng)，命名為無窮大系統(tǒng)。

圖3 勵(lì)磁系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of excitation system

為了模擬電網(wǎng)故障，附加了三相故障設(shè)置環(huán)節(jié)。在雙回線路的其中一條選擇3-Phase Breaker功能模塊，用于設(shè)置斷線故障；在升壓變壓器出線端選擇3-Phase Fault功能模塊，用于設(shè)置各種短路故障。

仿真參數(shù)設(shè)置 ：Start time 為 0，Stop time 為 30；Solver options為 Variable-step 和 ode23tb （stiff/TR-BDF2）；Relative tolerance為1e-3，其他參數(shù)為默認(rèn)參數(shù)。

2.2 仿真波形

搭建好圖3所示的仿真模型后，并將故障功能模塊參數(shù)設(shè)置后，便可對(duì)不同故障的暫態(tài)過程進(jìn)行模擬仿真。以升壓變壓器出線端三相短路為例，在15 s時(shí)發(fā)生短路故障，0.1 s后切除故障。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流Ifd、功角δ、輸出功率Pe的仿真波形如圖4所示，機(jī)端電壓Vt仿真波形如圖5所示。

2.3 仿真結(jié)果與分析

圖4 三相短路時(shí)Ifd、δ、Pe仿真波形Fig.4 Ifd、δ、Pesimulation waveform of three-phase short circuit

圖5 三相短路時(shí)機(jī)端電壓Vt仿真波形Fig.5 Vtsimulation waveform of three-phase short circuit

當(dāng)變壓器出線端15 s時(shí)發(fā)生三相短路故障，發(fā)電機(jī)機(jī)端產(chǎn)生沖擊電流，短路電流迅速上升，當(dāng)15.1 s故障消除，電流迅速下降，由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)的作用，產(chǎn)生一段幅值很小的阻尼振蕩，最終使電流穩(wěn)定。從仿真波形來看，功率角和輸出功率都在短路時(shí)迅速減小，故障消除后，由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生振蕩，并在PSS的作用下，迅速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。而機(jī)端電壓在啟動(dòng)后進(jìn)入臨界阻尼狀態(tài)，在1.0處平衡，當(dāng)故障發(fā)生后，機(jī)端電壓迅速下降，故障消除后，同樣由于勵(lì)磁調(diào)節(jié)與PSS的共同作用，迅速達(dá)到平衡，恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

由上可見電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）有明顯的提高阻尼的作用。無論小干擾還是大干擾，都可以使負(fù)阻尼（或弱阻尼）變?yōu)閺?qiáng)阻尼，且有很好的適應(yīng)性（魯棒性），可以滿足在各種運(yùn)行方式下穩(wěn)定運(yùn)行的需要。無PSS時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓完全按照機(jī)端電壓調(diào)節(jié)；有PSS時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁輔助控制信號(hào)PSS的輸出曲線和機(jī)端電壓共同參與了發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)。PSS的作用使得發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了附加電磁功率，該附加功率增強(qiáng)了系統(tǒng)的阻尼，使第一次功角振蕩回?cái)[的幅度明顯減小，明顯改善了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。但PSS能否針對(duì)系統(tǒng)低頻振蕩發(fā)揮良好的正阻尼作用，參數(shù)整定是關(guān)鍵[5]。

3 結(jié)論

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是一個(gè)典型的反饋控制系統(tǒng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律有很多。為了克服單純按發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓偏差進(jìn)行PID勵(lì)磁控制阻尼特性較差，易產(chǎn)生低頻振蕩的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)引入輔助控制環(huán)節(jié)——電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）增加正阻尼轉(zhuǎn)矩，模擬了發(fā)電機(jī)在短路、斷線等大擾動(dòng)下暫態(tài)過程的運(yùn)行特性，仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠有效地提高系統(tǒng)阻尼，改善發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的運(yùn)行與安全穩(wěn)定分析提供了理論參考。目前基于大功率電力電子全控器件（如：IGBT、IGCT、GTO等）整流的新型勵(lì)磁系統(tǒng)是研究的熱點(diǎn)，這種勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以通過直流勵(lì)磁為系統(tǒng)提供阻尼，還可以充分利用全控器件構(gòu)成的整流橋的交流側(cè)直接向同步發(fā)電機(jī)端送出和吸收無功的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其與同步發(fā)電機(jī)直流勵(lì)磁的協(xié)調(diào)控制，為同步發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)提供更快控制和更多阻尼[6-7]。

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