交流跟蹤最優控制技術在移動電站中的應用

安巧靜，朱長青，谷志鋒，王川川

(軍械工程學院電氣工程系，河北石家莊 050003)

交流跟蹤最優控制技術在移動電站中的應用

安巧靜，朱長青，谷志鋒，王川川

(軍械工程學院電氣工程系，河北石家莊 050003)

為解決目前移動電站所用控制技術使電站存在輸出電壓穩定度差、負載變化時調節時間長的問題，提出了電站的交流跟蹤最優控制技術模型，從理論分析和建模仿真兩方面研究了該技術應用的可行性及優越性，并與傳統勵磁控制技術對電站輸出電能質量的影響進行了比較。仿真結果表明：交流跟蹤最優控制技術可以在電站控制中獲得應用，相較于傳統勵磁控制技術，前者能夠明顯提高輸出電壓穩定度，改善輸出電能質量。

移動電站；交流跟蹤技術；交流跟蹤基準電壓；同步比較；最優勵磁控制

移動電站作為信息化武器裝備的電力來源，其電氣性能指標，尤其是輸出電壓的穩定度及電機過渡過程的調節時間，對設備的運行具有重要影響。由于移動電站所帶負載變化具有隨時性，而電站容量有限，導致移動電站的暫態調整過程時有發生。移動電站一般采用簡單的恒勵磁方式，即在電壓突變時，采用強行勵磁，結果通常會產生較大的超調和電壓脈沖；而勵磁控制系統通常采用直流采樣的方式，導致采樣延時、控制滯后；傳統電站控制采用單反饋量方式，通過分析電站系統的線性化模型，得出系統振蕩的判別條件，尤其是在系統重負荷高放大倍數快速勵磁時，會振蕩失穩[1]。以上缺點導致電站供電質量不高，并對設備的安全和性能產生影響。

關于電站負載突變時電壓跌落的原因、電壓變化率的工程計算方法、電壓跌落的影響因素在不同的文獻[2-3]中都有詳細介紹，采用先進控制算法提高電站電氣性能指標的方法，也有大量文獻[4-5]介紹，但都未從根本上克服采樣延時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，針對移動電站發電系統的暫態分析來具體介紹基于交流跟蹤技術的最優勵磁控制策略研究，并通過仿真實驗驗證其可行性和優越性，為接下來的硬件實驗提供了理論基礎。

1 交流基準電壓的實現

圖1 某型同步發電機電樞繞組實物圖及電機結構示意圖

交流跟蹤最優勵磁控制的實現可分為以下幾個關鍵技術：交流基準電壓和同步比較技術的實現是根據某型同步發電機的結構特點，結合原理分析得到的；對同步發電機暫態過程分析電機負載變化的過渡過程的時間常數[6-7]，得到電壓的變化規律，明確了交流跟蹤的具體意義，重負荷高放大倍數的快速勵磁對系統振蕩頻率的影響很大，為此本文采用最優勵磁的控制方式[8-9]，來抑制系統的振蕩。

移動電站同步發電機電樞繞組的實物圖及同步發電機示意圖，如圖1所示。

交流跟蹤技術的提出是根據同步發電機的結構及工作原理得到的，電樞繞組嵌于同步發電機齒槽中，對于兩極磁極，每旋轉一周，得到兩個周期的電壓，如圖1所示，所以可以得出輸出電壓的頻率是和轉子的轉速成正比的。以每過一個齒槽為例，通過得到轉子的位置，經校正角度，得到相對應角度基準電壓與相應的端電壓進行比較，就可實現實時同步比較，可得到勵磁電壓的控制規律，經一定的控制算法，實現同步電機的勵磁控制。轉速傳感器如圖2所示。

圖2 轉速傳感器示意圖

通過記錄相鄰兩個齒通過轉速傳感器的時間，可以得到同步發電機的實時轉速ω。電站起勵發電后，通過采集發電機端電壓與轉速傳感器的高頻轉速信號，可以確定飛輪齒圈與定子繞組之間的位置關系。利用轉子上的測速齒輪，其每轉一周產生與其齒數對應的脈沖信號，假設發電機齒數為180，極對數為1，則由測速齒輪可得到180個脈沖信號，對每個過一個齒產生的脈沖信號做標記，我們標記為1～180。與此同時，定子側電壓經過整形得到脈沖，并與轉子脈沖進行比較，以發電機空載和負載的情況為例，如圖3所示。

圖3 空載和負載條件下加載后的功角變化

如果在數字處理器ROM中開辟一段空間，并構成標準正弦波列表，并根據功角量的提取數值動態提取ROM中的標準正弦波列表數據，從而形成一個標準的正弦波形。而形成的標準正弦波將是一個與外部輸出電壓同頻同相的動態波基準，利用發電機端電壓與此標準電壓比較，并采用一定的控制算法進行勵磁控制，將明顯縮小傳統勵磁控制由于采集電路延時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交流基準電壓的復位讀取，而讀數脈沖是每經過相同角度的讀取相應端電壓和離散基準電壓的值。交流基準電壓信號的提取是由脈沖觸發一個電壓有效值恒定的正弦波形，得到的一組離散的數。SIMULINK仿真實現如圖4(a)所示。

圖4 交流基準電壓的產生及同步比較

2 交流基準電壓同步比較技術的實現

在仿真中，過零脈沖和角度脈沖實現，以某移動電站為例，端電壓經過零脈沖得到過零脈沖波形，過零脈沖和讀數脈沖的作用經SIMULINK仿真實現如圖4(b)所示：圖中θ(theta)角代表轉子角，δ(delta)角為功角，θ角經δ角校正，連接一個脈沖發生器，生成一組等角度脈沖，作為讀數脈沖，端電壓過零脈沖通過觸發脈沖模塊對基準電壓的讀取復位。在這里，有一個判斷，當過零脈沖的幅值大于等于0，即為1時，Triggered Subsystem模塊工作；而當過零脈沖的幅值小于0，即為－1時，Triggered Subsystem1模塊工作。區分這兩個模塊的原因是生成基準電壓為半個周期，和端電壓進行同比較時，需區分計算。

3 移動電站系統暫態分析

3.1突加負載時間常數的分析

為推導突加負載的電流的幅值表達式，因考慮發電機的次暫態過程衰減很快，所以可以忽略不計。忽略定子電流的非周期分量及二次諧波分量后，空載時突加滿載的電流表達式為：

考慮功角變化，負載變化后的圖形比較如圖5所示。由圖可知，在突加負載時端電壓的幅值會減小，同時，為實現交流跟蹤技術，時刻比較實際值和基準值，需通過功角變化對轉子角進行校正[10]。

3.2 對系統振蕩影響的分析

對移動電站電力系統進行線性化得到數學模型，推導過

圖5 理想情況下突加負載后端電壓變化曲線

4 交流跟蹤最優勵磁控制系統的分析設計

得到仿真結果如圖6所示。

結果分析：仿真是在1 s時突減負載，在2 s時恢復負載。由結果可以看出，對于3個參量的比較本文提出方法的仿真在抑制參量振蕩和調節時間方面具有更好的效果，其反應速度快，穩定時間短。

圖6 最優控制和傳統控制仿真結果比較

5 結論

交流跟蹤技術的提出是從目前移動電站的傳統控制方式的弊端入手研究的，旨在為移動電站開發一種能夠實現快速、精密調壓控制的自動調節裝置。用于在突變負載條件下，保證移動電站輸出電壓穩定，大幅提高移動電站的整機技術性能指標。首先通過理論分析，證明了這種勵磁控制方法的可行性，其次針對具體的移動電站供電系統，進行了仿真和驗證，并與傳統勵磁控制效果進行了比較。基于交流跟蹤技術的移動電站最優勵磁控制的提出為解決電站控制滯后、調節時間常數長的問題提供了條件，對于提高移動電站穩態和瞬態電氣性能指標具有重要意義。

[1]倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態電力系統的理論和分析[M].北京：清華大學出版社，2002：5-75.

[2]高景德，張麟征.電機瞬態過程的理論分析及分析方法[M].北京：科學出版社，1983:395-408.

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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

軍械工程學院基金項目(YJJ10031)

安巧靜(1987—)，女，河北省人，碩士生，主要研究方向為電站勵磁技術。