同步發(fā)電機智能勵磁控制系統(tǒng)研究

【摘要】隨著科學理論的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模和供電質(zhì)量要求越來越高。越來越多的控制理論算法被應用到勵磁控制中去，且取得了良好的效果，從而使水電技術有了巨大的提高，各種各樣的同步發(fā)電機微機控制器也隨之誕生，并逐漸取代了模擬勵磁控制器。但是大多水電廠的勵磁控制的功能都比較單一，功能擴展需要增加大量的外圍設備，多廠商設備之間存在著一個兼容性問題，給水機自動化的發(fā)展帶來了諸多不便。鑒于此，本文就同步發(fā)電機智能勵磁控制系統(tǒng)展開探討，以期為相關工作起到參考作用。

【關鍵詞】勵磁控制系統(tǒng)；遺傳算法；CMAC

1、勵磁控制系統(tǒng)介紹

同步發(fā)電機是將其他能源轉(zhuǎn)換為電能輸出，由發(fā)電機的機端電壓作為可控硅的供電電源，通過勵磁調(diào)節(jié)器的脈沖輸出來控制可控硅的導通，隨后，發(fā)電機機端電壓經(jīng)過整流后加在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子兩段，轉(zhuǎn)子有原動機拖動旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，發(fā)電機的定子切割磁場產(chǎn)生電能。觸發(fā)角越小，轉(zhuǎn)子電流越大，機端電壓也就越大，觸發(fā)角越大，轉(zhuǎn)子電流越小，機端電壓也就越小。如圖1所示：

2、勵磁系統(tǒng)的主要作用

勵磁系統(tǒng)的主要作用有：1）根據(jù)發(fā)電機負荷的變化相應的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機端電壓為給定值；2）控制并列運行各發(fā)電機間無功功率分配；3）提高發(fā)電機并列運行的靜態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定性；4）在發(fā)電機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，進行滅磁，以減小故障損失程度；5）根據(jù)運行要求對發(fā)電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

根據(jù)運行方面的要求，勵磁控制系統(tǒng)應該承擔如下的任務：

2.1、維持發(fā)電機端或系統(tǒng)指定控制點的電壓在給定水平上

滿足這一要求首先考慮的是保證電力系統(tǒng)運行設備的安全性，其次保證發(fā)電機運行的經(jīng)濟性。此外，維持發(fā)電機電壓與提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的要求也是一致的。

2.2、合理分配并聯(lián)運行發(fā)電機間的無功功率

電力系統(tǒng)中有許多臺發(fā)電機并聯(lián)運行。為了保證系統(tǒng)的電壓質(zhì)量和無功潮流合理分布，要求合理控制電力系統(tǒng)中并聯(lián)運行發(fā)電機輸出的無功功率。

2.3、提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性

當系統(tǒng)受到小的擾動后，發(fā)電機能繼續(xù)保持與系統(tǒng)同步運行的特性稱為電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是增大輸送距離和提高輸送功率，自動勵磁的調(diào)節(jié)裝置的出現(xiàn)，使許多技術問題得到了圓滿的解決。

3、遺傳算法優(yōu)化CMAC與PID的復合控制

PID的結構和控制效果的優(yōu)點都有目共睹。但是針對不同的機組，PID的控制參數(shù)則不盡相同。需要針對每個機組調(diào)試不同的控制參數(shù)。整個系統(tǒng)建模困難，通過仿真得出來的控制參數(shù)并不能用于現(xiàn)場調(diào)試。控制參數(shù)的不精確導致了PID控制效果的不理想。為了提高勵磁系統(tǒng)的控制效果，各種各樣的改進PID算法被不斷提出。例如：遇限削積分PID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法等等。但是這幾種算法也存在著些許不足，所以本文通過引進神經(jīng)網(wǎng)絡算法來優(yōu)化PID的控制參數(shù)，目前研究的比較多的神經(jīng)網(wǎng)絡算法BP神經(jīng)網(wǎng)絡、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊RBF網(wǎng)絡等等。

但這些算法要么太過復雜，要么需要大量的實驗數(shù)據(jù)，對于實時響應有要求的勵磁系統(tǒng)并不適用。所有的控制方法都不可能適用于所有的控制系統(tǒng)，遺傳算法也有相應的缺點，本文采用的是標準遺傳算法來對CMAC與PID并行控制的PID參數(shù)進行優(yōu)化，利用遺傳算法來為CMAC提供更精確的控制參數(shù)，在干擾不大的情況下CMAC足以使系統(tǒng)穩(wěn)定，當大干擾的情況下，由GA來擇出合理的參數(shù)提供給CMAC。一般情況在設計GA時需要注意以下幾個方面：（1）首先是種群的規(guī)模，在生物學中可知，近親交配會產(chǎn)生病態(tài)基因，所以種群的規(guī)模太小也會導致這種現(xiàn)象。即使采用大變異算子，生成具有強競爭力后代的可能性也很小，所以在設計中針對要優(yōu)化的參數(shù)個數(shù)，要適當?shù)倪x取種群的規(guī)模。（2）變異算子的選取對種群多樣性有一定的關系，太小，種群的多樣性體現(xiàn)不出來，太大，盡管種群的多樣性足夠，但優(yōu)良基因會被破壞，一般取值在0.0001到0.2之間]29[。（3）交配算子是產(chǎn)生新種群的重要手段，但也有一定的局限性，太大會破壞已有的優(yōu)秀基因，錯失優(yōu)良個體；太小則不能有效的更新種群，在后代種群中出現(xiàn)優(yōu)良基因的可能性就小。一般取在0.4到0.99之間。

4、勵磁控制系統(tǒng)的硬件設計

微機勵磁的控制核心隨著單片機的不斷發(fā)展也在不斷的進行優(yōu)化，從而使電網(wǎng)以更加穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟的狀態(tài)運行。本文以STM32F407處理器為核心來設計勵磁控制系統(tǒng)。外圍包括通訊電路、開關量輸入、開關量輸出、脈沖輸出、交流量采樣、直流量采樣、頻率測量電路。通過設計的液晶界面來實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控以及系統(tǒng)參數(shù)的設置。STM32F407運算速度快，DMA機制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移不需要CPU的參與，大大減少了軟件的運行時間，片上集成的豐富外設，使外圍電路變的更加簡單，在降低成本的同時也減少了其他外在因素的干擾。該裝置整體硬件設計如圖2所示。

結束語：

綜上所述，同步發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)的改造技術問題通常比較多，且涉及到的范圍較廣，影響較大，必須在實際的工作中根據(jù)電廠的設計特點，結合勵磁系統(tǒng)的設計要求和預期目的，選擇科學合理的改造工藝和技術，才能確保機組工作的穩(wěn)定性和電廠供電的可靠性。我國當前的發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)技術相對還不夠先進，改造技術也僅僅限于設備和裝置，結合實踐和不斷接受和學習更加先進的技術知識，對于提高我國電力系統(tǒng)工程運行的穩(wěn)定性和安全性有著十分重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1] 呂彥.電勵磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)關鍵技術研究[D].中國礦業(yè)大學，2017.

[2] 李凌云.中小型水輪發(fā)電機自并勵勵磁控制系統(tǒng)的設計與研究[D].蘭州理工大學，2017.

[3] 龔俊名.同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在線故障診斷研究[D].重慶理工大學，2017.

[4] 朱錢唯.微網(wǎng)逆變器的虛擬同步發(fā)電機控制研究[D].上海電力學院，2017.

[5] 顧永超.基于虛擬同步發(fā)電機的微電網(wǎng)控制策略研究[D].上海電機學院，2017.