電廠發電機勵磁系統的節能控制模型仿真分析

李瑞

摘要：發電機的結構復雜，性能多樣。但是，在同步發電機當中，有一種重要的系統，就是勵磁系統，勵磁系統在電廠發電機當中扮演了重要的角色，為將發電機應用于電力化行業中提供一定的基礎和保障。勵磁系統，是電廠發電機中的核心部件和重要部位。其中，勵磁系統的節能特性，就是當前電廠發電機的一項重要功能，對于電力的發展，具有不可估量的作用和影響。因此研究發電機勵磁系統的節能控制模型，具有重要意義。

關鍵詞：電廠發電機;勵磁系統;節能控制模型

一、勵磁系統概述

所謂的勵磁系統，就是提供勵磁電流的電源或是一些重要的輔助設備。一般的勵磁系統分為直流勵磁系統、交流勵磁系統等等。勵磁系統在發電機中的功能強大。首先，勵磁系統能夠為發電機提供勵磁電流，促進發電機正常工作的運行，其次，勵磁系統還能夠控制發電機的穩定性，為發電機的正常工作創造良好的條件。除了這些，勵磁系統還具有一定的功率輸出，這是電廠發電機工作的必要條件。

二、發電機勵磁系統的節能控制原理探究

分析發電機勵磁系統的工作原理，不難發現，其分為手動勵磁電機和自動勵磁電機，無論是哪一種電機，在其正常的工作活動當中，都需要將勵磁機與其他系統進行一定的整合，得到交流電源或是直流電源。再經過一系列的系統調節和控制，最終實現勵磁系統的工作。而針對于勵磁系統的節能控制原理，主要是在勵磁系統當中加上一些具有節能作用的結構和部件，或是通過當前發達的科學技術，在發電機勵磁系統當中進行功率和工作熱效應的調控，通過一些方法的采取，讓勵磁系統的節能控制得以凸顯，促進發電機工作當中的節能。對于勵磁系統的節能控制設計，目前在市場中的設計范圍還比較小，人們對于發電機勵磁系統的節能原理和節能功能，還沒有一個深刻的意識。在當前的人類社會發展進程中，節能已經成為時代發展的重要選擇，減少能源的消耗的無關浪費，已經成為社會各界的廣泛關注。尤其是在電廠這樣的電力領域，對于節能，有著更好的要求。設計出節能的發電機，讓打發電機的基本節能功能得以展現，這在一定程度上預示著電廠成本的節約、工作效率的提高和經濟效益的實現。實施發電機勵磁系統的節能控制，這不僅是時代的要求，也是電廠發展和不斷進步的呼喚。節能，是當下快節奏社會的要求，為了實現社會的可持續發展，進行勵磁系統的節能設計，具有重要的指導意義。實現勵磁系統的節能原理，需要付出大量的精力，需要相關人士的積極研究。

三、電廠發電機勵磁系統的節能控制模型仿真分析

3.1節能控制模型輸入輸出變量的確定

輸入輸出變量的確定是電廠發電機勵磁系統節能控制模型的基礎和關鍵。因為勵磁系統所消耗的能量基本上為電能，所以本節將電量作為勵磁系統的輸入變量值，用Os描述電磁系統設定電量值，用Oi描述電磁系統真實的測量值，求出的值和真實值之差用Ei進行描述，同時將其看作是模糊自適應控制器的一個輸入量，Ei=Os-Oi（i=1，2，3，…），其中，i表示所構建節能控制模型的第i次的采樣。通過不斷的采樣計算，把差值的變化量Eci看作是其中的一個輸出量Eci=Ei-Ei-1（i=1，2，3，…）。上述2個輸入量為模糊輸入量。將勵磁系統的電量控制量yi看作是節能控制模型的輸出變量。

3.2模糊控制規則的設計

模糊控制規則為人工寫入的，是模糊控制芯片

進行邏輯判斷的理論依據，節能控制模型依據輸入的偏差量和偏差變化量對輸出量狀態的改變進行判斷。詳細模糊控制規則如下。1）在偏差值為正大的情況下，如果偏差該變量亦為正，則此時相對額定值電量偏差是整數，同時有增長的趨勢，為了防止偏差增長，恢復額定值，則控制量的取值取負大。2）在偏差值為正中的情況下，如果偏差變化量是負值，則當前偏差有降低的趨勢，為了在控制超調量的同時滿足額定電量，控制量的值取負中或者負小。3）在偏差值為正小的情況下，如果這時偏差變化量是負值，那么此刻相對額定電量偏差是正數，同時有降低的趨勢，為了高效地達到額定值，控制量應取負小或者0。4）在偏差值為負大的情況下，如果此刻偏差變化量值為負值，為了避免偏差的出現，達到額定值，控制量值應取正大。

3.3勵磁系統節能控制過程模糊推理

模糊控制規則設計好后，接下來就需要依據模糊控制規則和輸入變量進行模糊推理獲取節能控制模型的模糊輸出量。本節通過極大極小值法實現勵磁系統節能控制過程的模糊推理。其基本思想如下：針對存在的多個前提規則，通過模糊邏輯“與”和“或”的算法，取各前提的最小值或最大值為該規則的值，稱作是該規則的力量。而前提的值為該命題的模糊邏輯值，即輸入變量隸屬于指定模糊子集的程度。針對存在多個結論的規則，所有結論的取值均為該規則的力量。該結論的值就是該結論的命題中輸出變量隸屬于指定模糊子集的程度。詳細實現過程如下。如果模糊規則為Ai且Bi，則電容C的關系可描述如下：

式中：μAi為模糊規則Ai的電流值;μBi為模糊規則Bi的電流值。相反，如果模糊規則是Ai或Bi，則模糊推理可描述成：

其中，

也就是：

依據上述分析，模糊隸屬函數可描述成：

式中：u為電壓;uA′為模糊推理后的模糊規則A′的電壓;uB′為模糊推理后的模糊規則B′的電壓;uAi為模糊規則Ai的電壓;uB′為模糊推理后的模糊規則B′的電壓。

為了驗證本文提出模型的有效性，進行相關的實驗分析。實驗將PID節能控制模型作為對比，通過matlab7.0仿真軟件構建實驗環境。電廠發電機勵磁系統節能控制是一個非線性、多變量耦合的復雜對象，因此，需構建一個模擬環境進行仿真實驗，試驗后的對比圖如下：

電廠發電機勵磁系統節能控制實驗環境為Pentium（R）4CPU，4.00UHz，500MB內存的PC機，將階躍響應的優劣作為評價節能控制模型好壞的標準，躍階響應曲線越平穩，控制效果越穩定。躍階響應是指在單位階躍信號u（t）的激勵下產生的零狀態響應，本文將電機勵磁系統節能控制的躍階響應閾值設定為0.95。在進行2種模型仿真結果比較實驗時，采用本文模型對仿真勵磁系統進行節能控制產生的超調量更小，和預期值更加吻合，整個控制過程的平穩性更高，而且本文模型所需的過渡時間更短，節能控制的性能明顯優于PID節能控制模型。本文模型的控制誤差曲線更加平穩，而且控制誤差更低，本文模型充分體現出優良的節能控制性能。

四、總結

在現當代發達的電力產業當中，發電機充當了必不可少的角色。對于發電機的勵磁系統節能控制，應該引起社會人士的廣泛關注，積極進行仿真，尋找理論依據，最終實現其節能優勢和作用。

參考文獻：

[1]李志祥.三峽電廠發電機與勵磁系統的仿真分析與研究[J].重慶大學，2004.

[2]李兆偉，周旭，劉煜辰.自備電廠發電機勵磁系統穩定性分析及控制研究[J].電力系統保護與控制，2014.

[3]王愛劍，馬紹岳，陳新琪.北侖電廠3號發電機勵磁系統仿真計算[J].浙江電力，2001.