励磁控制器（精选十篇）
励磁控制器 篇1
电力系统具有不确定、强非线性和多重目标控制的要求等特点, 同步发电机励磁控制可有效改善电力系统稳定性[1]。励磁控制的主要任务就是进行电压控制、合理分配无功功率, 以提高同步发电机并列运行的稳定性。
常规经典的PID控制具有结构简单、参数整定方便等优点, 被广泛应用在同步发电机励磁控制系统的分析中。通常的做法是先进控制技术+PID[2,3]或PID+PSS (Power System Stabilization, 电力系统稳定器) [4]。这些方法除保留PID调节外, 还充分利用了先进控制技术或PSS具有的抑制低频振荡、增加系统正阻尼能力的优点。近年来, 迭代学习控制 (Iterative Learning Control, ILC) 理论获得了较大发展[5,6], 它不依赖被控系统的精确数学模型, 可充分利用前几次的信息构成当前的控制输入信号, 因此, 把ILC应用到励磁控制的设计受到了广泛关注。但这些研究大多是基于开环[7,8]ILC, 其本质上是一种前馈控制, 当存在噪声或非重复的干扰时, 可能会降低系统的稳定性和鲁棒性, 甚至阻碍期望轨迹的完全跟踪。本文在开环ILC的基础上引入闭环反馈控制, 构成开闭环PID型ILC, 并与PSS合理结合用于发电机的励磁控制系统中, 在降低干扰对系统影响的同时, 还改善了系统的电压稳定性和功角稳定性。
1 数学模型
在如图1所示的发电机单机无穷大系统中, 发电机以最精细的6阶模型表示[9], 假设输入机械功率恒定, 系统的数学模型可用式 (1) —式 (6) 表示。
式中:δ, ω, E′q, E″q, E′d和E″d为状态变量, 分别表示发电机功角、转子角速度、横轴暂态电势、横轴次暂态电势、纵轴暂态电势和纵轴次暂态电势;ω0为发电机稳态角速度;Pm为发电机的机械功率;Pe为发电机电磁有功功率;H为机械惯性常数;D为阻尼系数;Us为无穷大母线电压;Uf为发电机励磁电压;Ut为发电机机端电压, xd, x′d和x″d分别为发电机纵轴同步电抗、暂态电抗和次暂态电抗;xq, x′q和x″q分别为发电机横轴同步电抗、暂态电抗和次暂态电抗;xT和xL分别为变压器和输电线路总电抗;T′d, T″d, T′d0和T″d0分别为发电机纵轴定子短路时暂态、次暂态、定子开路时暂态和次暂态时间常数;T′q0和T″q0分别为发电机横轴定子开路时暂态和次暂态时间常数;
式 (1) —式 (6) 可改写为仿射非线性系统的形式:
2 开闭环PID型ILC与PSS结合的励磁控制设计
2.1 开闭环PID型ILC+PSS励磁控制系统
开闭环PID型ILC+PSS励磁控制系统规律如式 (8) 所示, 系统结构如图2所示, 其中dω为发电机转子角速度偏差, uω (t) 为PSS提供的阻尼分量, U0为发电机机端电压参考值。
式中:Po (t) 和Pc (t) , Io (t) 和Ic (t) , Do (t) 和Dc (t) 分别为开闭环比例、积分、微分项的学习增益矩阵且有界;uk (t) 和ek (t) 为第k次t时刻的控制量和跟踪误差, ek (t) =yd (t) -yk (t) , yd (t) 为期望轨迹上的输出, yk (t) 为第k次迭代的输出。
2.2 迭代学习算法收敛性分析
迭代学习算法的收敛性是保证ILC能够运行的基本前提, 主要研究当学习律与被控系统满足什么条件时ILC过程是稳定或收敛的。即在什么条件下, 满足
对于式 (7) 所示的非线性时变系统, 函数f (t, x (t) ) , B (t, x (t) ) 在t∈[0, T]时间段内分段连续, g (t, x (t) ) 对于x (t) 、t均具有偏导数。假设系统满足如下条件:
(1) 期望轨迹yd (t) 在t∈[0, T]上是可达到的, 即仅存在唯一的有界输入ud (t) , 使得系统的状态和输出为期望值xd (t) 和yd (t) 。
(2) 函数f (t, x (t) ) , B (t, x (t) ) , gx (t, x (t) ) , gt (t, x (t) ) (下标x, t表示g (t, x (t) ) 对x, t的偏导数) 在时间域[0, T]上满足一致全局Lipschitz条件, 即存在常数kf, kB, 使得‖h (x1 (t) , t) -h (x2 (t) , t) ‖≤kh‖x1 (t) -x1 (t) ‖成立, 其中h∈[f, g, B, gx, gt]。
(3) 第k次迭代的系统初始状态误差满足为初始状态误差上界。
(4) 存在矩阵Dc (t) ∈Rm×m, 使‖I+Dc (t) ×gx (t, x (t) ) B (t, x (t) ) ‖≠0, , 且gx (t, x (t) ) B (t, x (t) ) 满秩。
(5) 函数gx (t, x (t) ) 和B (t, x (t) ) 有界, 分别用和bB表示它们的上界, 即
为简化证明过程, 采用下列记号:
定理:对于式 (7) 所示的系统, 如果存在及一个足够大的正常数λ, 使得成立, 则当k→∞时, yd (t) -yk (t) λ、‖ud (t) -uk (t) ‖λ、xd (t) -xk (t) λ的值有界, 其值与初始状态误差δx (0) 的值有关, 且当δx (0) 趋于零时, 通过反复迭代, 跟踪误差界渐近收敛到零。
3 仿真研究
利用Simulink搭建开闭环PID型ILC+PSS励磁控制系统仿真模型 (图3) , 并与采用开环ILC的励磁控制器进行比较。仿真过程中输入机械功率保持恒定, Pm0=0.81, 运行工作点为Ut0=1.03, Uf0=1, Us=1, δ0=41.5°, ω0=314.16rad/s, 励磁电压限幅为。以上未标单位的数值均为标幺值。仿真中预设在t=1s时, 变压器高压侧k点发生三相接地短路故障, 0.15s后, 保护动作并切除故障线路。系统有关的状态量机端电压Ut、角速度ω、功角δ的响应曲线如图4—图6所示 (图4和图5的纵坐标均为标幺值) 。
从图4—图6可看出, 采用开闭环PID型ILC+PSS的励磁控制器不但具有较高的电压调节精度, 而且显著改善了系统的功角稳定性, 性能明显优于开环ILC。采用开环ILC的励磁控制器在经过6次迭代后机端电压、角速度均达到了新的平衡状态, 但机端电压未能完全跟踪上期望轨迹, 且功角的振荡幅度并未平息。而采用开闭环ILC+PSS的励磁控制器, 只需迭代3次, 机端电压、角速度和功角就能达到规定范围内, 使同步发电机具有良好的暂态性能。
4 结语
介绍了一种开闭环PID型迭代学习控制与PSS结合的同步发电机励磁控制器设计方案, 将上一次的输入和输出误差及当前的输出误差构成当前的控制输入, 加快了学习收敛速度, 增强了学习控制的鲁棒性, 保证了系统的稳定性;同时与PSS结合可快速达到机端电压的调节精度, 改善了系统功角的稳定性。
参考文献
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励磁控制器 篇2
一种发电机励磁的模糊PID控制器的设计
本文建立了单机无穷大系统的小信号数学模型,将PID和线性多变量控制器的优点结合起来,利用模糊控制器进行协调控制,以增强系统的抗干扰性,增加系统的鲁棒稳定性.仿真结果表明所设计的.控制器具有良好的控制效果.
作 者：包宗贤 作者单位：四川建筑职业技术学院,四川・德阳,618000刊 名：科协论坛(下半月)英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY ASSOCIATION FORUM年，卷(期)：“”(10)分类号：Q153关键词：发电机励磁 模糊控制 线性多变量控制 协调控制
励磁控制器 篇3
关键词：励磁控制；粒子群算法；线性最优控制
中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 16-0005-02
一、引言
近年来，现代控制理论在电力系统中获得了广泛的应用，上世纪七十年代提出了利用线性最优控制理论设计线性最优励磁控制器[1]，与传统励磁控制器相比，对系统的振荡，它能提供较理想的阻尼效果，保证系统的小干扰稳定性；理论上讲，它能有效抑制大范围内的频率振荡。
线性最优励磁控制器设计中不同的Q阵得到不同的反馈阵K，将得到不同的系统响应。因此，线性最优控制的一个重要问题就是如何选择好权矩阵Q，使设计的闭环控制系统拥有期望的动态性能指标或者是期望的闭环极点。
当考虑到系统的时域和频域响应随着权矩阵的选择不同而变化时，可以认为线性最优控制器的设计是以权矩阵为变量的多目标优化问题。这种优化问题，考虑到各种条件限制时，是非常复杂的，而且大多数情况下，设计的目标往往相互冲突，应用传统的设计方法很难解决。
针对以上的问题，在参阅了大量中外文献的基础上，本文将粒子群算法引入到权矩阵的优化中，解决了传统算法设计复杂，过于依赖经验值的缺陷。从算例结果上看，经优化后的线性最优励磁控制器可以很好的适应单机无穷大（SMIB）系统运行状况的变化，无论是在机械功率发生变化还是线路发生故障，控制效果明显要优于常规线性最优励磁控制器。
二、粒子群算法的基本原理
粒子群（PSO）算法模拟生物种群特性行为用以解决优化问题。在PSO中，每个优化问题的潜在解都是搜索空间中的一只鸟，称之为“粒子”。所有的粒子都有一个由被优化的函数决定的适应值（Fitness Value），每个粒子还有一个速度决定他们飞翔的方向和距离。然后粒子们就追随当前的最优粒子在解空间中搜索。PSO初始化为一群随机粒子（随机解），然后通过迭代找到最优解。
假设在一个维的目标搜索空间中，有个粒子组成一个群落，其中第个粒子表示为一个维的向量，，它就是第个粒子在维搜索空间中的位置，即每个粒子的位置就是一个潜在的解。将代入一个目标函数就可以计算出它的适应值，根据适应值的大小衡量其优劣。第个粒子的“飞翔”速度也是一个矢量，记为。记录第个粒子迄今为止搜索到的最优位置为，在整个种群中，至少有一个粒子是最好的，其编号设为，，则就是种群搜索到的最好位置。
六、结语
将本文经过参数优化后的最优控制规律用于发电机励磁上可以有效地防止因机械功率变化而引起的电压、功角偏差，并具有很好的动态性能，这表明，它改善了系统抑制振荡的能力。在电力系统发生故障时，改进后的最优励磁控制提供了较好的人工阻尼，可以保证电压在出现较大偏差的情况下，在很短的时间内恢复到原来的水平。
参考文献：
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[作者简介]王光明，男，籍贯：黑龙江省大庆市，职称：工程师，研究方向：电力系统自动化。
同步发电机励磁控制系统 篇4
基本数据:额定容量200MW;转速3000rpm;额定电压15.75KV;功率因数cosΦ:0.85;额定电流8625A;功率98.32%;定子接线:YY。励磁数据:同步电抗Xd:190.3%;负序电抗X2:17.35%;瞬变电抗Xd:22.2%;零序电抗Xo:7.85%;超瞬变电抗Xd:14.23%;定子电阻 (75℃) (Ω/相) (R25℃=1.24R15℃) 0.0019;定子线圈开路时励磁线圈时间常数 (S) :7.4;转子电阻 (75℃) 0.208;空载励磁电流624.7A;满载励磁电流1605A;满载励磁电压384V。
2 励磁系统简介
励磁系统是同步发电机重要组成部分, 直接影响发电机运行性能。励磁系统的技术关键词:励磁系统简介、自并励励磁系统、整流部分、灭磁方式、保护配置性能及运行的可靠性, 对供电质量、继电保护可靠动作、加速异步电动机自启动和发电机与电力系统的安全稳定运行都有重大影响。励磁系统一般由励磁功率单元、励磁调节器组成, 是由电源装置 (如励磁机、励磁变压器) 、自动调节装置、手动调节装置、自动灭磁装置、励磁绕组过电压保护装置、诸上述装置的控制、信号、测量仪表等组成。为了保证发电机在正常工作时不会由于励磁系统故障而引起不必要的停机, 还可以根据需要装设备用励磁系统。励磁调节任务:电压控制及无功分配;提高同步发电机并列运行稳定性。
同步发电机励磁方案论证:随着大功率晶闸管的出现, 发电机系统采用了不用励磁机, 而由机端励磁变压器供给电源的自并励励磁系统。自并励方式的优点:设备和接线比较简单;由于无转动部分, 具有较高的可靠性;造价低;励磁变压器防止自由缩短机组长度或警告度;励磁调节速度快。我国已在一些机组上以及引进的一些大型机组上, 采用自并励方式。基于以上的分析和比较, 本设计采用自并励励磁系统。
3 自并励励磁系统主回路设计
自并励磁主回路是指从机端 (母线) 上取电压, 经整流供给发电机转子励磁部分, 包括励磁变压器、整流装置及起励、灭磁部分。
3.1 励磁方式
本设计采用自并励磁方式, 如图所示原理说明:自并励磁控制由主回路 (励磁功率单元) 和控制回路 (励磁调节器) 组成。其主回路包括用整流硅二极管和可控硅管组成的整流回路、整流变压器、配置的各种保护元件起励装置、灭磁装置等。交流电源取自机端, 经整流回路供给发电机一可控励磁。控制回路由测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元及调差单元组成。控制回路是根据机端电压变化输出可调脉冲作用于可控硅控制极, 来调节主回路输出直流励磁电压的大小。当发电机端电压变低 (高) 时, 使脉冲时间提前 (延后) , 可控硅导通角变小 (大) , 直流平均励磁电压升高 (降低) , 使得发电机电压上升 (下降) , 保持端电压为定值。利用调差单元所形成的调差特性能够合理分配无功功率。励磁调节规律:Ug↑→ΔU↑→Uk↓→a↑→Ud↓→UG↓。
整流变压器的选择:整流变压器是主回路的重要组成部分, 为发电机提供励磁电源。整流变压器参数选择必须考虑以下三个因素:保证发电机空载时所需的全部励磁电流;保证负载情况下增强调节;保证一定的过载能力。选用变压器容量Se=2000KVA, 变比为24, UK=5.5%的变压器。满足强励要求 (计算略) 。
3.2 整流部分
本设计采用三相桥式全控整流电路, 六个桥臂元件全都采用可控硅, 可控硅元件都要靠触发换流, 并且一般要求触发脉冲宽度大于60°, 但小于120°, 一般取80°到100°, 即所谓“宽脉冲触发”。这样才能保证整流电路刚投入之际, 共阴、共阳极组各有一元件同时处于被触发状态, 并构成通路。另外也可“双脉冲触发”方式, 即本元件被触发同时, 还送一触发脉冲给前一元件, 使共阴、阳极总有一元件被触发, 构成通路。全控桥整流电路的工作特点是即可工作于整流状态, 将交流转变成直流, 也可工作在逆变状态, 直流转变成交流。
硅元件的选择:选额定正向电流Iт (AV) =2000A, 额定反向峰值电压UDRM=4000V的硅管 (计算略) 。采用三组整流柜并联。本设计中采用风冷却硅元件方式。
起励方式:励磁变压器接在机端的情况下, 有他励起励和残压起励两种方法。
蓄电池起励为他励起励;本设计采用厂用电起励。
起励电源容量计算:起励电源功率为15.408kw, 起励电源电压为96v。 (计算略)
3.3 灭磁方式
同步发电机发生内部故障时, 在继电保护动作切除主回路继电器的同时, 还要求迅速完全地灭磁。所谓灭磁就是把转子励磁绕组磁场降至尽可能小的程度。逆变灭磁:采用三相全控桥整流装置时, 可利用其逆变过程进行灭磁, 即在逆变时由可控硅桥把励磁绕组中的能量经直流侧发送到交流侧, 使之灭磁。但实际上三相全控桥逆变结束时, 励磁绕组中的能量没有完全释放出来, 因此采取并联固定电阻等措施, 使剩余能量向电阻放电直到转子励磁绕组电流衰减到零, 逆变灭磁方式简单、经济, 在我国已在一些中型水轮发电机和一些较小容量机组上采用。
灭磁原理:正常运行时灭弧棚主触头1和灭磁触头2均闭合;故障灭磁时主触头1断开, 在极短时间内触头2断开, 由于电弧作用, 引入灭弧棚灭磁, 为了防止在灭磁过程中产生过电压, 与灭弧棚并联了不同阻值的电阻。
3.4 励磁系统保护配置
为了保证整流装置中硅元件安全长期运行必须在装置中适当采取保护措施
过电压保护方式:目前对半导体励磁装置采用过电压保护, 对保护器件总的要求和评价:过电压吸收暂态能量的能力要大, 限制过电压的能力要强 (限压比或残压比要小) , 正常时对运行的影响小, 功率低, 简单可靠, 维护量小, 寿命较长。
本设计采用的过电压保护方案:抑制关断过电压:在可控硅上并联RC阻容保护;抑制操作过电压:在交流侧接线方式的压敏电阻保护;抑制浪涌过电压:交流侧接线方式的硒堆保护;防止静止过电压:接线方式并接地电容C;转子过电压保护:在转子侧调差电阻作为过电压保护;在整流框A.B.C三相接入均流电抗器, 起到均流作用。
本设计采用的过电流保护方案:在励磁装置中常用的过载及短路保护主要是快速熔断器、快速过电流继电器。在本设计中为限制过电流, 需在可控硅处串连快速熔断器, 标称容量3140A。 (计算略)
至此, 励磁系统主回路设计已完成。通过建立励磁系统数学模型, 对励磁系统进行动态性能分析表明:该设计合理, 具有界限简单、造价低、调速快、可靠性高等优点。 (因篇幅所限, 励磁控制回路设计及动态性能分析略。)
责任编辑:王宇
摘要：同步发电机励磁控制系统的设计是一门综合性科学, 是在多种专业知识有机配合、密切协作下完成的一个统一整体。是关于QF-SS-200-2型同步发电机励磁控制系统常规设计。本次设计我们采用自并励磁方式, 是最简单的一种励磁方式。针对此次设计我查阅了大量原始资料并进行仔细分析, 从而对同步发电机励磁系统方案进行论证, 然后对新型励磁系统主回路计算, 包括励磁变压器计算、整流元件计算、灭磁方式选择, 绘出励磁系统主回路原理图。
励磁监督管理标准 篇5
1总则：
1.1为加强我公司励磁系统的安全稳定运行，根据原电力部颁发的《电力工业技术监督工作规例》等有关规定，并结合我公司励磁设备实际情况，特制订本标准。
1.2励磁监督工作应从受监设备的设计、制造、安装、运行、检修、技术改造、定期检验以及使用寿命等方面实行全过程的技术监督和技术管理工作。
1.3 本实施细则适用于中国水电顾问集团正安开发有限公司沙阡水电站水电站励磁设备技术监督和管理工作。凡在我站进行励磁设备生产调试等工作，应遵守本标准。
2励磁监督机构与职责分工：
2.1设立技术监督专责，在公司技术监督领导小组的领导下，负责本站励磁设备技术监督的日常技术监督和管理工作。
2.2 技术监督领导小组职责：
2.2.1 组织宣传贯彻国家和上级有关部门颁发的励磁设备技术监督规程、标准和规定，审批本站励磁设备技术监督的规章制度和检修试验报告、报表等有关技术资料。
2.2.2掌握全站励磁设备技术监督工作状况，督促检查全站励磁 1
设备技术监督工作计划的实施情况。
2.2.3 组织励磁设备技术监督专责参加有关新建、扩建、改建工程的设计审查、施工监督和设备技改工程的励磁设备技术监督检查，新设备投运验收以及重大设备事故分析等。
2.2.4 审查励磁设备技术监督工作中有关重大反事故技术措施、技术改造项目、新技术推广项目和重大设备投运试验方案。
2.2.5 及时了解、听取励磁设备技术监督工作汇报，确定励磁设备技术监督工作重点，表彰在励磁设备技术监督工作中取得显著成绩的集体和个人。
2.3 生产管理部职责：
2.3.1 认真贯彻执行国家和上级有关部门颁发的励磁设备技术监督规程、标准和规定，并结合本站实际情况，组织制定励磁设备规章制度和技术监督标准，经站技术监督领导小组审批后，认真组织执行。
2.3.2 组织励磁设备技术监督有关人员建立、健全本站励磁设备技术监督规章制度和技术档案，及时了解、掌握本站主要励磁设备的运行、测试手段和励磁设备技术监督管理等状况，并组织有关人员进行系统的分析、研究，对存在问题及时提出改进意见。
2.3.3 负责对励磁专业技术监督工作管理的指导，并协助生产现
2场研究解决存在的关键技术问题。
2.3.4 负责审核励磁、调速器及自动化专业重要测试设备和标准仪器、仪表的配置计划，并负责有关人员考核取证的组织工作。
2.3.5 负责监督检查励磁专业设备试验、周检工作计划的执行情况，并要求专责人认真做好分析、研究，及时发现设备隐患，处理设备缺陷，不断提高设备健康水平。
2.3.6 积极组织开展技术革新和推广应用新技术，加强技术培训和技术交流，加强对励磁专业人员的培养，保障专责人与专业队伍素质的稳定和提高。
2.3.7 负责组织编制励磁设备技术监督工作中有关重大的反事故技术措施、技术改造项目、新技术推广项目和重大试验方案。
2.3.8 负责组织召开技术监督工作小组会议，总结工作，交流经验，讨论励磁专业技术监督工作重点，并对励磁专业技术监督工作进行检查与考核。
2.4 励磁技术监督专责的职责：
2.4.1具体负责励磁专业技术监督有关规章制度及标准的贯彻落实与督促实施。
2.4.2根据公司和上级有关规定，负责制订励磁专业技术监督工作计划、实施细则等制度，经审批后组织、监督实施。
32.4.3负责审核励磁设备试验项目、试验报告，协调组织、督促设备试验过程中发现的缺陷处理。
2.4.4参加本站励磁专业工程的设计审查、施工监督、竣工验收以及设备的试验、鉴定工作。
2.4.5参与有关励磁设备事故调查分析，总结经验教训，制订反事故措施，经审批后组织、督促实施。
2.4.6建立、健全本厂励磁设备技术档案，按规定及时填报励磁专业技术监督统计报表、工作总结，并按规定要求及时上报。
2.4.7负责组织开展本站励磁设备技术监督活动。对励磁设备技术监督工作情况及检验中发现的问题，及时按规定上报上级有关部门。励磁技术监督主要设备范围：
全站所有励磁系统设备。
4励磁技术监督主要工作任务：
4.1做好励磁技术监督范围内各种主要设备在设计、制造、安装、运行、检修和技术改造中的技术监督管理和测试、鉴定工作。
4.2加强励磁设备的日常检查维护和定期检修、试验工作，并对设备检修、试验数据等情况进行分析、研究，总结经验，掌握励磁设备运行情况，发现问题及时采取措施，防止事故的发生。
44.3参加受监励磁设备事故的调查和原因分析，总结经验，制定事故防范措施，经审批后组织、督促实施。
4.4建立、健全励磁设备技术监督档案；根据公司和上级有关规定，及时制订、修订励磁技术监督标准等制度，经审批后组织、督促实施。
4.5 负责组织有关人员按时完成励磁技术监督工作计划，定期开展励磁设备技术监督活动。
4.6 加强仪器仪表备品、备件管理，保证仪器仪表和备品、备件正常，随时可用。
4.7 参加受监励磁设备更新改造项目的编制、审查，加强对带缺陷运行或超期运行励磁设备的安全性评估和技术监督管理工作。5励磁监督技术资料管理：
5.1励磁设备技术监督应具备以下管理制度，并严格执行。
5.1.1励磁技术监督实施细则和有关规章制度；
5.1.2励磁设备备品备件管理制度；
5.2建立受监励磁设备技术档案包括以下方面。
5.2.1 建立受监励磁设备技术监督档案（缺陷处理、故障情况记录及事故调查等）；
5.2.2 建立受监励磁设备运行情况技术档案（畅通率、准确率、5累计运行时间等）；
5.2.3 建立受监励磁设备检验周期表及检修、试验记录等技术资料档案。
5.3励磁技术监督专责人应于每年12月20日前完成编制下一技术监督工作计划，次年1月15日前完成编制上技术监督工作总结，并将计划、总结报项目审核，经审核后报上级技术监督主管部门。编制计划、总结应包括以下几个方面内容：
5.3.1受监励磁设备检修和技术改造情况；
5.3.2受监设备检查试验、消缺处理情况；
5.3.3 励磁设备技术监督管理、工作计划及监督网活动完成情况；
5.3.4 受监励磁设备事故分析、处理情况；
5.3.5 技术培训、学习、考证以及新技术的应用情况；
励磁控制器 篇6
关键词：它励励磁系统；自并励励磁系统；灭磁；功率；控制系统
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）20-0111-02
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统的特性对电力系统及同步发电机的运行性能有着十分重要的影响，励磁系统一般由两部分构成，第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电源，以建立励磁磁场；第二部分是励磁控制部分，这一部分包括励磁调节器，强行励磁，强行减磁和灭磁等。它根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机运行的要求。在电力系统中，励磁系统能够维持发电机的机端电压，控制无功功率的分配，提高同步发电机并列运行的稳定性。
1 励磁功率单元比较分析
1.1 它励励磁功率分析
三机同轴它励的励磁功率单元包括TFY-80-400永磁副励磁机，JL-1434-4交流主励磁机，HWTA-30可控硅调节整流柜和GIF-3 000/1 500静止硅整流柜。永励磁机的转子经汽轮机的联轴带动，永励磁机得以向可控硅整流柜提供400 Hz的三相交流电，可控硅整流柜对该电源进行轧波整流，得到的大小可控的直流电源输入到主励磁机的转子，主励磁机的转子同样由汽轮机的联轴带转，主励磁机得以向静止硅整流柜提供100 Hz的三相交流电源，经过静止硅柜整流后的直流电源就是送到发电机转子的励磁电源，其电源回路如图1所示。在永励磁机到主励磁机之间除了正常使用的可控硅调节柜轧波整流外，还有一个备用的整流及调节回路，永励磁机的输出首先由手动调节的自耦变压器调整大小，经过调整以后的交流电再由不可控的硅整流装置整流后向主励磁机转子输出直流电源。
1.2 自并励励磁功率分析
自并励磁系统的励磁功率单元则要简单得多，它主要包括一个容量为3 200 kVA的励磁变压器和一套静止可控硅整流柜，另外在静止可控硅整流柜后的直流电部分还有一个外接的启动励磁装置回路，其功率回路如图2所示。励磁变压器从发电机出口取下2万V的电压，经过励磁变压器的变压得到额定电压为775 V的低电压输入到静止可控硅整流柜，从可控硅柜轧波整流出来的大小可控的直流电源就是发电机的励磁电源。外接的启动励磁回路是由于在初始状态发电机无法向励磁变压器提供电能而需要另外接入的一个直流电源，在发电机出口有一定电压后启动励磁回路会被切除，励磁电能交由发电机出口提供，所以启动励磁电源也叫做磁场点火电源，在本自并励启动励磁回路是采用厂用220 V交流电经过整流而获得启动励磁的电源，在定子出线电压达到发电机空载额定电压的10%时，微机控制自动切除该启动励磁电源。
2 励磁控制单元比较分析
2.1 它励励磁系统控制分析
#1～#4机组以往使用的是美国西屋公司技术生产的HWTA集成电路自动电压调节器，它包括“AC”调节回路（根据机端电压自动调节励磁电流）和“DC”调节回路（人为的手动直接调整励磁电流），其控制回路如图3所示。
HWTA调节器包括有电压偏差检测器，电流调节器，无功电流补偿器，各种的限制器，信号混合器，DC调节器和跟随器。发电机正常运行时使用的是“AC”调节回路，作为被调量的机端电压信号经过无功电流补偿器修正后送至电压误差检测器与给定的电压值比较，得到的误差信号再与各种限制器的输出一起送入信号混合器，信号混合器把所有的信号进行综合与运算，变换成一个综合性的输出信号去控制功率放大环节的移相触发回路，完成“AC”调节回路的机端电压自动调整。在“AC”调节回路故障或者发电机零起升压的时候，“DC”调节回路便投入使用，回路中的DC调节器将设定的输入值与当前的转子励磁电流信号比较，得到的误差值加上极少的限制器输出{电流瞬时限制器}，经过放大后直接控制触发回路的脉冲相位角。而跟随器在调节器里的作用时实现“AC”回路到“DC”回路的无扰动切换，跟随器根据“AC”调节回路的输出不断改变相对应的“DC”调节回路中励磁电流的设定值，使得当“AC”方式切换到“DC”方式时，“DC”回路仍然能够保持切换前得励磁电流，避免励磁电流得突变引起机组电压得震荡。
在“DC”调节回路里，发电机机端电压不作为反馈得调节量，而主要是以转子励磁电流得设定值来控制，此时，就需要值班员对机端电压进行监视，随时调整一个匹配得励磁电流。随着近年微机技术的日新月异，励磁的集成电路控制已经逐步淘汰，取而代之的是励磁的微机控制，妈湾发电厂的#1～#4机组的励磁控制也已经由原先的集成电路控制改造为微机控制，但是AC回路和DC回路的工作逻辑没有原则性的改动，只是改造后的微机控制在“AC”调节回路并联了一个一模一样的调节回路，这个并联的通道实现了“AC”回路控制的双通道全冗余逻辑，大大提高了“AC”调节回路运行的安全性。
2.2 自并励励磁系统控制分析
在新近投产的#5、#6机组里，励磁的控制部分就直接使用了基于微处理数字系统的UNITROL 5000控制系统。
这种微机励磁控制系统包括MUB（UNS2881测量单元板）、COB（UNS2880控制板）、CIN（UNS0880可控硅界面卡）、GDI（UNS088脉冲驱动界面卡）、PSI（UNS0882电力信号界面卡）、EGC（UNS2882扩展控制板）。
发电机的励磁控制系统所需要的电压，电流信号经过变换后统统接入到MUB测量模块上，MUB测量模块把得到的模拟信号转换为数字信号，储存在一个双端口的储存器中，向COB控制模块提供所需要的信号，COB控制模块实现调节和控制的功能，有功无功补偿，各种限制器输出都在COB控制模块进行运算和综合，最终的得出的信号作为可控硅的调节触发信号，COB控制模块同时具备FCR控制方式（励磁电流调节）自动跟踪AVR控制方式（机端电压调节）以及运行通道自动跟踪备用通道的功能。CIN可控硅界面卡和GDI脉冲驱动界面卡对可控硅监控保护和触发导通，它们由COB的输出得到触发导通信号来控制可控硅的工作。
以上是UNITROL5000正常的励磁控制工作流程，其控制回路如图4所示。
当正常运行的控制中心COB模块失效以后，作为COB模块的紧急备用，EGC模块能够代替COB控制，具备有COB模块中最重要的监控和保护。
同时，在UNITROL 5000控制系统里的MUB测量单元板，COB控制板，EGC扩展控制板都有两个一模一样的模块同时工作互为备用，这就形成了主控制回路的一个双通道全冗余结构，这种双通道全冗余结构的工作逻辑是当工作通道发生任何故障以后，优先切换到备用的通道工作，在工作通道没有备用通道的时候，控制中心根据模块的故障类型，或者作COB模块切换EGC模块，或者作AVR方式切换FCR方式。
3 灭磁方式
在励磁系统的灭磁方式上，公司的两套励磁系统也有截然的不同。
在三机同轴它励系统里，发电机依靠额定电流为4 300 A的直流灭磁开关对转子回路灭磁，灭磁开关在灭弧栅里消耗转子线圈储存的能量达到切断转子电流的目的。
在自并励磁系统里，发电机依靠额定电流为3 200 A的交流灭磁开关和可控硅的逆变导通一起对转子回路灭磁，可控硅的逆变导通是指通过控制可控硅的触发角度的大小而改变转子直流电压的极性达到迅速降低发电机的端口出线电压和转子的励磁电流，可控硅逆变配合上交流灭磁开关，发电机的灭磁更为迅速和可靠，同时大大减轻了对灭磁开关的损耗。
而且，由于采用了自并励磁代替三机同轴它励，发电机的大轴长度因此而缩短，大轴的振动也得到相应改善。
4 结 语
通过以上对比可以得知：#5、#6机组使用的自并励励磁系统要优胜于#1～#4机组的它励励磁系统。HWTA调节器控制下的三机同轴它励和UNITROL5000微机控制的自并励磁是不同时期的励磁产品，而#5、#6机组采用的这套自并励磁系统则代表了现今30～60万机组广为使用的励磁系统。
参考文献：
励磁控制器 篇7
关键词：次同步谐振,附加励磁阻尼控制器,改进粒子群优化算法,参数优化
0 引言
串联补偿技术是一种提高稳定极限的经济、有效的手段,但会导致机网耦合而引发次同步谐振(SSR)问题。在众多预防和抑制SSR的措施中,通过同步发电机励磁系统实现的附加阻尼控制,已经被公认为是一种最为经济和简便的方法。文献[1]最早提出利用附加励磁阻尼控制器(SEDC)抑制SSR问题;文献[2]对美国Navajo电厂SEDC工程实例进行了报道;文献[3,4]介绍了SEDC抑制多模态SSR的机理及其关键技术;文献[5]研究了SEDC对常规励磁功能的影响。目前应用于SEDC的设计方法主要有非线性补偿[6]、人工神经网络[7]等,但这些次同步阻尼控制器都是在某种特定的运行条件下设计的,控制器的鲁棒性较差。文献[8]采用遗传—模拟退火法设计SEDC,鲁棒性好,优化对象为SEDC参数,并以模态特征值实部作为目标进行大范围搜索迭代更新,但当控制器参数较多时容易相互影响,降低优化效率。
在各种优化算法中,具有学习机制的粒子群优化(PSO)算法搜索速度快,更善于处理多维、多目标问题。PSO算法通过记忆与反馈机制实现高效的寻优搜索,其基本思想是模拟飞鸟的捕食过程,每个粒子在解空间中移动,粒子根据自身最优点及全局最优点来更新自己的速度和位置。PSO算法中的每个粒子既向自己的经验学习,又向同伴学习,正是这种学习机制使其不同于其他主要以随机搜索为特征的现代启发式算法,具有较高的优化效率[9,10]。
本文提出了一种SEDC模型,在分离模态控制的同时,使各模态回路中的移相补偿环节和比例放大环节能够相互独立、互不影响。同时,采用并行处理能力强、具有学习机制的PSO算法对控制器参数进行多目标函数并行优化,既提高了优化效率和速度,又保证SEDC次同步阻尼控制的鲁棒性,使其能够在系统多变的运行方式下为SSR提供有效的正阻尼。
1 PSO算法
PSO算法开始时随机生成粒子的初始位置Xj=(xj1,xj2,…,xjm),j=1,2,…,n,同时每个粒子都随机分配一个初始速度Vj=(vj1,vj2,…,vjm),其中n为群中粒子数,m为粒子维数。在计算过程中,粒子受3个因素影响在寻优空间中移动:粒子的当前速度Vj、粒子本身曾到过的最优点Pj,以及种群(全局)的最优点Pg。粒子每次迭代时跟踪当前2个极值Pj和Pg改变速度来更新自己。从t代进化到t+1代时,粒子j根据下列规则更新自己的速度和位置:
式中:j=1,2,…,n;n为粒子个数;d=1,2,…,m;m为粒子维数;w为惯性权重,w较大时粒子自由搜索能力强,较小时粒子可以在最优点附近有限搜索,故可将w初始值设为1.0,随迭代次数的增加逐渐减小;c1为认知权重,c2为社会学习权重,c1和c2通常取2;r1和r2为(0,1)间随机数;vjd,xjd,pjd分别为粒子j的第d维速度、第d维坐标、经历过的最优第d维坐标;pgd为全局最优粒子的第d维坐标。
粒子每一维的速度vjd都受上下限[vmin,vmax]所约束,若越限则分别设为上限或下限。式(1)等号右边的第1部分可以理解为粒子先前的速度或惯性,第2部分可以理解为粒子的“认知”行为,表示粒子本身的思考能力,第3部分可以理解为粒子的“社会”行为,表示粒子之间的信息共享与相互合作。正是这种基于认知行为和社会行为的学习机制,使得PSO算法能够实现高效的寻优搜索。
2 SEDC模型
实用SEDC控制方法一般以线性控制规律为基础,控制策略采用分离模态线性动态反馈,各模态控制回路独立设计,采用超前—滞后综合校正方法以实现多模态SSR的阻尼控制,便于工程实现和参数整定。其基本原理为: 选择或构造合适的反馈信号,通过“模态滤波”获取各扭振模态的振荡分量,作为各模态控制回路的反馈信号,分别经过移相补偿和比例放大,再合并形成总的SEDC控制输出,经限幅后叠加到整流桥臂阀体的触发指令上,控制整流桥在励磁绕组上产生次同步频率电压和电流,使得在电磁转矩中包含次同步频率的阻尼转矩分量,通过这个转矩对SSR起到抑制作用。
经过研究分析,采用图1所示的SEDC模型框图,具体包含以下主要模块:①模态滤波(采用巴特沃思带通滤波器);②移相补偿;③比例放大。
图1所示SEDC模型的显著特点是:①各个模态控制回路相互独立;②移相补偿环节在全频段的增益均为1。因此,这种控制器模型的优点为:各个模态的阻尼控制可以相互分离,并且移相补偿和比例放大2个环节可以分别独立设计而互不影响。例如模态控制回路i,若对应模态i需要补偿的相位为θi,则只需对移相补偿环节进行设置,可根据以下关系式来设计时间常数Ti:
式中:ωi为受控模态的自然频率。
SEDC的比例放大倍数Gi的设计步骤为:
1)根据各SSR模态恶劣情况设置Gi初值,一般先设定为最大值Gimax;
2)对SEDC的补偿相位(0°～360°)、放大倍数(0～Gimax)进行寻优,使抑制SSR效果最佳,本文中,优化算法为改进的PSO算法;
3)根据优化后各模态特征值实部的情况调整Gi大小,返回步骤2直至各SSR模态均稳定。
由于求取特征值的小扰动线性化模型不考虑限幅,因此实际各模态Gi的大小要根据时域仿真中限幅的情况相应调整,详细流程见图2。
3 SEDC参数的PSO设计
电力系统的数学模型都可用非线性微分方程组表示,若对这些数学模型进行线性化处理,得到的机组线性化状态空间方程可以表示为:
式中:X为状态变量;U为输入变量;A和B为与参数T和C有关的系数矩阵;T=为SEDC参数;C=为系统的运行条件。
3.1 目标函数
针对SEDC分离模态设计的特点,以及PSO算法并行性好、处理多目标能力强的优势,本文构造的并行PSO算法如图3所示。
每个模态控制回路参数独立设计、同时进行,即对每个粒子构造m个并行的子PSO并配以相应的适应度函数Fi:
式中:λi为模态i的特征值,包括共模特征值和异模特征值;max{Re(λi)}表示闭环控制器系统(在某一固定控制参数T下)在某种可能运行工况下λi实部的最大值;αi为模态i的加权系数,其值大小与运行条件的恶劣情况或概率大小有关,若某种工况运行概率较高或者该运行条件下模态频率SSR较为恶劣,则αi取较大值,以确保对该运行条件着重考虑;R1为所有可能的运行条件的集合;Fi表示对所有可能运行条件下的λi实部最大值进行加权求和;m为搜索空间维数,对于4质量块轴系模型,m=3。
控制器设计的关键在于寻找最佳的控制器参数T*以保证控制器在所有可能的运行条件C下都能获得较好的控制效果,也就是必须解决极大极小值的求解问题,因此SEDC的设计转化为如下的优化问题:
式中:R2为所有可能的控制参数的集合;
3.2 变异机制的引入
PSO算法以学习机制为基础,体现了社会群体在学习基础上的高速发展、进化过程,因此搜索速度很快,但由于缺乏有效的变异或者说独立思考的机制,算法容易陷入局部最优,出现所谓的早熟收敛现象。实验证明,PSO算法无论是早熟收敛还是全局收敛, 粒子群中的粒子都会出现“聚集”现象。为防止粒子“迅速集中”,提高PSO算法的全局搜索能力,同时克服PSO算法收敛精度不高的缺点,本文借鉴文献[11]的思想在寻优过程中对每代种群引入变异机制,并在寻优过程后期将随机变异修正为变尺度高斯变异,变异空间随迭代次数的增加而逐渐减小。
对于每代种群中的变异操作,本文采用增加随机扰动的方法,设xtjd 为t代种群中粒子j的d维位置取值,则变异后的新位置为:
式中:λ为收缩因子,决定了xtjd 的变异空间,由公式λ=1-((t-1)/t)φ得到;t为粒子群进化代数;φ控制了收缩速度;R为扰动因子,由公式R=vmin+ηt(vmax-vmin)得到,其中vmin=-vmax为速度约束,ηt为(0,1)上生成的随机数。
当寻优过程进入后期,ηt由(0,1)上的随机分布变为期望μ为0.5、方差σ2为1的高斯分布N(0.5,1),同时收缩因子λ随迭代次数增加越来越小,则算法在最优值附近精细搜索,提高寻优精度。
3.3 SEDC参数设计流程
对于SEDC的参数优化问题,本文提出了一种改进的PSO算法,其优化步骤如下:
1)设置初始参数,包括种群粒子数n、惯性权重w、参数变化范围等。
2)生成初始粒子群:以各模态控制回路补偿相位和放大倍数为搜索目标,在搜索空间[0°,360°]和[0,Gimax]上随机生成初始粒子位置X0j=(x0j1,x0j2,…,x0j2m),其中前m维为补偿相位信息,后m维为放大倍数信息。在[vmin,vmax]上随机生成初始粒子的速度V0j=(v0j1,v0j2,…,v0j2m),j=1,2,…,n;对于4质量块轴系模型,搜索空间维数m=3。
3)验证粒子位置和速度的上下限约束:对于粒子速度,若大于上限则取其为上限,若小于下限则取其为下限;对于粒子位置Xtj中对应补偿相位的信息,根据相位的周期特性,若xtjx>360°,则xtjx=xtjx-360°,若xtjx <0,则xtjx=xtjx+360°;对于粒子位置Xtj 中对应比例放大倍数的信息,若xtjx>Gjmax,则xtjx=Gjmax,若xtjx <0,则xtjx=0。
4)将粒子位置Xtj上各个模态的相位补偿信息代入式(4),得到控制器相应的时间常数Ttj=[Ttj1,Ttj2,…,Ttjm],计算各粒子对应控制器下的系统SSR模态特征值,根据式(6)计算粒子的m个并行的适应度值。
5)各粒子适应度Fj与自身曾得到的最优适应度Pj比较,如在d维上Fjd比Pjd小(最小化),则用当前值替换Pjd,并用当前粒子d维和d+m维位置更新自身最优粒子位置Xjbest。
6)各粒子适应度Fj与全局最优适应度Pg进行比较,如在d维上Fjd比Pgd小(最小化),用此值替换Pgd,并用此粒子d维和d+m维位置更新全局最优粒子位置Xgbest。
7)用式(1)、式(2)更新各粒子速度和位置。
8)进行变异操作,对种群中随机搜索到的部分粒子增加随机扰动。
9)返回步骤3,直到满足收敛判断条件。收敛条件包括:①到达最大迭代数;②全局最优粒子重复不变寻优次数达到最大允许极限。
4 算例
为验证PSO算法对SEDC进行优化设计方法的有效性,本文以实际系统为算例,并分别采用特征值分析法和非线性时域仿真对基于本文所提出的改进PSO算法设计的SEDC的性能进行评价。
4.1 研究系统
研究系统考虑为华北电网上都电厂二期串补送出系统[3],其接线图如图4所示。上都电厂至承德500 kV变电站双回500 kV紧凑型线路,承德变电站到姜家营双回500 kV常规线路;在上都至承德双回500 kV紧凑型线路承德变电所侧加装串补(共2套串补装置),串补度考虑45%。
设电厂4台机组参数一致,轴系采用集中4质量块模型,即高压缸转子、低压缸转子A、低压缸转子B和发电机转子。分析表明,轴系与电气系统存在耦合的3个次同步扭振模态的频率分别约为15.13 Hz(模态1)、26.01 Hz(模态2)和30.52 Hz(模态3),其中模态2的阻尼最弱。
4.2 SEDC参数设计
基于本次SEDC参数的PSO设计是建立在对上都系统一系列运行工况的特征值分析基础上,表1给出了考虑的14种典型工况,涵盖了机组投切、出力从空载到满载、上承线单双线运行等情况。虽然表1不能包含所有可能的工况,但是足以对SEDC的设计和应用产生影响。对于SEDC移相补偿进行PSO优化,本例参数设置如下:粒子数n=30,最大迭代次数tmax=50,学习因子c1=c2=2,速度上下限vmax=-vmin=30。
由于惯性权重w对于PSO算法的收敛作用很大,为了使算法在开始优化时搜索较大的解空间,在后期在最优解附近进行精细搜索,迭代开始时设w=wmax,在迭代过程中逐步减小直到w=wmin,令
式中:t为当前迭代次数。
迭代过程中粒子群3个模态的最优适应度值和平均适应度值的变化曲线如图5所示。
由图5可见,3个模态的全局最优粒子的适应度值不断下降,说明粒子群通过每代的搜索和学习逐步找出最优解;在迭代过程中出现了一些局部极小点如点p,但算法很快跳出了该点继续搜索。另外,粒子群的平均适应度曲线振荡递减,表明变异机制的引入使得粒子为扩大搜索空间防止局部收敛,在其领域内寻优存在一定的随机性,虽然会导致某些粒子的退化,但是很快通过向自身经验和周围粒子学习改变运动方向,继续向最优解靠拢。
SEDC参数优化结果如表2所示。其中比例放大倍数均为各模态控制回路上限Gimax,可见在约束范围内若补偿相位恰当,则模态增益越大,阻尼效果越好。但同时也要注意到,线性化模型并未考虑限幅,较大的比例放大倍数使SEDC输出在大扰动故障下容易达到限幅,导致励磁系统出现类似“Bang-Bang”控制状态,其实际有效增益大大减小,此时特征值分析得到的阻尼结果将不再适用,需要结合时域仿真进一步权衡比例放大倍数大小。另外需要说明的是,补偿相位若大于180°则可将其减去180°,同时比例放大倍数符号取反,使得补偿相位在(0°,180°)之内。
表3给出了不同运行方式下的SSR模态特征值实部。通过对投入SEDC前后特征值实部的对比可以发现,基于本文改进PSO算法优化参数的SEDC可使系统机电暂态模型的特征值尽可能地移向复平面左半面,提高了系统的模态阻尼和稳定性,同时验证了基于本文方法进行参数优化的SEDC的鲁棒性和有效性。
4.3 时域仿真
采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件,对典型方式下的故障过程进行仿真计算,据此评估本文PSO算法设计的SEDC的有效性。
仿真算例考虑了表3中列出的14种工况。故障类型为发电机机端升压变高压侧发生A相金属性接地故障,短路电阻0.1 Ω,故障开始时刻为6 s,持续时间0.1 s。
图6和图7分别给出了系统正常运行条件下(工况7),不投SEDC和投入SEDC时1号机组的发电机转速偏差和4个质量块之间所传递力矩的响应曲线。通过比较可以发现,投入SEDC后模态振荡能够迅速收敛,对SSR有较好的阻尼效果。
在对SSR较为恶劣的运行条件(如工况8)的仿真中发现,各质量块之间的轴系扭矩都振荡发散,在投入SEDC后提供的模态阻尼可以使模态振荡发散趋势变缓,但由于限幅使SEDC阻尼作用有限,需配合其他措施共同抑制SSR。
5 结语
本文针对SEDC控制模型分离模态控制和分离参数设计的特点,采用并行性好、处理多目标能力强的PSO算法进行高效的参数优化。同时引入变异机制,提高算法全局搜索能力,使其能够快速找到最佳控制参数。并以实际系统为算例,通过特征值分析和时域仿真进行评估,验证了基于本文改进的PSO算法设计的SEDC能够使特征值最大限度地移向复平面左半面,并能对多模态SSR提供积极、有效的阻尼作用。
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励磁控制器 篇8
电力系统运行的稳定性是电力系统安全运行的基本要求。随着电力系统规模的扩大, 远距离重负荷线路的出现, 以及大型发电机采用快速励磁系统, 整个电力系统的阻尼不断减弱。当电力系统发生故障或受到扰动时, 容易出现低频振荡, 严重影响电网的安全稳定运行。在提高电力系统稳定性并改善其动态品质方面, 发电机励磁控制已成为极其重要的措施[1,2,3,4,5]。通过对发电机励磁施加适当的控制, 可以有效地改善电力系统在大、小扰动下的稳定性[6]。
线性最优励磁控制是采用现代控制理论中线性二次型理论设计的一种新型励磁控制规律。与经典励磁控制规律相比, 它具有动态响应好、稳定范围宽等优点[7]。传统的线性最优励磁控制规律仅以有功功率、机端电压、角速度这三个量作为反馈, 但是与系统稳定和品质密切相关的重要参量却不止这三个。发电机的无功功率在满足发电机稳定运行极限要求和保证整个系统的安全稳定运行方面发挥着极为重要的作用[8]。发电机功角是表征发电机运行状态和电力系统稳定性的重要参量, 功角的控制效果对系统的稳定性和品质有着直接的关系[9,10,11,12]。因此, 同时将这两个量与有功功率、机端电压、角速度等一起引入励磁控制规律对系统的安全稳定运行与控制有着重要的意义。
本文基于派克模型来推导单机无穷大系统的线性化状态空间方程, 在此基础上, 根据线性最优控制理论, 设计一种同时以有功功率、无功功率、机端电压、角速度和功角这五个量作为反馈的线性最优励磁控制规律, 以改善系统的调节精度和动态性能。同时, 为了进一步提高机端电压的调节精度, 将积分控制引入到励磁控制规律中。
1 单机无穷大系统的线性化状态空间方程
同步发电机的派克模型基于电路参数, 以电压、磁链为状态变量。在该模型中, 电压方程为
磁链方程为
转子运动方程为
发电机电磁有功功率、无功功率的表达式为
式 (1) ~式 (4) 为发电机的基本方程, 对于单机无穷大系统还有如下辅助方程。
式中:u为无穷大母线电压;x1为变压器和输电线路总等效电抗。
将发电机的磁链方程 (2) 代入电压方程 (1) 消去磁链可得
将式 (6) 表示为状态空间方程为
故式 (7) 为推导出的基于派克模型的单机无穷大系统的线性化状态空间表达式。
将单机无穷大系统在工作点附近进行线性化处理, 式 (5) 线性化方程为
发电机的机端电压是系统安全稳定运行的一个重要参量, 其线性化方程为[13]
由式 (8) 、式 (9) 可得
发电机有功功率、无功功率的线性化方程为
假如发电机采用的是可控硅励磁系统, 其时间常数近似为零, 则对式 (3) 、式 (7) 所表示的状态空间方程在其工作点附近线性化, 并联立式 (8) 、式 (11) 可得到以Δid、Δiq、Δif、Δω、Δδ为状态变量的单机无穷大系统的线性化状态空间表达式为
式 (12) 中, Δid、Δiq、Δif、Δω、Δδ为状态变量, 以励磁绕组电压uf为控制量。然而工程中对机端电压、有功功率、无功功率的控制效果更为关心, 且以uf为控制量难以控制, 实际中多以励磁电势Ef为控制变量。
由式 (10) 、式 (11) 可得如下转化关系为
式中:
至此我们可以推导出以X为状态变量, 以Ef为控制量的单机无穷大系统的线性化状态空间方程为
2 基于线性最优控制和积分控制的励磁控制器设计
2.1 线性最优励磁控制规律设计
前文推导出了基于PARK模型的单机无穷大系统的线性化状态空间表达式, 下面将在此基础上设计线性最优励磁控制规律。对于式 (14) 所示的线性化状态空间方程, 其最优励磁控制规律实质上是寻求式 (16) 所示的反馈增益矩阵K, 使如下二次型目标函数最优。
其中, Q、R为对应的状态量和控制量的权矩阵, Q为正定或半正定矩阵, R为正定矩阵。利用极值定理可以证明这个最优控制规律是唯一存在的。
最优反馈增益矩阵为
式中, P是Riccati方程AXT P+PAX-PBX R-1BXT P+Q=0的解。
由此可以得到线性最优控制量:
式 (17) 所示的线性最优励磁控制规律与传统的线性最优规律相比, 增加了功角、无功功率这两个反馈量, 为有功功率、角速度、机端电压、功角、无功功率等状态量增量的线性组合。
2.2 机端电压调节引入积分环节
以上得出的线性最优励磁控制规律均为比例式调节规律, 根据控制理论可知, 比例式调节规律属于有差调节, 存在稳态调节误差。由于在工程实际中对机端电压要求有很高的电压调节精度, 采用纯比例式调节规律, 难以满足机端电压的稳态调节性能。为了既保留线性最优励磁控制规律中比例调节响应控制作用快, 动态性能好的优点, 又消除机端电压的稳态误差, 提高调节精度, 基于稳态调整与动态调节区分开来的思想, 本文在机端电压调节中引入积分环节, 与式 (17) 所示的线性最优励磁控制规律相结合, 机端电压调节方式变为比例—积分调节。其传递函数为
在引入积分环节后, 最优反馈矩阵变成如下形式
式 (17) 所示的最优控制向量变为
式 (20) 即为本文所设计的基于线性最优控制和积分控制的励磁控制规律。式 (17) 所示的线性最优励磁控制规律在动态过程中起主要作用, 对动态品质有着直接的影响。式 (20) 中加入积分环节, 在ku选定后, 足够大的积分时间常数T可以大为减弱比例—积分控制对系统稳定性带来的不利影响, 以满足系统的稳定性要求。在过渡过程中, 积分环节可以看做是大惯性环节, 在动态过程中基本不起作用, 但可以使稳态的发电机端电压保持恒定, 从而消除机端电压的稳态调节误差, 提高机端电压的调节精度。
3 算例仿真
为了验证第2节中所设计励磁控制规律的控制效果, 本节将通过具体算例来进行设计和仿真。
3.1 仿真模型建立
为了保证所研究问题具有普遍性, 仍采用单机无穷大系统, 图1为单机无穷大系统结构和参数图。具体参数如下。
发电机参数:同步发电机参数采用文献[14]中所辨识出的参数;
变压器参数:xT=0.1;
线路参数:xL1=xL2=0.8;
励磁系统参数:Kα=200, Tα=0.03, ;
系统负荷参数:P=0.85, Q=0.060 54;
初始稳态参数:P0=0.8, ut=1.0, uf=1.369 83。
3.2 算例仿真与分析
本节将分别从静态稳定极限的提高, 静态小扰动下的控制效果, 暂态大扰动下的控制效果, 与传统线性最优控制器对比等几个方面来验证本文所设计的励磁控制器的正确性、合理性。为了方便起见, 古典励磁控制 (Classical Excitation Control, CEC) , 后文中的传统线性最优励磁控制 (Traditional Linear Optimal Excitation Control, TLOEC) 均采用简称, 且本文所设计的励磁控制器简称为FLOEC。
3.2.1 不同励磁控制方式的静态稳定极限
不同励磁控制方式下, 系统静态稳定极限如表1所示, 功率与功角的关系曲线如图2所示。
从表1和图2可以看到, 采用本文所设计的最优励磁控制器在本文所采用的系统参数下, 功率极限达到了1.32, 与古典励磁控制、传统线性最优励磁控制、PSS相比分别提高了25.7%, 10%, 3.9%。功角极限达到了120°, 和PSS一样, 与古典励磁控制、传统线性最优励磁控制相比分别提高了20°、8°。
3.2.2 不同励磁控制方式的静态小扰动仿真
设定在0.5 s时刻发电机的机械功率由0.8增加5%并维持不变。在不同励磁控制方式下, 系统的相关变量的响应曲线如图3~图6所示。
由图3、图5、图6可以看出, 本文所设计的最优励磁控制器与其他励磁控制方式相比, 系统受到扰动后, 超调量最小, 调节时间最短, 能够在最快的时间内到达稳定状态, 这表明本文所设计的最优励磁控制器能够提供更多的人工阻尼, 有效地平息振荡, 具有良好的镇定功能, 提高系统在小干扰下的稳定性。
由图4可以看出, 在将积分规律引入励磁控制规律后, 与传统线性最优励磁控制规律相比可以有效地消除机端电压的稳态误差, 提高了机端电压的稳态调节精度。
由图6可以看出, 采用本文所设计的最优励磁控制器, 功角的超调量小, 调节时间短, 其控制性能与PSS非常接近, 但抑制振荡的能力略强于PSS。与古典励磁控制方式和传统线性最优励磁控制方式相比, 动态性能更好, 稳态误差更低。
3.2.3 不同励磁控制方式的暂态大扰动仿真
设定在0.5 s时刻, 发电机出线变压器高压侧发生三相金属性短路接地故障, 0.6 s时刻恢复正常。在不同励磁控制方式下, 系统有关变量的响应曲线如图7~图10所示。
由图7、图9、图10可以看到, 在系统遭受大扰动后, 本文所设计的励磁控制规律与其他励磁控制规律相比, 调节时间短, 超调量低, 各个状态量都在最短的时间内达到了稳定状态。说明本文所设计的励磁控制器能够提供更多的人工阻尼, 有效平息振荡, 提高了系统在大干扰下的稳定性。
由图8可以看到, 本文所设计的励磁控制器可以实现对机端电压的有效跟踪, 电压调节的动态性能较好, 稳态电压调节精度也较高。
3.2.4 五反馈量线性最优控制规律与三反馈量线性最优控制规律对比
本文所设计的最优励磁控制由五反馈量线性最优控制和积分控制组成, 为了比较单纯五反馈量线性最优控制 (本文设计的励磁控制规律除了积分环节部分) 与三反馈量线性最优控制的控制效果, 图11、图12列出了机械输入功率静态小扰动下系统有关变量的响应曲线 (图中NFLOEC代表不含积分控制的五反馈量线性最优励磁控制) 。
由图11可以看出, 在系统受到扰动后, 五反馈量线性最优控制规律比传统三反馈量线性最优控制规律的超调量小、调节时间短, 其动态性能优于后者。同时, 通过与图3对比可知, 加入积分控制后响应曲线并无明显改变, 这是因为动态过程主要是线性最优控制规律起作用。
由图12可以看出, 增加反馈量后, 虽然电压都有下降, 但是五反馈量线性最优控制规律与三反馈量的相比, 超调量要小、振荡次数少, 稳态性能好。说明加入两个附加控制量以后, 在这五个量的综合作用下, 对电压调节也有一定的改善。同时, 对比图4也可知积分控制在电压调节中能很好地消除稳态误差。
3.2.5 与传统线性最优控制规律反馈参数对比
前文对比了本文所设计的励磁控制器和传统线性最优控制器两种控制规律的效果。那么传统线性最优控制规律能否通过调整最优反馈矩阵来达到本文提出的控制规律所达到的控制效果。
通过反复调整传统线性最优控制规律的反馈系数, 发现当最优反馈系数发生改变时, 超调量和调节时间总是相互矛盾的, 若想减小超调量, 系统的振荡时间必然增长, 若想减小振荡时间, 超调量又会增大。如图13所示, 调节传统线性最优控制规律的反馈系数过程中的任何一个非最优中间状态, 均不能同时保证系统的超调量和和调节时间。而本文控制规律增加了无功功率、功角这两个辅助控制量后, 通过这五个量的协同作用, 使系统的动态性能较传统方法有了较大改善。
注:某状态下的TLOEC是指调节传统线性最优控制规律的反馈系数的非最优中间状态
4 结论
基于软开关技术的励磁控制研究 篇9
关键词：ZCS-PWM,励磁控制系统,软开关
励磁系统是同步发电机控制系统的重要组成部分。20世纪90年代前期,励磁控制器多采用的是三相晶闸管可控整流方式,这种方式存在对电网冲击大,损耗大等缺点。20世纪90年代后期,IGBT已逐步取代晶闸管应用在控制电路上,基本克服了上述的缺点,使控制电路大为简化。
软开关技术显著地减小了开关损耗和开关过程中激起的电磁干扰,可以大幅度地提高开关频率,为开关电源的小型化、高效率创造了条件[1]。
本文提出一种新的无源无损耗的软开关结构,在PMW模式下,使主开关管零电流开启、零电压关断,有效地降低高频开关损耗。特别在全桥结构中,通过对原有吸收回路的合理重构,在不引入能量回收耦合变压器的情况下实现了软开关,并保持主开关管的耐压要求不大的提高。
一、软开关的励磁主电路拓扑
本文选用ZCS-PWM软开关拓扑作为励磁系统主回路电路[2],设计成图1所示的励磁控制系统主回路。图中VT1为主开关管,VT2为辅助开关管,VD1和VD2分别为与主开关管和辅助开关管反并联的IGBT体内二极管,Lγ与Lγ分别为谐振电感与谐振电容。图2为该电路在一个PWM周期内的工作波形,下面将一个周期内的工作过程分阶段分析,并将每一阶段的起始时刻都定义为该阶段的零时刻。
(一)t0～t1,谐振电感电流上升阶段(VT1零电流开启)。
在上一周期的结束时刻,VT1与VT2均为关断状态,Lγ中的电流为0,VD续流,不考虑二极管管压降,Cγ两端电压uc=0。在t0时刻开通VT1,由于Lγ中电流不能突变,则VT1实现了零电流开启,并在开通瞬间,VD续流,电感电流线性上升,直到iL=I0,VD自然关断,VT1与VD实现换流。
(二)t1～t2,准谐振阶段(VD零电压关断)。
在t1时刻,VD关断,使VD2与Cγ支路开始导通。Lγ和Cγ谐振,此时满足微分方程:
undefined经变换得:
undefined
其中undefined。在t2时刻,VD2关断。由于VD2与Cγ的存在, VD为零电压关断。
(三)t2～t3,恒流阶段(PWM工作方式)。
VD2关断以后,使VD2与Cγ支路断开,电路进入PWM工作方式,iL=I0,VD2两端电压u2=uc-Ui=Ui。
(四)t3～t4,ZCS过渡阶段1(VD1自然导通)。
为了让VT1零电流关断,在t3时刻使VT2导通,则Lγ和Cγ再次谐振,Cγ放电,这一时期:
undefined
iL=减小,iVT2增大,在t4时刻,VD1自然导通。
(五)t4～t6,ZCS过渡阶段2(VT1零电流关断)。
iL继续减小,当iL≤0时,VD1一直导通,在这段时间内关断VT1,则实现了零电流关断,t6时刻, VD1关断。
(六)t6～t7,恒流放电阶段(VD零电压开启)。
t6以后,VT1和VD1均关断,Cγ放电,端电压下降,t7时刻,uc下降到零, VD从零电压开始导通。
(七)t7～t9,二极管续流阶段(PWM工作方式)。
该段与普通的PWM工作方式下的续流阶段相同。t9之后,电路进入新的工作周期。只要在合适的时刻开通和关断IGBT,就能实现VT1、VT2的零电流开通,零电流零电压关断;实现VD、VD1、VD2的自然导通和自然关断。
二、软开关的励磁主电路拓扑设计
(一)谐振电感和谐振电容的设计。
为了在任何负载情况下都能实现主开关管的零电流开关,Lγ和Cγ的选择非常重要。由式(1)得:
undefined
其中undefined为Lγ和Cγ的特征阻抗,I0max为最大输出电流。
为减小Lγ和Cγ在谐振时对PWM控制产生的影响,应该尽量缩短t1～t2和t3～t6的时间,为此必须减小谐振周期Tγ,提高谐振频率ƒγ。在此设定ƒγ与开关频率ƒs满足:
ƒγ=Nγƒs (Nγ=5～10) (3)
undefined
由式(2)～(4)可确定Lγ和Cγ:
undefined
假设额定励磁电流为5A,最大强励倍数为2.0,则取I0max=10A。三相电压经整流后,平均电压为70V,取Ui=70V。经综合考虑,取Kγ=0.8,Nγ=8,ƒγ=10KHZ。由式(5)计算可得:Lγ=0.0012mH,Cγ=0.36uF。可见,Lγ和Cγ都很小,减小了系统的体积。
(二)开关管和二极管的选择。
从上节可知,VT1最大电流应大于2I0max,承受的最大正向电压为输入电压Ui。VD1的最大电流为最大负载电流I0max,所承受的最大反向电压为Ui。考虑2倍安全裕量,可选择电流40A,电压200V以上的IGBT。续流二极管VD的最大电流为I0max,最大反向电压为2Ui,应选择电流20A,反向电压200V以上的快速二极管。Lγ最大电流应大于2I0max,因此要选择最大电流大于40A的高频电感。Cγ的最大电压为2Ui,因此要选择最大耐压大于200V的高频无感电容。VT2所承受的最大正向电压为2Ui,其反并联二极管所承受的最大反向电压也是2Ui,以此可以选择合适的IGBT。为设计维护方便,主辅IGBT可以用同样的型号。
(三)软开关的实现。
要保证软开关的实现,还要准确控制VT1和VT2开通和关断的时序。在开关过程中,Lγ和Cγ只是储能元件,若忽略其自身损耗,可以认为电源Ui的能量全部提供给励磁机励磁绕组而形成直流电源I0,则电源I0两端电压U0与Ui占空比之间的关系为:
undefined
其中,ton1为VT1开通时间,toƒƒ1为VT1关断时间,Ts为VT1开关周期,δ1为VT1占空比,Ui为二极管整流后的输出电压。由上式可得:ton1=δ1TS。
VT1在t0～t5是开通状态,由此我们可以确定VT1的关断时刻t5,即t05=ton1=δ1,TS=t0-t5。其中t05为VT1的开通时间,以下类似。
为了使VT1零电流关断,必须在其关断之前,开通VT2,使电路出现谐振。以下确定VT2的开通时刻t3。
当第一次iL=0时,由式(1)得:undefined
由此可得undefined。
为了保证VT1可靠软关断,让VT1的关断时刻出现在iL<0的时候,以0.5t46为提前量来计算,这时VT1在iL最低点的时候关断。
同样由式(1)可得t36、t46,计算得t46=0.0000046S。
如果选ƒS=10KHZ,在TS=0.0001S,以δ1=0.5计算,t03=0.000047S。
计算VT2的关断时刻:
如前文所述,在t67阶段中,Cγ将在输出电流I0的作用下线性放电,在t7时刻,uc衰减到零,然后VD开始导通,VT2就可以零电流关断。在这一时间段内满足:
undefined
根据式(1)可知,其初始条件是:
undefined
则t67=uc(t6)Cγ/I0。
由上可得:Uc(t6)=5.85V,t67=0.00000042s。由此计算出Cγ放电完毕的时刻:t07=0.000053s。
为了使VT2可靠软关断,要确保VT2在Cγ完全放电之后再关断,因此需要延长VT2的导通时间。同理,以0.5t46为提前量来计算,得t08=0.000056s。
以上VT1和VT2的开关时刻都是按照理想器件来计算的,实际应用时,IGBT开通和关断都需要时间,需要根据实际情况作出最佳选择。
三、软开关励磁系统的应用
本文方法应用在75KW级微型三级交流发电机组控制中，其中机端电压的控制效果如图3所示，发电机组详细参数如下:(已转换成标幺值)永磁同步电机(副励磁机)额定容量S=1075kw，端电压220V，额定频率800Hz，极对数3，定子电阻0.04Ω，定子电感0.2H，磁通0.01Wb。同步电机(主励磁机励磁机)额定频率400Hz，转子类型凸极式，极对数3。从图中可以看出机端瞬态电压很快稳定在给定范围内。
图4是软开关电路的主开关管电流电压测量波形。下半部分宽脉冲(50%)是主开关管的触发脉冲，窄脉冲(8%)是辅助开关管的触发脉冲，上半部分矩形状波形是主开关管两端电压波形，另外一个是流过谐振电感的电流波形。从波形形状和相位关系来看，主开关管在零电流时开通，在零电流时关断，实现了电力电子器件的软开关。图5是软开关电路中辅助开关管电流电压测量波形，矩形波是开关管两端电压波形，尖脉冲是流过开关管的电流波形，显然辅助开关管也是处于软开关状态。
四、结语
本文把软开关技术应用到微型燃机发电励磁控制系统，选择ZCS-PWM软开关电路作为IGBT开关式斩控励磁控制系统的主电路拓扑结构，分析了其理想软开关过程，选择了主电路中的主要元件，计算了主电路中主开关和辅助开关的开关时序。实践也证明了该方法的有效性。
参考文献
[1].张之梁.零电压开关PWM全桥三电平变换器[D].南京航空航天大学,2002
励磁控制器 篇10
相对于变压器的磁隔离,光隔离能有效减小元器件体积。通过发光管把电信号转换为光信号,接收端将光信号还原为电信号,采用光信号为传输介质,能有效降低隔离器件对其他器件的电磁干扰。为了准确还原输入电信号,一般光隔离器件内部有反馈电路,以补偿转换误差。将线性光耦NCNR201 应用于励磁控制器的控制回路,能有效降低高压电路对控制电路的电磁干扰,提高控制精度。
1 HCNR201 拓扑结构分析
HCNR201 由光敏二极管和运算放大器组成,光敏二极管接收光信号,将光信号转换为电信号,输入到运算放大器。运算放大器具有反馈功能,通过反馈作用稳定电信号的输出。通过运算放大器的调节,使得发射的光信号不受干扰影响,准确反映输入的电信号。输出的运算放大器将光信号转换成的电流信号转换为电压信号,实现电信号输入到输出的隔离。
器件工作时,发光二极管发出的光信号经反馈调节后,跟随输入信号变化,调节输入电阻,可以改变发光二极管的电流,改变输出光信号的强度。同样,调节输出运算放大器的外围参数,可以改变输出电信号的幅值,适当调节输入参数和输出参数,可以改变输入电信号和输出电信号的比例关系。
2 发电机励磁电流控制电路
为了减小励磁回路对控制电路的干扰,将DAC输出经线性光耦HCNR201 隔离,隔离电路如图1 所示。
图1 中,HCNR201 工作在光电导模式下,隔离信号极性为正,所以采用电信号正极输入,正极输出的工作模式。HCNR201 工作原理为隔离电流信号,控制信号为电压信号,需要电流电压转换电路完成电流和电压的转换。运算放大器U1和电容C1组成积分电路,完成电压信号到电流信号的转换,同时起到滤波作用。R4 将输出电流信号转换为电压信号,经缓冲电路输出。
控制芯片采用3.3V供电,HCNR201 器件中发光二极管的平均稳定工作电流要求为1 ~ 20m A,因此运算放大器U1 应该具有大于20 m A的电流输出能力。限制于芯片电源电压,U1 应该选择低电压等级的运算放大器。
3 参数选择与实验结果
根据If取值范围和UDAC0的范围,选择R60的电阻值为100 Ω。设计为线性等值隔离电压信号,所以DAC输出电压等于隔离后的电压Ugn,推导出R10=R59。当R59和R10的阻值分别为50kΩ 和49.7kΩ 时,电路输出电压等于输入电压值。器件误差使得R59和R10电阻值不相等。
按以上标准选择器件参数,对电路进行测试,测试结果如表1 所示。相对于电路的输入,输出电压值变化很小,误差控制在0.08m V之内,满足励磁控制器的设计要求。
V
4 结论
本文在介绍HCNR201 的基本原理和拓扑电路的基础上,将其应用于励磁控制器上,实验结果表明该电路在电压输出范围内有很好的线性度,有效地解决了高电压电路对控制器模拟电路的影响,能准确控制发电机励磁电流,且因为隔离作用,励磁控制器不受励磁电流的影响,提高了发电机励磁系统运行的稳定性。
摘要：在由晶闸管智能控制模块组成的发电机组励磁控制系统中,为了减小励磁功率单元和电磁干扰对励磁控制信号的影响,提高发电机励磁电流控制精度,采用线性光耦NCNR201对励磁控制器输出的励磁控制信号进行线性隔离。经隔离后的发电机组励磁控制器受励磁功率单元和电磁干扰较小,输出的励磁控制信号不失真,能精确控制发电机组励磁电流。用此方案设计的发电机组励磁控制器,能实现发电机端电压的准确控制,实现发电机的起励、灭磁、无功调节等功能。