控制算法在同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、序號(hào)評(píng)分項(xiàng)該項(xiàng)得分1論文結(jié)構(gòu)與格式30分；2語言組織20分；3創(chuàng)新10分；4使用價(jià)值20分5平時(shí)成績20分課程總成績電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置課程論文評(píng)分表PID 控制算法在同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用摘 要:發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)是電力系統(tǒng)控制的重要組成部分,它直接影響著發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文在介紹同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了PID 控制算法,并對PID 在同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)應(yīng)用作了進(jìn)一步闡述。關(guān)鍵詞: PID 同步發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)Application Of PID Control Algorithms In Excitation System

2、For Synchronous MachineAbstract:The developing and optimizing of the excitation control system, as one of main parts of power system, is also a popular studying topic.At first ,the paper introduces the excitation system for synchronous machine,then provides PID control Algorithms and And PID in sync

3、hronous generator excitation system in the automatic application of the regulation further elaborated.Keywords: PID algorithm; Synchronous Machine; Exciting conditioning systems引言隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展, 電力系統(tǒng)，的規(guī)模越來越大。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下, 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制能夠起到減小電壓波動(dòng)、平衡無功功率分配的作用; 在系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流可以提高系統(tǒng)抗干擾能力, 維持系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。所以研究和設(shè)計(jì)

4、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)一直是電力系統(tǒng)學(xué)者關(guān)注的課題, 它的優(yōu)化和發(fā)展對發(fā)電機(jī)乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行具有決定性的意義。1. 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡介勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與它的空載電動(dòng)勢E q 的大小有關(guān), 而E q 是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的函數(shù)。因此, 對同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)節(jié)控制, 可以改變同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性, 提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性, 以滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制是對發(fā)電機(jī)運(yùn)行實(shí)行調(diào)節(jié)控制的重要內(nèi)容。1.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成圖1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的簡易框圖。取自于發(fā)電機(jī)的采樣信號(hào)經(jīng)反饋測量環(huán)節(jié)與給定值( 參考值) 比較后得出偏差

5、值并送往控制器, 經(jīng)控制器校準(zhǔn)放大后、用于觸發(fā)大功率半導(dǎo)體器件( S C R 、G T R 、I G B T 等) ,從而控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓或電流。在勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中, 虛線框內(nèi)的部分一般采用數(shù)字電路, 由一個(gè)或更多的嵌入式微處理器構(gòu)成。接口模塊采用A / D 或D / A 轉(zhuǎn)換器,分別將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)或?qū)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。DER( 微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器) 的給定值以代碼的形式貯存在微處理器R A M 中, 用于與發(fā)電機(jī)的采樣信號(hào)進(jìn)行比較。采樣信號(hào)一般為定子電壓、電流、頻率、有功或無功功率, 角速度等。采集到的模擬信號(hào)一般通過電壓、電流互感器或高速變送器經(jīng)A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后

6、再與設(shè)定值比較。比較運(yùn)算由微處理器中的運(yùn)算單元完成。根據(jù)邏輯運(yùn)算結(jié)果, 執(zhí)行儲(chǔ)存在程序存儲(chǔ)器的程序, 程序中設(shè)置了多種預(yù)期的控制算法?？刂破鬏敵鲂盘?hào)被轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬信號(hào)送至功放單元。功放單元負(fù)責(zé)提供一個(gè)功率足夠大的直流電壓、電流觸發(fā)脈沖。1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的功能通過豐富靈活的軟件系統(tǒng)和與之配合的硬件, 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可執(zhí)行多種調(diào)節(jié)控制功能: 高級(jí)控制算法。勵(lì)磁系統(tǒng)可執(zhí)行十分復(fù)雜的控制算法。除了比例調(diào)節(jié)、P I 調(diào)節(jié)、PID 調(diào)節(jié)控制這些常規(guī)算法之外, 控制方式還可以包含電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)附加控制、線性最優(yōu)勵(lì)磁控制( LOEC ) 、非線性勵(lì)磁控制( NEC ) 等等模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中難以實(shí)現(xiàn)

7、的控制規(guī)律。 定值調(diào)節(jié)器數(shù)字系統(tǒng)可隨意設(shè)置各種控制參數(shù), 如電壓給定、勵(lì)磁電流給定、調(diào)差系數(shù)及階躍響應(yīng)設(shè)定、各種限制、保護(hù)的整定值、各調(diào)節(jié)規(guī)律的有關(guān)參數(shù)等等。這些參數(shù)可在線修改, 可就地操作也可通過遠(yuǎn)程通訊實(shí)現(xiàn)遙控。 記錄通過調(diào)節(jié)器內(nèi)部循環(huán)數(shù)據(jù)記錄裝置, 可記錄勵(lì)磁系統(tǒng)各種參數(shù)和數(shù)據(jù)。有些參數(shù)和數(shù)據(jù)還可由外部輸入至勵(lì)磁系統(tǒng), 例如將發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)反饋至勵(lì)磁系統(tǒng), 也可以將勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出給外部存儲(chǔ)設(shè)備, 以備將來查詢之用。 測量大部分模擬勵(lì)磁調(diào)節(jié)器需要外接各種儀表顯示系統(tǒng)參數(shù), 如發(fā)電機(jī)端電壓等。數(shù)字系統(tǒng)能提供各類發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)顯示而不需要附加額外的測量儀表,當(dāng)然也就不再需要傳統(tǒng)的電壓

8、、電流互感器、分流器等, 從而節(jié)省了測量電纜和維護(hù)工作量。2PID控制算法的應(yīng)用2.1 PID 控制算法隨著自動(dòng)化技術(shù)和控制理論的發(fā)展,自動(dòng)控制系統(tǒng)也日趨復(fù)雜和完善。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中, PID 控制是一種最基本應(yīng)用最廣泛的控制規(guī)律。它不僅結(jié)構(gòu)簡單, 而且參數(shù)易于調(diào)整, 使用經(jīng)驗(yàn)豐富, 尤其是在被控對象不易獲得精確的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng), 參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化的情況下, 采用PID 控制,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定可得到預(yù)期的控制效果?？刂葡到y(tǒng)中, PID 控制方法是最常用的一種方法。它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量。PID 控制算法通常又分為位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。當(dāng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

9、需要的是控制量的增量時(shí), 比如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的時(shí)候, 這時(shí)候就需要使用增量式P I D 控制算法。而如果控制系統(tǒng)的輸出直接去控制系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu), 則輸出是和執(zhí)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)作位置一一對應(yīng)的, 這種方式稱為位置式PID 控制算法。由于本文中PID 控制算法的輸出是直接控制可控硅的觸發(fā)角, 故使用位置式PID控制算法。位置式PID 控制算法的表達(dá)式為: 式中, T 為采樣周期, 為了書寫方便, 將e(kT)省去了T,簡化表示為e(k)。k 是采樣序號(hào),(k=0,1,2,.)。u(k)表示第k 次采樣時(shí)刻經(jīng)過PID 計(jì)算的控制器的輸出值。e( k ) 表示第k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。e( k - 1 )

10、 表示第k - 1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值。PID 控制算法的基本思路是這樣的: 當(dāng)被控量即系統(tǒng)的輸出與設(shè)定值偏差較大的時(shí)候, 取消積分作用, 以免由于積分的作用造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低, 超調(diào)量增大, 此時(shí)PID 控制就蛻化為P D 控制。而當(dāng)系統(tǒng)的輸出和設(shè)定值接近時(shí), 引入積分控制, 以便減小系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的靜差, 提高控制精度。具體實(shí)現(xiàn)有如下幾種情況: 根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況, 設(shè)定一個(gè)閾值e>0。 當(dāng)|e(k)|>e,也就是偏差|e(k)|比較大時(shí), 采用PD 控制, 可避免產(chǎn)生過大的超調(diào), 又能夠使系統(tǒng)有比較快速的響應(yīng)。 當(dāng)|e(k)|e,也就是偏差|e(k)|比較小時(shí), 采用PID

11、 控制, 可以保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。2.2 PID 算法的控制環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)。比例控制作用是最基本的控制規(guī)律, 它能較快的克服擾動(dòng)的影響,使系統(tǒng)穩(wěn)定下來, 但有余差。它適用于控制通道滯后較小, 控制要求不高, 被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。 積分環(huán)節(jié)。積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合作用, 構(gòu)成P I 控制或P I D 控制。其中P I 控制規(guī)律是應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。積分能消除余差, 適用于控制通道滯后較小, 負(fù)荷變化不大, 被控參數(shù)不允許有余差的場合。對穩(wěn)態(tài)性能的影響, 積分控制參數(shù)能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差, 提高控制系統(tǒng)的控制精度。 微分環(huán)節(jié)。微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性, 如超

12、調(diào)量減少, 調(diào)節(jié)時(shí)間縮短, 允許加大比例控制, 使穩(wěn)態(tài)誤差減小, 提高控制精度。但是如果控制器的微分時(shí)間常數(shù)太大, 這時(shí)即使偏差變化速度不是很大, 但因微分作用太強(qiáng)而使控制器的輸出發(fā)生很大變化。當(dāng)控制要求較高時(shí), 微分控制可以與比例微分控制聯(lián)合作用, 構(gòu)成P I D 控制。P I D 控制是一種最理想的控制規(guī)律, 它在比例的基礎(chǔ)上引入積分, 可以消除余差, 再加入微分作用, 又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.3 PID 算法的調(diào)節(jié)控制PID 調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖見圖2 。其中,U(s)為控制輸出,Vt 為機(jī)端電壓,1 / ( 1 + K1s ) 也可以看作是一個(gè)大的慣性環(huán)節(jié)。令K p = KD + Ks

13、 , KD = K0 + KI 。則調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)(Kp+KDs)/(1+KIs)可表示成KD+Ks/(1+KIs)。對穩(wěn)定性而言, 假定擾動(dòng)e(t)為單位階越函數(shù) E(s)=1/s,在過濾過程開始的瞬間即t = 0 + 時(shí), 由初值定理,則此時(shí)控制輸出u( 0 + ) 表示為: u( 0 + )= = kD ;說明在擾動(dòng)發(fā)生的暫態(tài)過程初期, P I D 勵(lì)磁控制方式的控制作用相當(dāng)增益為K D 的比例式調(diào)節(jié)器。對電壓調(diào)節(jié)精度而言, 由終值定理可知,對于單位階躍輸入E(s)=1/s,控制輸出在穩(wěn)態(tài)時(shí)為: u( ) = = kD + ks可見, PID 調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)相當(dāng)于比例式調(diào)節(jié)放大倍數(shù)分成兩部

14、分。在擾動(dòng)發(fā)生的過渡過程開始時(shí), 控制作用相當(dāng)于增益為kD 的比例式調(diào)節(jié); 對于穩(wěn)態(tài)來說相當(dāng)于增益為kD + ks的比例調(diào)節(jié)。綜合以上的分析可知, PID 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制方式在一定程度上緩解了按系統(tǒng)穩(wěn)定性與按穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度對調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)之間的矛盾。3.結(jié)論本文通過上面的分析, 對于給定容載比k c和城區(qū)的不同平均負(fù)荷密度s, 在變電站允許的條件下, 可以很快求出平均經(jīng)濟(jì)供電半徑RJ、經(jīng)濟(jì)容量SJ 和變電站個(gè)數(shù)Nb,而使年費(fèi)用最少。從中可以看出, 變電站的建設(shè)規(guī)模與負(fù)荷密度有很大的關(guān)系, 在一定的供電范圍內(nèi), 負(fù)荷密度越大, 變電站容量就越大, 供電半徑就越小, 相應(yīng)建設(shè)的變電站個(gè)數(shù)就越多。這充分

15、說明了變電站的建設(shè)規(guī)模要遵循綜合費(fèi)用最少的原則,按照本文得出的方法進(jìn)行規(guī)劃實(shí)施和評(píng)估, 可以獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。總之, PID 控制算法在同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用取得了很好的控制效果, 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能指標(biāo)完全符合發(fā)電機(jī)對勵(lì)磁系統(tǒng)的要求, 即很快的響應(yīng)速度、足夠的調(diào)整容量以及運(yùn)行及調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性。這說明了本控制算法策略在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用的可行性和正確性, 在實(shí)際應(yīng)用中有一定的推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 劉益青,陳超英.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)分析方法綜述J.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2006,11(1):105108.2 韓禎祥.電力系統(tǒng)穩(wěn)定M.北京:中國電力出版社,2003.3 唐巍, 郭喜慶, 翟