范程華 張忠祥 魯世斌

摘要：同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)是《電機控制技術(shù)》課程的重要部分，其中PID勵磁調(diào)節(jié)器的設計在教學中具有承前啟后的作用。本文以135MW汽輪發(fā)電機為例，介紹了一種基于積分分離PID勵磁調(diào)節(jié)器的設計方法，并采用simulink搭建了電力系統(tǒng)模型。仿真孤網(wǎng)運行并模擬故障，結(jié)果表明該勵磁控制器能有效提高電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性?？刂破鞯脑O計過程有助于學生理解PID調(diào)節(jié)器的控制方式，對后續(xù)課程設計具有一定指導意義。

關鍵詞：同步發(fā)電機;PID控制;勵磁調(diào)節(jié)器;系統(tǒng)仿真

中圖分類號：G64 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）25-0028-03

Abstract： The synchronous generator excitation control system is an important part of the "Motor Control Technology" course， in which， the PID designing of excitation regulator is closely related to the previous and follow-up courses in the teaching.Taking 135MW steam turbine generator as an example， this paper introduces a design method based on integral separation PID excitation regulator， and builds the power system model with simulink. The results of isolation operation and simulating malfunctions show that the excitation controller can effectively improve the dynamic stability of the power system. The design process of the controller can helps students understand the control mode of the PID regulator， which has certain guiding significance for the subsequent course design.

Key words：Synchronous generator; PID control ; Excitation regulator; System Simulation

1 引言

《電機控制技術(shù)》課程中同步發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律通常有PID勵磁控制、線性最優(yōu)控制、自適應勵磁控制和非線性勵磁控制等[1]。其中PID勵磁控制是本科教學階段的重要內(nèi)容之一，在工程實際中也得到了廣泛的應用[2]。當發(fā)電機并電網(wǎng)運行時，一旦其電壓頻率有波動，電網(wǎng)會自發(fā)地通過自己的能力將頻率電壓拉回適應的范圍，如果沒有電網(wǎng)，發(fā)電機只能靠調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)以調(diào)節(jié)發(fā)電機的頻率電壓[3]。本文以135MW汽輪發(fā)電機孤網(wǎng)運行時負載對電力系統(tǒng)的電壓頻率要求為例，介紹了一種PID勵磁調(diào)節(jié)器的設計方法，并通過Matlab/simulink搭建電力系統(tǒng)模型進行系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真，幫助學生理解PID控制規(guī)律及控制器設計步驟、方法。

2 同步發(fā)電機閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

選取額定容量180MVA、額定功率135MW汽輪發(fā)電機為例，其輸出線電壓為13.8KV，并通過升壓變壓器接于110kV供電母線上，且不具備孤網(wǎng)運行條件。要求設計一基于PID的勵磁調(diào)節(jié)器，使其實現(xiàn)孤網(wǎng)運行的可能性。

設計思路是首先根據(jù)勵磁PID控制原理設計控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，然后選擇PID調(diào)節(jié)器、建立單機無窮大系統(tǒng)模型，最后模擬運行故障。由于PID勵磁調(diào)節(jié)器的輸入是測得的勵磁電流、定子電壓、有功及無功功率[4]，其輸出是控制晶閘管導通角從而控制勵磁電壓的原理得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

3 調(diào)節(jié)器設計及系統(tǒng)仿真

3.1 PID控制器設計

3.1.1 積分分離PID控制方式的實現(xiàn)

在常規(guī)PID控制算法中，由于積分系數(shù)ki是常數(shù)，所以在整個控制過程中，積分增量是不變的。但是，系統(tǒng)對于積分項的要求是，系統(tǒng)偏差大時，積分作用應該減弱或是暫時取消積分作用。而在偏差小時，應該加強積分作用。在實際應用中可以發(fā)現(xiàn)積分系數(shù)取大了會產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和，取小了系統(tǒng)響應的調(diào)節(jié)時間會變長，這樣在算法實現(xiàn)時可以考慮根據(jù)系統(tǒng)的偏差大小決定是否引入積分作用，從而可以采取積分分離方法，當被控量與設定值偏差超過設定值時，取消積分作用。在設定值范圍內(nèi)時，引入積分控制，以消除靜態(tài)誤差，提高控制精度[5]。采用Simulink模擬積分分離PID算法如圖2，原理是當偏差在由subsystem設定值范圍內(nèi)時采用積分常數(shù)gain1，否則采用gain2。目的是使得系統(tǒng)在受擾動后超調(diào)小且能快速實現(xiàn)穩(wěn)定運行?？狗e分飽和算法由saturation模擬，設定上下限為（-1，1）。

3.1.2 勵磁調(diào)節(jié)器設計

調(diào)節(jié)器采用恒壓勵磁方式設計，在Simulink中實現(xiàn)如圖3。Vd、Vq為發(fā)電機端電壓d軸和q軸分量的標幺值，由函數(shù)功能模塊轉(zhuǎn)換為端電壓標幺值并通過低通濾波器輸出，與給定值比較結(jié)果作為PID控制的輸入。

3.2 同步發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)模型

3.2.1 單機無窮大系統(tǒng)模擬

為了能與單機帶負荷時所設計的勵磁調(diào)節(jié)器工作性能有所對比，首先建立單機無窮大系統(tǒng)模型[6]，研究所設計勵磁調(diào)節(jié)器工作時系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性[7]。Simulink系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4，三相同步發(fā)電機采用Synchronous Machine pu Standard模塊[8]， Steam Turbine and Governor模塊用于模擬汽輪機，發(fā)電機輸出線電壓為13.8KV，并通過升壓變壓器接于110kV供電母線上，變壓器兩側(cè)各有一負載，額定功率分別為5MW和10MW。Three-Phase Fault模塊用于模擬三相對地短路，示波器可觀測發(fā)電機組各相輸出電壓波形的變化，當0.1s發(fā)生三相對地短路而0.2s故障排除時A相電壓波形如圖6，圖5為系統(tǒng)正常工作時A相電壓波形。

3.2.2 單機帶負荷系統(tǒng)模擬

當汽輪機組孤網(wǎng)運行時其電壓、頻率、轉(zhuǎn)速會根據(jù)負荷的變化而不穩(wěn)定，電源品質(zhì)變差[9]。在大負荷變動情況下，負荷對汽機沖擊很大，長期運行會造成汽機調(diào)速器損壞，甚至沖垮汽機正常工作狀態(tài)。這就要求勵磁系統(tǒng)能根據(jù)負荷變化而使得發(fā)電機輸出電壓、頻率迅速穩(wěn)定[10]。圖7、圖8分別給出了應用所設計的勵磁控制器前后模擬單機帶負荷時三相對地短路的A相電壓波形。

4 仿真結(jié)果分析

從圖5及圖6可以看出在單機無窮大系統(tǒng)中應用了本研究所設計的勵磁控制器后，若發(fā)生三相對地短路（0.1s發(fā)生短路而0.2s故障排除）在故障排除后能很快恢復正常運行。在圖7 及圖8中分別模擬的是單機帶負荷時未接入及接入PID勵磁調(diào)節(jié)器三相對地短路（0.1s發(fā)生短路而0.2s故障排除）時A相電壓波形圖，可以很清晰看出在未接入勵磁調(diào)節(jié)器時系統(tǒng)在故障排除后電壓不能恢復正常運行，始終低于設定值。而在接入勵磁調(diào)節(jié)器后基本能達到單機無窮大系統(tǒng)運行時的效果。通過上述分析可看出，本文實例介紹的135MW汽輪發(fā)電機組勵磁控制器能達到設計目的，能有效提高同步發(fā)電機運行的穩(wěn)定性，對學生在后期進行課程設計等具有一定指導意義。

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【通聯(lián)編輯：王力】