同步發電機的模糊控制設計

王 錦，林小峰，宋紹劍

（廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004）

電力系統最基本也是最重要的特性是穩定，要保證系統的穩定及安全運行，必須對發電機進行有效控制。傳統的控制方法，是利用PID控制自動電壓調節器（AVR，Automatic Voltage Regulator）和渦輪調速器（TG，Turbine Governor），達到對同步發電機的控制。這種方法大多數是建立在能夠很好描述數學模型的基礎上，但在最佳工作點以外的其他點，發電機的性能會降低，因此需要尋找更好的控制方法。

本文采用的模糊控制方法，應用于同步發電機的勵磁系統控制中，對單機無窮大系統仿真結果表明，其控制特性優于傳統PID勵磁控制。

1 模糊控制的基本原理

模糊控制不需建立復雜的數學模型，控制靈活適應性強，實際被控對象的情況往往比較復雜，受外界各種因素的影響，建立數學模型比較困難；環境和被控量的變化，需要不斷對PID的參數進行整定，使得控制品質嚴重下降。模糊控制動態響應品質優于傳統PID控制，運行速度和穩定性良好，系統魯棒性及容錯性好。

模糊控制是一種非線性控制，已成為實現智能控制的一種重要而又有效的形式。模糊控制是在總結人的控制行為，把人的控制行為規律用模糊語言固化為模糊控制規則，從而進行控制的一種控制方式。模糊控制和神經網絡、遺傳算法及混沌理論等新學科的相融合，正在顯示出其巨大的潛力。

模糊控制系統結構如圖1所示。

圖1 模糊控制系統框圖

模糊控制部分主要由以下4部分組成：

（1）模糊化。這部分的作用是將輸入的精確量轉化為模糊量，其中輸入量包括外界的參考輸入、系統的輸出或狀態等。

（2）知識庫。知識庫由數據庫和規則庫兩部分組成。數據庫存放所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬函數，向模糊推理提供數據。規則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規則，反應了控制專家的經驗和知識。

（3）模糊推理。模糊推理是模糊控制的重要組成部分，它具有模擬人的推理過程的能力，模糊推理過程蘊含模糊邏輯的關系。

（4）清晰化。清晰化是將模糊推理得到的模糊量轉換為實際用于控制的清晰量。

2 AVR模糊控制設計

圖2 單機無窮大母線結構圖

單機無窮大母線電力系統包括發電機、渦輪、調速器、勵磁系統和連接在無窮大母線上的傳輸線，如圖2所示。系統模型在Matlab/Simulink環境下搭建，同步發電機為200 MVA、13.8 kV；三相傳輸線為 210 MVA，13.8 kV/230 kV；母線為10 000 MVA，230 kV；負載為 5 MW。

圖2中，

Re，Xe表示傳輸線參數；

△w表示角速度變化量；

Um表示無窮大母線上的電壓；

Vt表示發電機的端電壓；

Vref表示端電壓參考值；

Pref表示機械功率參考值；

Pm表示渦輪輸出扭矩；

Vfd表示發電機的場電壓。

同步發電機渦輪的結構和控制速度的傳統調速器的結構，如圖3所示。

圖3 渦輪和調速器的傳遞函數結構圖

傳統的勵磁結構，如圖4所示。其中，

Se=0.609 3*EXP(0.216 5*Vfa)。

圖4 勵磁系統的傳遞函數的結構圖

這種用傳統PID控制AVR的方法，雖然有簡單、穩定性好、在最佳工作點附近具有良好的控制效果，但系統的穩定性取決于PID各個參數的整定。

本文設計的模糊控制有兩個輸入，分別是線電壓偏差量△V(t)和線電壓偏差變化量△E（t）=△V（t）-△V（t-1）。

系統中△E（t）能夠更快更準確的響應擾動，只需要得到△E（t）的正負值。即

△V（t）={NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，△E（t）={N，Z，P}。

模糊規則庫的制定原則如下：

（1）當（△V（t）＞0，△E（t）＜0）時，系統輸出趨向穩態值的速度越快越好，即應盡快消除電壓偏差，應當減弱勵磁控制，加強調速控制。

（2）當（△V（t）＜0，△E（t）＞0）時，電壓偏差開始減少，系統逐漸趨向穩態，應當加強勵磁的控制作用，減小調速控制。

（3）當（△V（t）=0）時，系統的電壓沒有偏差，所以勵磁和調速的控制均不變。

按上述規則制定的模糊數據庫如表1所示。

表1 模糊數據庫

模糊輸入變量選用高斯隸屬函數（Gaussian membership functions）。其隸屬函數分布如圖5所示。

圖5 △V（t）和△E（t）的隸屬函數

3 仿真

仿真實驗在Matlab/Simulink中進行，在所搭建的單機無窮大系統模型中，相關傳遞函數的參數Kg=0.05；F=0.322；Tg1=0.264 s；Tg2=0.0264 s；Tg3=0.15 s；Tg4=0.594 s；Tg5=2.662 s；Tv1=0.616 s；Tv2=2.266 s；Tv3=0.189 s；Tv4=0.039 s；Tv5=0.023 5 s。

仿真過程主要進行了單機無窮大系統發生三相短路時控制器性能的比較，系統突然發生三相短路，0.1 s后切除。模糊控制和傳統PID控制效果如圖6和圖7所示。

圖6 三相短路時端電壓的控制效果

圖7 三相短路時角速度變化的控制效果

圖6中實線部分為模糊控制的控制效果，虛線部分為傳統PID的控制效果。如圖6所示，發電機端電壓迅速下降，三相短路故障持續0.1 s后切除，采用模糊控制的發電機端電壓比采用傳統PID控制的發電機端電壓反應速度更快。

圖7中實線部分為模糊控制的控制效果，虛線部分為傳統PID的控制效果。如圖7所示，發電機的角速度發生變化，三相短路故障持續0.1 s后切除，模糊控制能夠使角速度變化量更快地回到零點，使系統穩定。

4 結束語

本文利用模糊控制對同步發電機進行控制，具有良好的勵磁調節特性。模糊控制取代傳統PID控制，可以有效地提高電力系統響應速度。通過仿真實驗可以看出，在單機無窮大系統中，對于采用模糊控制的同步發電機，可以達到優于傳統PID控制的效果，具有良好的前景。

[1]Wenxin Liu,G.K.Venayagamoorthy,and D.C.Wunsch.Design of Adaptive Neural Network Based Power System Stabilizer[J].Neural Networks，2003，(16)：891-898.

[2]Salman Mohagheghi,G.K.Venayagamoorthy,Ronald G.Harley.Adap tive Critic Design Based Neuro-Fuzzy Controller for a Static Compen sator in a Multimachine Power System[J].Power Systems，2006，(21)：1744-1754.

[3]王紅君，趙 輝，華 巖．模糊參數自適應PID控制器在同步發電機勵磁系統中的應用[J]．電氣傳動，2000，30(2)：37-40.

[4]喬志杰，王維慶．模糊自適應控制器的設計及其仿真[J]．控制系統，2008，(1)：26-29.

[5]韓唆峰，李玉惠．模糊控制技術[M]．重慶：重慶大學出版，2003．

[6]廉小親．模糊控制技術[M]．北京：中國電力出版社，2003．