中小型汽輪發電機組勵磁控制系統的設計

云南新平南恩糖紙有限責任公司 何崇安

中小型汽輪發電機組勵磁控制系統的設計

云南新平南恩糖紙有限責任公司 何崇安

對于中小型的汽輪發電機組來說，勵磁控制是控制的核心部件，為了能夠實現良好的性能，必須采用負反饋的方式。而且從工業化實際性的觀點，采用PID以及各種PID改進的方法，是工程性最強的方法，也是可靠性很高的方法，本文針對中小型汽輪發電機的勵磁控制系統進行了設計，首先建立了系統的數學模型，對閉環系統的參數進行了研究設置。然后再這個基礎上，研究設計了基于模糊PID控制系統的控制器，并且給出了具體的參數。最后應用軟件進行了仿真，表明了設計的有效性。

勵磁；反饋；PID控制；Matlab仿真

引言

電力系統的發展給人們帶來了越來越多的便利，但是電力系統要求極高的可靠性。為了充分提高電力系統的穩定性，有諸多辦法，其中的勵磁控制是重要的環節，把握住這個環節，就能夠很好的改進發電機的穩定性，從而保證電網的安全。而且通過控制方法或者其它設備的措施來保證磁系統控制性能，也有很好的經濟效益，方法非常有效。大多數中小型汽輪發電機主要還是同步發電機，作為其中的重要組成部分，勵磁系統特性好壞很大程度決定了這個發電機的可靠和穩定與否。關于這個課題的研究一直沒有中斷，而且對于汽輪發電機勵磁控制系統的設計，也是工程上必須要解決的實際問題。特別是現在已經不簡單是功能的實現，更切更加強調品質性能的提高，這就意味著不再是簡單地維護發電機端電壓恒定，還要能夠達到交大的調節范圍以及更高的精度，與此同時能夠保證干擾下振蕩快速有效的收斂，提高整個系統的穩定性。出于該思想，本文采用良好的模糊PID方法來實現其控制系統的設計。

1 系統的模型分析

1.1 汽輪機的構成

為了充分理解該課題，有必要懂得中小型汽輪發電機的工作原理。該類發電機是由蒸汽輪機或燃氣輪機推動。跟一般的發電機一樣，其主要部件包括了轉子、以及定子的部分。在正常工作時，汽輪機以非常高的轉速運轉于轉子內，而轉子作為兩極輸出，保證了額定轉速每分鐘3000轉，這樣交流電的輸出頻率就鎖定在了50赫茲。為了設計此勵磁系統的控制系統，首先應該建立系統的數學模型。

1.2 系統數學模型建立

對這部分的建模，首先是對各個子環節進行建模，得到分系統模型，這個分系統模型依托于每一部分的工作原理，然后得到每一部分的傳遞函數，閉環得到系統的閉環傳遞函數。在設計過程中，沒有必要特別特別精確，一般是相對簡化的模型來設計，然后采用精確模型進行驗證，進一步還要到實際系統上進行調節。因為太精確的模型首先得不到，而且跟實際總有偏差，所以具體的參數仍然有賴于現場。

（1）同步發電機的傳遞函數。對于中小型汽輪式同步發電機，忽略發電機磁路的飽和特性，那么其傳遞函數能夠用一階滯后環節來描述：

（2）傳感器模塊。這個模塊實際上是負反饋的輸入，主要是采集電壓信號，實現勵磁控制器的數字化輸入，一般考慮慣性環節的傳感器模塊如（2）所示：

（3）功放模塊。這是對控制器的小信號進行放大，為普通的慣性環節，傳函滿足：

（4）控制器模塊。采用PID的條件下，主要包含微分、積分、比例三個環節。

于是將各個環節進行綜合，就得到了總體模型如圖1所示：（不考慮模糊）

圖1 系統原理框圖

2 模糊控制器的設計

PID控制器的參數整定是整個控制系統設計當中的靈魂所在。它根據整個控制系統在被控過程之中的特性來確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。模糊控制是智能控制之中的一個重要的研究方向。模糊控制的核心理念是利用計算機來實現人的控制經驗。這主要是學習人的控制方法，因為人的經驗采用語言來說，具有很強的模糊性，從而形成條件語句。1模糊控制器如圖2所示：

圖2 模糊控制系統框圖

為提高控制的精度和特性，將傳統PID控制器與模糊控制理論相結合。計算出控制偏差，然后應用模糊PID系統來得到調整量Δkp，Δki，Δkd，實現在線調整

3 系統參數獲取與仿真

這里首先是不考慮模糊的條件下，獲取基本的PID參數，概括起來大體可以分為兩類：第一類是理論計算整定法。這種方法的主要是依據是整個控制系統的數學模型。第二類是工程整定方法。這種方法其實主要依靠的是工程經驗。本文首先采用湊試法確定PID參數，為了提高效率首先按照經驗公式進行推導，然后對計算機模型進行驗證，得到整定的PID的P參數為1.5，I參數為0.15，D參數為0.04。通過選取合適的模糊控制器量化因子（本文中所選取的誤差量化因子為0.004，誤差變化率量化因子為0.006）。然后應用模糊化的語言進行修正，獲取出模糊PID控制補償。

圖3 三相電壓仿真示意圖

如圖為模糊PID控制策略下的效果圖，后經過對比發現相對于傳統PID控制具有更好的適應性、魯棒性，具有減小超調量和提高控制精度等優點，能夠使系統獲得較好的性能。

4 結束語

本設計研究了中小型汽輪發電機的勵磁控制系統，采用模糊化的PID方法，能夠較好的提高系統性能，研究結果表明，該控制器就良好的調節品質，并且硬件電路易于實現，帶來較好的效益。當然隨著先進控制論發展，對于全狀態的理解和系統內部結構的完全掌握，不排除有更好的控制方法產生，現階段相對來說本文的方法是符合實際工程的有效方法，值得推廣。

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