同步發電機勵磁控制教學中的Matlab/simulink應用實例

范程華 張忠祥 魯世斌

摘要：同步發電機勵磁控制系統是《電機控制技術》課程的重要部分，其中PID勵磁調節器的設計在教學中具有承前啟后的作用。本文以135MW汽輪發電機為例，介紹了一種基于積分分離PID勵磁調節器的設計方法，并采用simulink搭建了電力系統模型。仿真孤網運行并模擬故障，結果表明該勵磁控制器能有效提高電力系統的動態穩定性。控制器的設計過程有助于學生理解PID調節器的控制方式，對后續課程設計具有一定指導意義。

關鍵詞：同步發電機;PID控制;勵磁調節器;系統仿真

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》課程中同步發電機勵磁調節器的控制規律通常有PID勵磁控制、線性最優控制、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容之一，在工程實際中也得到了廣泛的應用[2]。當發電機并電網運行時，一旦其電壓頻率有波動，電網會自發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，發電機只能靠調節勵磁系統以調節發電機的頻率電壓[3]。本文以135MW汽輪發電機孤網運行時負載對電力系統的電壓頻率要求為例，介紹了一種PID勵磁調節器的設計方法，并通過Matlab/simulink搭建電力系統模型進行系統穩定性仿真，幫助學生理解PID控制規律及控制器設計步驟、方法。

2 同步發電機閉環控制系統設計

選取額定容量180MVA、額定功率135MW汽輪發電機為例，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，且不具備孤網運行條件。要求設計一基于PID的勵磁調節器，使其實現孤網運行的可能性。

設計思路是首先根據勵磁PID控制原理設計控制系統結構圖，然后選擇PID調節器、建立單機無窮大系統模型，最后模擬運行故障。由于PID勵磁調節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結構如圖1。

3 調節器設計及系統仿真

3.1 PID控制器設計

3.1.1 積分分離PID控制方式的實現

在常規PID控制算法中，由于積分系數ki是常數，所以在整個控制過程中，積分增量是不變的。但是，系統對于積分項的要求是，系統偏差大時，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現積分系數取大了會產生超調，甚至積分飽和，取小了系統響應的調節時間會變長，這樣在算法實現時可以考慮根據系統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。在設定值范圍內時，引入積分控制，以消除靜態誤差，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設定值范圍內時采用積分常數gain1，否則采用gain2。目的是使得系統在受擾動后超調小且能快速實現穩定運行。抗積分飽和算法由saturation模擬，設定上下限為（-1，1）。

3.1.2 勵磁調節器設計

調節器采用恒壓勵磁方式設計，在Simulink中實現如圖3。Vd、Vq為發電機端電壓d軸和q軸分量的標幺值，由函數功能模塊轉換為端電壓標幺值并通過低通濾波器輸出，與給定值比較結果作為PID控制的輸入。

3.2 同步發電機及勵磁系統模型

3.2.1 單機無窮大系統模擬

為了能與單機帶負荷時所設計的勵磁調節器工作性能有所對比，首先建立單機無窮大系統模型[6]，研究所設計勵磁調節器工作時系統的暫態穩定性[7]。Simulink系統結構如圖4，三相同步發電機采用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，示波器可觀測發電機組各相輸出電壓波形的變化，當0.1s發生三相對地短路而0.2s故障排除時A相電壓波形如圖6，圖5為系統正常工作時A相電壓波形。

3.2.2 單機帶負荷系統模擬

當汽輪機組孤網運行時其電壓、頻率、轉速會根據負荷的變化而不穩定，電源品質變差[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速器損壞，甚至沖垮汽機正常工作狀態。這就要求勵磁系統能根據負荷變化而使得發電機輸出電壓、頻率迅速穩定[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 仿真結果分析

從圖5及圖6可以看出在單機無窮大系統中應用了本研究所設計的勵磁控制器后，若發生三相對地短路（0.1s發生短路而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勵磁調節器三相對地短路（0.1s發生短路而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節器時系統在故障排除后電壓不能恢復正常運行，始終低于設定值。而在接入勵磁調節器后基本能達到單機無窮大系統運行時的效果。通過上述分析可看出，本文實例介紹的135MW汽輪發電機組勵磁控制器能達到設計目的，能有效提高同步發電機運行的穩定性，對學生在后期進行課程設計等具有一定指導意義。

參考文獻：

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【通聯編輯：王力】