同步发电机的模糊控制设计

王 锦，林小峰，宋绍剑

（广西大学电气工程学院，广西南宁530004）

电力系统最基本也是最重要的特性是稳定，要保证系统的稳定及安全运行，必须对发电机进行有效控制。传统的控制方法，是利用PID控制自动电压调节器（AVR，Automatic Voltage Regulator）和涡轮调速器（TG，Turbine Governor），达到对同步发电机的控制。这种方法大多数是建立在能够很好描述数学模型的基础上，但在最佳工作点以外的其他点，发电机的性能会降低，因此需要寻找更好的控制方法。

本文采用的模糊控制方法，应用于同步发电机的励磁系统控制中，对单机无穷大系统仿真结果表明，其控制特性优于传统PID励磁控制。

1 模糊控制的基本原理

模糊控制不需建立复杂的数学模型，控制灵活适应性强，实际被控对象的情况往往比较复杂，受外界各种因素的影响，建立数学模型比较困难；环境和被控量的变化，需要不断对PID的参数进行整定，使得控制品质严重下降。模糊控制动态响应品质优于传统PID控制，运行速度和稳定性良好，系统鲁棒性及容错性好。

模糊控制是一种非线性控制，已成为实现智能控制的一种重要而又有效的形式。模糊控制是在总结人的控制行为，把人的控制行为规律用模糊语言固化为模糊控制规则，从而进行控制的一种控制方式。模糊控制和神经网络、遗传算法及混沌理论等新学科的相融合，正在显示出其巨大的潜力。

模糊控制系统结构如图1所示。

图1 模糊控制系统框图

模糊控制部分主要由以下4部分组成：

（1）模糊化。这部分的作用是将输入的精确量转化为模糊量，其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等。

（2）知识库。知识库由数据库和规则库两部分组成。数据库存放所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属函数，向模糊推理提供数据。规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，反应了控制专家的经验和知识。

（3）模糊推理。模糊推理是模糊控制的重要组成部分，它具有模拟人的推理过程的能力，模糊推理过程蕴含模糊逻辑的关系。

（4）清晰化。清晰化是将模糊推理得到的模糊量转换为实际用于控制的清晰量。

2 AVR模糊控制设计

图2 单机无穷大母线结构图

单机无穷大母线电力系统包括发电机、涡轮、调速器、励磁系统和连接在无穷大母线上的传输线，如图2所示。系统模型在Matlab/Simulink环境下搭建，同步发电机为200 MVA、13.8 kV；三相传输线为 210 MVA，13.8 kV/230 kV；母线为10 000 MVA，230 kV；负载为 5 MW。

图2中，

Re，Xe表示传输线参数；

△w表示角速度变化量；

Um表示无穷大母线上的电压；

Vt表示发电机的端电压；

Vref表示端电压参考值；

Pref表示机械功率参考值；

Pm表示涡轮输出扭矩；

Vfd表示发电机的场电压。

同步发电机涡轮的结构和控制速度的传统调速器的结构，如图3所示。

图3 涡轮和调速器的传递函数结构图

传统的励磁结构，如图4所示。其中，

Se=0.609 3*EXP(0.216 5*Vfa)。

图4 励磁系统的传递函数的结构图

这种用传统PID控制AVR的方法，虽然有简单、稳定性好、在最佳工作点附近具有良好的控制效果，但系统的稳定性取决于PID各个参数的整定。

本文设计的模糊控制有两个输入，分别是线电压偏差量△V(t)和线电压偏差变化量△E（t）=△V（t）-△V（t-1）。

系统中△E（t）能够更快更准确的响应扰动，只需要得到△E（t）的正负值。即

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

模糊规则库的制定原则如下：

（1）当（△V（t）＞0，△E（t）＜0）时，系统输出趋向稳态值的速度越快越好，即应尽快消除电压偏差，应当减弱励磁控制，加强调速控制。

（2）当（△V（t）＜0，△E（t）＞0）时，电压偏差开始减少，系统逐渐趋向稳态，应当加强励磁的控制作用，减小调速控制。

（3）当（△V（t）=0）时，系统的电压没有偏差，所以励磁和调速的控制均不变。

按上述规则制定的模糊数据库如表1所示。

表1 模糊数据库

模糊输入变量选用高斯隶属函数（Gaussian membership functions）。其隶属函数分布如图5所示。

图5 △V（t）和△E（t）的隶属函数

3 仿真

仿真实验在Matlab/Simulink中进行，在所搭建的单机无穷大系统模型中，相关传递函数的参数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。

仿真过程主要进行了单机无穷大系统发生三相短路时控制器性能的比较，系统突然发生三相短路，0.1 s后切除。模糊控制和传统PID控制效果如图6和图7所示。

图6 三相短路时端电压的控制效果

图7 三相短路时角速度变化的控制效果

图6中实线部分为模糊控制的控制效果，虚线部分为传统PID的控制效果。如图6所示，发电机端电压迅速下降，三相短路故障持续0.1 s后切除，采用模糊控制的发电机端电压比采用传统PID控制的发电机端电压反应速度更快。

图7中实线部分为模糊控制的控制效果，虚线部分为传统PID的控制效果。如图7所示，发电机的角速度发生变化，三相短路故障持续0.1 s后切除，模糊控制能够使角速度变化量更快地回到零点，使系统稳定。

4 结束语

本文利用模糊控制对同步发电机进行控制，具有良好的励磁调节特性。模糊控制取代传统PID控制，可以有效地提高电力系统响应速度。通过仿真实验可以看出，在单机无穷大系统中，对于采用模糊控制的同步发电机，可以达到优于传统PID控制的效果，具有良好的前景。

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