交流跟踪最优控制技术在移动电站中的应用

安巧静，朱长青，谷志锋，王川川

(军械工程学院电气工程系，河北石家庄 050003)

交流跟踪最优控制技术在移动电站中的应用

安巧静，朱长青，谷志锋，王川川

(军械工程学院电气工程系，河北石家庄 050003)

为解决目前移动电站所用控制技术使电站存在输出电压稳定度差、负载变化时调节时间长的问题，提出了电站的交流跟踪最优控制技术模型，从理论分析和建模仿真两方面研究了该技术应用的可行性及优越性，并与传统励磁控制技术对电站输出电能质量的影响进行了比较。仿真结果表明：交流跟踪最优控制技术可以在电站控制中获得应用，相较于传统励磁控制技术，前者能够明显提高输出电压稳定度，改善输出电能质量。

移动电站；交流跟踪技术；交流跟踪基准电压；同步比较；最优励磁控制

移动电站作为信息化武器装备的电力来源，其电气性能指标，尤其是输出电压的稳定度及电机过渡过程的调节时间，对设备的运行具有重要影响。由于移动电站所带负载变化具有随时性，而电站容量有限，导致移动电站的暂态调整过程时有发生。移动电站一般采用简单的恒励磁方式，即在电压突变时，采用强行励磁，结果通常会产生较大的超调和电压脉冲；而励磁控制系统通常采用直流采样的方式，导致采样延时、控制滞后；传统电站控制采用单反馈量方式，通过分析电站系统的线性化模型，得出系统振荡的判别条件，尤其是在系统重负荷高放大倍数快速励磁时，会振荡失稳[1]。以上缺点导致电站供电质量不高，并对设备的安全和性能产生影响。

关于电站负载突变时电压跌落的原因、电压变化率的工程计算方法、电压跌落的影响因素在不同的文献[2-3]中都有详细介绍，采用先进控制算法提高电站电气性能指标的方法，也有大量文献[4-5]介绍，但都未从根本上克服采样延时引起控制滞后的问题。为解决这种问题，本文提出了交流跟踪技术，针对移动电站发电系统的暂态分析来具体介绍基于交流跟踪技术的最优励磁控制策略研究，并通过仿真实验验证其可行性和优越性，为接下来的硬件实验提供了理论基础。

1 交流基准电压的实现

图1 某型同步发电机电枢绕组实物图及电机结构示意图

交流跟踪最优励磁控制的实现可分为以下几个关键技术：交流基准电压和同步比较技术的实现是根据某型同步发电机的结构特点，结合原理分析得到的；对同步发电机暂态过程分析电机负载变化的过渡过程的时间常数[6-7]，得到电压的变化规律，明确了交流跟踪的具体意义，重负荷高放大倍数的快速励磁对系统振荡频率的影响很大，为此本文采用最优励磁的控制方式[8-9]，来抑制系统的振荡。

移动电站同步发电机电枢绕组的实物图及同步发电机示意图，如图1所示。

交流跟踪技术的提出是根据同步发电机的结构及工作原理得到的，电枢绕组嵌于同步发电机齿槽中，对于两极磁极，每旋转一周，得到两个周期的电压，如图1所示，所以可以得出输出电压的频率是和转子的转速成正比的。以每过一个齿槽为例，通过得到转子的位置，经校正角度，得到相对应角度基准电压与相应的端电压进行比较，就可实现实时同步比较，可得到励磁电压的控制规律，经一定的控制算法，实现同步电机的励磁控制。转速传感器如图2所示。

图2 转速传感器示意图

通过记录相邻两个齿通过转速传感器的时间，可以得到同步发电机的实时转速ω。电站起励发电后，通过采集发电机端电压与转速传感器的高频转速信号，可以确定飞轮齿圈与定子绕组之间的位置关系。利用转子上的测速齿轮，其每转一周产生与其齿数对应的脉冲信号，假设发电机齿数为180，极对数为1，则由测速齿轮可得到180个脉冲信号，对每个过一个齿产生的脉冲信号做标记，我们标记为1～180。与此同时，定子侧电压经过整形得到脉冲，并与转子脉冲进行比较，以发电机空载和负载的情况为例，如图3所示。

图3 空载和负载条件下加载后的功角变化

如果在数字处理器ROM中开辟一段空间，并构成标准正弦波列表，并根据功角量的提取数值动态提取ROM中的标准正弦波列表数据，从而形成一个标准的正弦波形。而形成的标准正弦波将是一个与外部输出电压同频同相的动态波基准，利用发电机端电压与此标准电压比较，并采用一定的控制算法进行励磁控制，将明显缩小传统励磁控制由于采集电路延时引起的控制滞后的弊端。

仿真中，为得到两类脉冲，即电压过零脉冲和读数脉冲，分别使用输出端电压过零脉冲和角度脉冲，过零脉冲的作用是对交流基准电压的复位读取，而读数脉冲是每经过相同角度的读取相应端电压和离散基准电压的值。交流基准电压信号的提取是由脉冲触发一个电压有效值恒定的正弦波形，得到的一组离散的数。SIMULINK仿真实现如图4(a)所示。

图4 交流基准电压的产生及同步比较

2 交流基准电压同步比较技术的实现

在仿真中，过零脉冲和角度脉冲实现，以某移动电站为例，端电压经过零脉冲得到过零脉冲波形，过零脉冲和读数脉冲的作用经SIMULINK仿真实现如图4(b)所示：图中θ(theta)角代表转子角，δ(delta)角为功角，θ角经δ角校正，连接一个脉冲发生器，生成一组等角度脉冲，作为读数脉冲，端电压过零脉冲通过触发脉冲模块对基准电压的读取复位。在这里，有一个判断，当过零脉冲的幅值大于等于0，即为1时，Triggered Subsystem模块工作；而当过零脉冲的幅值小于0，即为－1时，Triggered Subsystem1模块工作。区分这两个模块的原因是生成基准电压为半个周期，和端电压进行同比较时，需区分计算。

3 移动电站系统暂态分析

3.1突加负载时间常数的分析

为推导突加负载的电流的幅值表达式，因考虑发电机的次暂态过程衰减很快，所以可以忽略不计。忽略定子电流的非周期分量及二次谐波分量后，空载时突加满载的电流表达式为：

考虑功角变化，负载变化后的图形比较如图5所示。由图可知，在突加负载时端电压的幅值会减小，同时，为实现交流跟踪技术，时刻比较实际值和基准值，需通过功角变化对转子角进行校正[10]。

3.2 对系统振荡影响的分析

对移动电站电力系统进行线性化得到数学模型，推导过

图5 理想情况下突加负载后端电压变化曲线

4 交流跟踪最优励磁控制系统的分析设计

得到仿真结果如图6所示。

结果分析：仿真是在1 s时突减负载，在2 s时恢复负载。由结果可以看出，对于3个参量的比较本文提出方法的仿真在抑制参量振荡和调节时间方面具有更好的效果，其反应速度快，稳定时间短。

图6 最优控制和传统控制仿真结果比较

5 结论

交流跟踪技术的提出是从目前移动电站的传统控制方式的弊端入手研究的，旨在为移动电站开发一种能够实现快速、精密调压控制的自动调节装置。用于在突变负载条件下，保证移动电站输出电压稳定，大幅提高移动电站的整机技术性能指标。首先通过理论分析，证明了这种励磁控制方法的可行性，其次针对具体的移动电站供电系统，进行了仿真和验证，并与传统励磁控制效果进行了比较。基于交流跟踪技术的移动电站最优励磁控制的提出为解决电站控制滞后、调节时间常数长的问题提供了条件，对于提高移动电站稳态和瞬态电气性能指标具有重要意义。

[1]倪以信，陈寿孙，张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M].北京：清华大学出版社，2002：5-75.

[2]高景德，张麟征.电机瞬态过程的理论分析及分析方法[M].北京：科学出版社，1983:395-408.

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[7]韩肖清，常向伟，孟辉.动态负荷对电力系统动态稳定性的影响研究[J].中北大学学报，2007,28(3):251-255.

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[11]方雄伟，韩旗.舰船电力系统暂态稳定性仿真分析[J].电力自动化设备，2011,31(3):35-39.

Research on AC tracking optimal control technique applied in mobile power station

AN Qiao-jing,ZHU Chang-qing,GU Zhi-feng,WANG Chuan-chuan

In order to resolve the problems of poor stability of output voltage and long adjusting time existing in the mobile power station aroused from the current control technique while loads changing,a model about AC tracking technique was proposed.The feasibility and superiority of the technique were researched from two sides:theoretical analysis and modeling simulation.The results show that:the AC tracking control technique can be used in the mobile power station,with which the stability of output voltage is improved and the output power quality is more perfect.

mobile power station;AC tracking technique;AC tracking based voltage;synchronous comparison; optimal excitation control

TM 343

A

1002-087 X(2014)02-0323-04

2013-06-15

军械工程学院基金项目(YJJ10031)

安巧静(1987—)，女，河北省人，硕士生，主要研究方向为电站励磁技术。