中小型汽轮发电机组励磁控制系统的设计

云南新平南恩糖纸有限责任公司 何崇安

中小型汽轮发电机组励磁控制系统的设计

云南新平南恩糖纸有限责任公司 何崇安

对于中小型的汽轮发电机组来说，励磁控制是控制的核心部件，为了能够实现良好的性能，必须采用负反馈的方式。而且从工业化实际性的观点，采用PID以及各种PID改进的方法，是工程性最强的方法，也是可靠性很高的方法，本文针对中小型汽轮发电机的励磁控制系统进行了设计，首先建立了系统的数学模型，对闭环系统的参数进行了研究设置。然后再这个基础上，研究设计了基于模糊PID控制系统的控制器，并且给出了具体的参数。最后应用软件进行了仿真，表明了设计的有效性。

励磁；反馈；PID控制；Matlab仿真

引言

电力系统的发展给人们带来了越来越多的便利，但是电力系统要求极高的可靠性。为了充分提高电力系统的稳定性，有诸多办法，其中的励磁控制是重要的环节，把握住这个环节，就能够很好的改进发电机的稳定性，从而保证电网的安全。而且通过控制方法或者其它设备的措施来保证磁系统控制性能，也有很好的经济效益，方法非常有效。大多数中小型汽轮发电机主要还是同步发电机，作为其中的重要组成部分，励磁系统特性好坏很大程度决定了这个发电机的可靠和稳定与否。关于这个课题的研究一直没有中断，而且对于汽轮发电机励磁控制系统的设计，也是工程上必须要解决的实际问题。特别是现在已经不简单是功能的实现，更切更加强调品质性能的提高，这就意味着不再是简单地维护发电机端电压恒定，还要能够达到交大的调节范围以及更高的精度，与此同时能够保证干扰下振荡快速有效的收敛，提高整个系统的稳定性。出于该思想，本文采用良好的模糊PID方法来实现其控制系统的设计。

1 系统的模型分析

1.1 汽轮机的构成

为了充分理解该课题，有必要懂得中小型汽轮发电机的工作原理。该类发电机是由蒸汽轮机或燃气轮机推动。跟一般的发电机一样，其主要部件包括了转子、以及定子的部分。在正常工作时，汽轮机以非常高的转速运转于转子内，而转子作为两极输出，保证了额定转速每分钟3000转，这样交流电的输出频率就锁定在了50赫兹。为了设计此励磁系统的控制系统，首先应该建立系统的数学模型。

1.2 系统数学模型建立

对这部分的建模，首先是对各个子环节进行建模，得到分系统模型，这个分系统模型依托于每一部分的工作原理，然后得到每一部分的传递函数，闭环得到系统的闭环传递函数。在设计过程中，没有必要特别特别精确，一般是相对简化的模型来设计，然后采用精确模型进行验证，进一步还要到实际系统上进行调节。因为太精确的模型首先得不到，而且跟实际总有偏差，所以具体的参数仍然有赖于现场。

（1）同步发电机的传递函数。对于中小型汽轮式同步发电机，忽略发电机磁路的饱和特性，那么其传递函数能够用一阶滞后环节来描述：

（2）传感器模块。这个模块实际上是负反馈的输入，主要是采集电压信号，实现励磁控制器的数字化输入，一般考虑惯性环节的传感器模块如（2）所示：

（3）功放模块。这是对控制器的小信号进行放大，为普通的惯性环节，传函满足：

（4）控制器模块。采用PID的条件下，主要包含微分、积分、比例三个环节。

于是将各个环节进行综合，就得到了总体模型如图1所示：（不考虑模糊）

图1 系统原理框图

2 模糊控制器的设计

PID控制器的参数整定是整个控制系统设计当中的灵魂所在。它根据整个控制系统在被控过程之中的特性来确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。模糊控制是智能控制之中的一个重要的研究方向。模糊控制的核心理念是利用计算机来实现人的控制经验。这主要是学习人的控制方法，因为人的经验采用语言来说，具有很强的模糊性，从而形成条件语句。1模糊控制器如图2所示：

图2 模糊控制系统框图

为提高控制的精度和特性，将传统PID控制器与模糊控制理论相结合。计算出控制偏差，然后应用模糊PID系统来得到调整量Δkp，Δki，Δkd，实现在线调整

3 系统参数获取与仿真

这里首先是不考虑模糊的条件下，获取基本的PID参数，概括起来大体可以分为两类：第一类是理论计算整定法。这种方法的主要是依据是整个控制系统的数学模型。第二类是工程整定方法。这种方法其实主要依靠的是工程经验。本文首先采用凑试法确定PID参数，为了提高效率首先按照经验公式进行推导，然后对计算机模型进行验证，得到整定的PID的P参数为1.5，I参数为0.15，D参数为0.04。通过选取合适的模糊控制器量化因子（本文中所选取的误差量化因子为0.004，误差变化率量化因子为0.006）。然后应用模糊化的语言进行修正，获取出模糊PID控制补偿。

图3 三相电压仿真示意图

如图为模糊PID控制策略下的效果图，后经过对比发现相对于传统PID控制具有更好的适应性、鲁棒性，具有减小超调量和提高控制精度等优点，能够使系统获得较好的性能。

4 结束语

本设计研究了中小型汽轮发电机的励磁控制系统，采用模糊化的PID方法，能够较好的提高系统性能，研究结果表明，该控制器就良好的调节品质，并且硬件电路易于实现，带来较好的效益。当然随着先进控制论发展，对于全状态的理解和系统内部结构的完全掌握，不排除有更好的控制方法产生，现阶段相对来说本文的方法是符合实际工程的有效方法，值得推广。

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