基于STF算法交流跟踪励磁控制策略的研究＊

王玉同，邵天章，谷志峰

（军械工程学院，电力工程教研室，河北石家庄050003）

基于STF算法交流跟踪励磁控制策略的研究＊

王玉同，邵天章，谷志峰

（军械工程学院，电力工程教研室，河北石家庄050003）

通过建立移动电站同步发电机非线性数学模型，研究了基于STF算法的交流跟踪励磁控制策略，其可以有效抑制系统扰动并实现系统状态在线估计。对发电机模型参数进行了仔细观测，对交流跟踪励磁控制策略进行了理论分析，对试验结果与传统励磁控制数据进行了对比。仿真实验结果验证了基于STF算法的交流跟踪励磁控制策略的优越性。

移动电站；励磁控制；STF；交流跟踪

1 引言

移动电站作为独立电力系统的供电装备，其电气性能指标对武器系统具有重要影响。由于电站容量有限，各式武器系统的负载变化又具有随时性和不确定性，且移动电站的暂态调整能力要求也较高［1］，故移动电站的励磁方式常为恒励磁方式。当电压发生突变时，进行强行励磁。这种方式常导致超调和电压脉冲的幅度较大。励磁控制系统通常采用直流采样方式，会导致采样延时、控制滞后。以上不足之处常导致电站供电质量差，严重时会影响到武器系统的性能和安全。

交流跟踪励磁控制策略结合强跟踪滤波算法（STF），可以实现定子直轴和交轴的电流分量、转子位置等发电机中间状态变量的联合自适应滤波估计，也可以实现气隙磁场（幅值、相位）和功角δ的无传感器定位，克服了采用传统的纯电气测量法和传感器测量法带来的暂态功角计算不准、误差补偿复杂的缺点［2］。根据STF滤波和磁链观测得到的状态变量，建立一个基准电源，使之与发电机运行状态保持同频率、同相位。利用基准电源与发电机端电压快速比较，实现快速励磁，从而提高移动电站瞬态电压指标，达到改善移动电站励磁性能的目的。

2 同步发电机状态变量估计模型

移动电站是典型的非线性系统，通过建立移动电站同步发电机的非线性数学模型来分析它的过渡过程［3］。在采用dq坐标时，需要将实测的定子电压、电流转换为dq坐标中相应的电压、电流，这无形中增加了计算量，延长了STF程序的执行时间，不利于在线实时估计，因此采用了DQ静止坐标。在DQ静止坐标中，直轴同步电感LD与交轴同步电感LQ是转子位置γ的函数，而且DQ轴间存在互感LDQ和LQD，即同步电感。

式中，LO＝（Ld－Lq）sinγ/2。得出同步发电机的数学模型为：

得状态方程和输出方程为：

式中：

将非线性系统线性化，需定义两个雅可比矩阵［4］。这两个矩阵分别为：

离散化后：

离散化的数学模型为：

3 强跟踪滤波理论

由离散型状态空间模型描述的一类非线性时变随机系统可描述为：

由于模型的不确定性，当滤波器的状态估计值偏离系统状态时，会在输出残差序列幅值上表现出来，这时只要在线适当调整增益阵K（k＋1），使得残差序列仍相互保持正交，则可强迫滤波器仍保持对实际系统状态的跟踪［5］。

根据STF的特性，可采用多个次优渐消因子的扩展卡尔曼滤波算法［6－9］，并根据数据通道的不同，分别进行渐消。通过这种方式可进一步提高滤波器的追踪能力。将系统的f（·）在中进行泰勒展开，将 h（·）在中进行泰勒展开，并取其线性部分进行一阶近似后，可得其线性模型。

其迭代步骤如下：

第二步：计算一步状态预报值，根据式（16）、（17）可得：

分别为f（x）和h（x）对状态变量x偏导构成的雅可比行列式。

第三步：计算测量残差序列，根据式（18）－（20）估计均方误差阵 V（k＋1）为：

其中，0＜ρ≤1为遗忘因子。

第四步：计算渐消矩阵L（k＋1）如下：

其中 λ 由式（23）－（26）得到：

得出增益矩阵 K（k＋1）：

第七步：k＋1→k，继续第二步，依次循环。

通过 STF 状态估计，可以实现 γ、iD、jQ、ωr的无转速传感器估计。在γ已知的情况下，可以很容易地通过Park变换得到jd和jq。

4 交流跟踪励磁控制策略的实现方法

观测器有电压模型和电流模型两种，但由于电压模型存在积分饱和的不足，所以通常采用电流模型的磁链观察器。通过磁链观察器可以确定气隙磁场φδ的幅值和位置，其中φδ的方向为M轴方向，端电压us在相位上滞后φδ90度，由此通过磁链观测器可以精确地确定端电压的相位［10］。由 iq、id、if构成的电流模型磁链观测器结构如图1所示。

图1 凸极同步电机磁链观测器结构图

图1中上半部分虚线框与发电机直轴方向磁链方程对应，方程为：

其中，φDdl为阻尼绕组产生的直轴磁链，φDd为由阻尼绕组和主磁链φad产生的合成磁链，iμd为直轴磁化电流，iμq为交轴磁化电流，id为直轴电枢反应电流，if为激磁电流，iDd为阻尼电流。

图1中下半部分虚线框与发电机交轴方向磁链方程对应，方程为：

其中，φDql为阻尼绕组产生的q轴磁链，φDq为由阻尼绕组和主磁链φaq产生的合成磁链，iμq为q轴磁化电流，iq为q轴电枢反应电流，iDq为阻尼电流。图1中VA符合以下计算公式：

根据磁链观测器，可以得出功角δ的大小，同时由凸极同步发电机矢量图可知，M轴距D轴方向为γ－δ，而γ已通过STF状态估计得到，D轴与a相绕组轴线重合［11］。

军用移动电站大多采用电子调速方式，其结构如图2所示。

图2 电站转速传感器结构图

通过记录飞轮上相邻两齿经过转速传感器的时间，可以计算出军用电站的实时转速ω。军用电站起励发电后，利用其采集得到的发电机端电压和转速传感器采集到的高频转速信号，可以确定定子绕组和飞轮齿圈之间的位置关系［12］。

在数字处理器ROM中预留一段空间，并在其中构成一个标准正弦波列表，根据STF的磁链观测所得中间状态变量数值动态提取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。由于基于STF磁链观测的过程是时刻进行的，因此形成的标准正弦波是一个与外部输出电压同频率、同相位的动态波基准［13］。将发电机端电压与此基准电压进行比较，并采用交流跟踪励磁的控制算法进行励磁控制，会明显改变传统励磁控制由于采集电路存在延时而引起控制滞后的缺点，控制系统的工作原理框图如图3所示。

图3 基于STF交流跟踪励磁控制框图

5 试验结果分析

以某电力系统为例，其参数设置如下：xS＝0.18p.u.，xd＝1.305p.u.，x′d＝0.296p.u.，x″d＝0.252p.u.，xq＝0.474p.u.，x″q＝0.243p.u.，T′d0＝1.01s，T″d0＝0.053s，T″q＝0.1s。对该系统基于 STF 算法得到估计值，其仿真图如图4所示，并进行磁链观测，从而得到状态值。

图4 STF算法的状态估计

图5 功角实测值与估算值比较

通过仿真试验结果分析可知：基于STF算法估测的电力系统参数和实测值较为接近（如图5所示），图中的实测值在观测值曲线的下端，虽然有一定的差值，但是角度相差均在1度以内；在交流跟踪过程中，可根据发电机转子齿轮数180查找基准值，因其正弦值影响不大，故可以根据以上结果对所测数据组进行比较，取最小数作为估测值，这样就可以减少控制误差。图5中转子角度的估测值和实测值基本一致，由此验证了STF算法和磁链观测法的可行性。

［1］杨润生，邵天章.高射炮系统移动电站结构原理与维修［M］.石家庄：军械学院出版社，2003.

［2］谷志峰，朱长青，邵天章，等.基于气隙磁场定向的无传感器交流跟踪励磁控制［J］.电力自动化设备，2011.31（10）：52－56.

［3］陈 珩.同步电机运行基本原理与计算机算法［M］.北京：水利电力出版社，1992.75－115.

［4］张风营，朱守真.基于强跟踪滤波器的自适应励磁控制器［J］.中国电机工程学报，2005，（23）：31－35.

［5］余向阳.自适应积分逆推滑模励磁控制研究［J］.中国电机工程学报，2009，（10）：74－77.

［6］张勇军，王 京，李华德.基于遗传算法优化的定子磁链扩展卡尔曼估计方法［J］.电工技术学报，2009，（9）：64－70.

［7］陆 可，肖 建.基于STF算法的感应电机状态估计和参数辨识［A］.2008全国博士生学术论坛电气工程论文集［C］.2008.1240－1247.

［8］霍承祥，刘 取，刘增煌.励磁系统附加调差对发电机阻尼特性影响的机制分析及试验［J］.电网技术，2011.35（10）：59－64.

［9］马 帅，赵仁德，吴晓波.基于强跟踪滤波器的单相电压基波相位实时提取［J］.中国电机工程学报，2012.32（28）：83－89.

［10］E.P.T.Cari，L.F.C.Alberto，A.C.P.Martins，N.G.Bretas.A methodology for the estimation of synchronous generator and excitation system parameters［J］.IEEE，2006：1－6.

［11］陈晓静，李开成，张 明，等.基于强跟踪滤波器的电压暂降检测［J］.高电压技术，2015.41（10）：3454－3463.

［12］赵仁德，马 帅，李海舰，吴晓波.基于强跟踪滤波器的电力系统频率测量算法［J］.电力系统保护与控制，2013.41（7）：85－90.

［13］秦晓辉，毕天姝，杨奇逊.基于WAMS的电力系统机电暂态过程动态状态估计［J］.中国电机工程学报，2008，28（7）：19－25.

Research on strategies of AC tracking excitation control based on STF algorithm

WANG Yu－tong，SHAO Tian－zhang，GU Zhi－feng
（Electric Power Engineering Teaching and Research Section，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Through the establishment of the nonlinear mathematical model for the synchronous generators of the mobile power station，the AC tracking excitation control strategies based on STF algorithm are presented，which can effectively suppress the disturbance of the system and can realize the on－line estimation for the system status.By the observation of the generator model parameters，the theoretical analysis of the AC tracking excitation control strategies，the experimental simulations and the comparisons with the traditional excitation control strategies，the superiority of the AC tracking excitation control strategy based on the STF algorithm is verified.

mobile power station；excitation control；STF；AC tracking

TM331；TP273

A

1005—7277（2017）03—0005—04

＊国家自然科学基金项目（51407196）

王玉同（1993－），男，山东广饶人，硕士研究生，专业方向为军用电站综合控制技术研究。

2017－01－04