同步发电机励磁控制教学中的Matlab/simulink应用实例

范程华 张忠祥 鲁世斌

摘要：同步发电机励磁控制系统是《电机控制技术》课程的重要部分，其中PID励磁调节器的设计在教学中具有承前启后的作用。本文以135MW汽轮发电机为例，介绍了一种基于积分分离PID励磁调节器的设计方法，并采用simulink搭建了电力系统模型。仿真孤网运行并模拟故障，结果表明该励磁控制器能有效提高电力系统的动态稳定性。控制器的设计过程有助于学生理解PID调节器的控制方式，对后续课程设计具有一定指导意义。

关键词：同步发电机;PID控制;励磁调节器;系统仿真

中图分类号：G64       文献标识码：A

文章编号：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

《电机控制技术》课程中同步发电机励磁调节器的控制规律通常有PID励磁控制、线性最优控制、自适应励磁控制和非线性励磁控制等[1]。其中PID励磁控制是本科教学阶段的重要内容之一，在工程实际中也得到了广泛的应用[2]。当发电机并电网运行时，一旦其电压频率有波动，电网会自发地通过自己的能力將频率电压拉回适应的范围，如果没有电网，发电机只能靠调节励磁系统以调节发电机的频率电压[3]。本文以135MW汽轮发电机孤网运行时负载对电力系统的电压频率要求为例，介绍了一种PID励磁调节器的设计方法，并通过Matlab/simulink搭建电力系统模型进行系统稳定性仿真，帮助学生理解PID控制规律及控制器设计步骤、方法。

2 同步发电机闭环控制系统设计

选取额定容量180MVA、额定功率135MW汽轮发电机为例，其输出线电压为13.8KV，并通过升压变压器接于110kV供电母线上，且不具备孤网运行条件。要求设计一基于PID的励磁调节器，使其实现孤网运行的可能性。

设计思路是首先根据励磁PID控制原理设计控制系统结构图，然后选择PID调节器、建立单机无穷大系统模型，最后模拟运行故障。由于PID励磁调节器的输入是测得的励磁电流、定子电压、有功及无功功率[4]，其输出是控制晶闸管导通角从而控制励磁电压的原理得到系统结构如图1。

3 调节器设计及系统仿真

3.1 PID控制器设计

3.1.1 积分分离PID控制方式的实现

在常规PID控制算法中，由于积分系数ki是常数，所以在整个控制过程中，积分增量是不变的。但是，系统对于积分项的要求是，系统偏差大时，积分作用应该减弱或是暂时取消积分作用。而在偏差小时，应该加强积分作用。在实际应用中可以发现积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了系统响应的调节时间会变长，这样在算法实现时可以考虑根据系统的偏差大小决定是否引入积分作用，从而可以采取积分分离方法，当被控量与设定值偏差超过设定值时，取消积分作用。在设定值范围内时，引入积分控制，以消除静态误差，提高控制精度[5]。采用Simulink模拟积分分离PID算法如图2，原理是当偏差在由subsystem设定值范围内时采用积分常数gain1，否则采用gain2。目的是使得系统在受扰动后超调小且能快速实现稳定运行。抗积分饱和算法由saturation模拟，设定上下限为（-1，1）。

3.1.2 励磁调节器设计

调节器采用恒压励磁方式设计，在Simulink中实现如图3。Vd、Vq为发电机端电压d轴和q轴分量的标幺值，由函数功能模块转换为端电压标幺值并通过低通滤波器输出，与给定值比较结果作为PID控制的输入。

3.2 同步发电机及励磁系统模型

3.2.1 单机无穷大系统模拟

为了能与单机带负荷时所设计的励磁调节器工作性能有所对比，首先建立单机无穷大系统模型[6]，研究所设计励磁调节器工作时系统的暂态稳定性[7]。Simulink系统结构如图4，三相同步发电机采用Synchronous Machine pu Standard模块[8]， Steam Turbine and Governor模块用于模拟汽轮机，发电机输出线电压为13.8KV，并通过升压变压器接于110kV供电母线上，变压器两侧各有一负载，额定功率分别为5MW和10MW。Three-Phase Fault模块用于模拟三相对地短路，示波器可观测发电机组各相输出电压波形的变化，当0.1s发生三相对地短路而0.2s故障排除时A相电压波形如图6，图5为系统正常工作时A相电压波形。

3.2.2 单机带负荷系统模拟

当汽轮机组孤网运行时其电压、频率、转速会根据负荷的变化而不稳定，电源品质变差[9]。在大负荷变动情况下，负荷对汽机冲击很大，长期运行会造成汽机调速器损坏，甚至冲垮汽机正常工作状态。这就要求励磁系统能根据负荷变化而使得发电机输出电压、频率迅速稳定[10]。图7、图8分别给出了应用所设计的励磁控制器前后模拟单机带负荷时三相对地短路的A相电压波形。

4 仿真结果分析

从图5及图6可以看出在单机无穷大系统中应用了本研究所设计的励磁控制器后，若发生三相对地短路（0.1s发生短路而0.2s故障排除）在故障排除后能很快恢复正常运行。在图7 及图8中分别模拟的是单机带负荷时未接入及接入PID励磁调节器三相对地短路（0.1s发生短路而0.2s故障排除）时A相电压波形图，可以很清晰看出在未接入励磁调节器时系统在故障排除后电压不能恢复正常运行，始终低于设定值。而在接入励磁调节器后基本能达到单机无穷大系统运行时的效果。通过上述分析可看出，本文实例介绍的135MW汽轮发电机组励磁控制器能达到设计目的，能有效提高同步发电机运行的稳定性，对学生在后期进行课程设计等具有一定指导意义。

参考文献：

[1] 赵磊.中央空调智能控制系统在公用建筑节能中的应用[J].环境保护与循环经济，2011（5）：57-60.

[1] 韩英铎， 谢小荣. 同步发电机励磁控制研究的现状与走向[J]. 清华大学学报（自然科学版）， 2001， 41（Z1）：142-146.

[2] 王平，陈根军，姬源，等.同步发電机励磁系统的Tabu搜索PID控制[J].大电机技术， 2018（3）：61-65.

[3] Kundur ，Paserba ，Ajjarapu ，et al. Definition and lassification of power system stability[J].IEEE rans on ower Systems， 2004， 19（2）： 1387-1401.

[4] 吴廷强，阎昌国，罗德莲. 基于积分分离模糊PID的温度控制系统设计[J]. 西南大学学报（自然科学版）， 2017， 39（5）：185-189.

[5] 陶永华.新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2003.

[6] 于群，曹娜.Matlab/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011.

[7] 曾云， 沈祖诒， 曹林宁. 发电机单机无穷大系统动力学模型的理论研究[J]. 中国电机工程学报， 2008， 28（17）：138-143.

[8] 贾建强， 韩如成. 基于MATLAB/SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真[J]. 电机与控制学报， 2000， 4（2）：91-93.

[9] 张执超， 王增平， 蔡新红. 基于单机负荷模型的频率稳定分析[J]. 石河子大学学报（自然科学版）， 2012， 30（6）：771-775.

[10] 郭昊坤， 李建. 基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真与分析[J]. 科技广场， 2017（1）：68-71.

【通联编辑：王力】