电厂发电机励磁系统的节能控制模型仿真分析

李瑞

摘要：发电机的结构复杂，性能多样。但是，在同步发电机当中，有一种重要的系统，就是励磁系统，励磁系统在电厂发电机当中扮演了重要的角色，为将发电机应用于电力化行业中提供一定的基础和保障。励磁系统，是电厂发电机中的核心部件和重要部位。其中，励磁系统的节能特性，就是当前电厂发电机的一项重要功能，对于电力的发展，具有不可估量的作用和影响。因此研究发电机励磁系统的节能控制模型，具有重要意义。

关键词：电厂发电机;励磁系统;节能控制模型

一、励磁系统概述

所谓的励磁系统，就是提供励磁电流的电源或是一些重要的辅助设备。一般的励磁系统分为直流励磁系统、交流励磁系统等等。励磁系统在发电机中的功能强大。首先，励磁系统能够为发电机提供励磁电流，促进发电机正常工作的运行，其次，励磁系统还能够控制发电机的稳定性，为发电机的正常工作创造良好的条件。除了这些，励磁系统还具有一定的功率输出，这是电厂发电机工作的必要条件。

二、发电机励磁系统的节能控制原理探究

分析发电机励磁系统的工作原理，不难发现，其分为手动励磁电机和自动励磁电机，无论是哪一种电机，在其正常的工作活动当中，都需要将励磁机与其他系统进行一定的整合，得到交流电源或是直流电源。再经过一系列的系统调节和控制，最终实现励磁系统的工作。而针对于励磁系统的节能控制原理，主要是在励磁系统当中加上一些具有节能作用的结构和部件，或是通过当前发达的科学技术，在发电机励磁系统当中进行功率和工作热效应的调控，通过一些方法的采取，让励磁系统的节能控制得以凸显，促进发电机工作当中的节能。对于励磁系统的节能控制设计，目前在市场中的设计范围还比较小，人们对于发电机励磁系统的节能原理和节能功能，还没有一个深刻的意识。在当前的人类社会发展进程中，节能已经成为时代发展的重要选择，减少能源的消耗的无关浪费，已经成为社会各界的广泛关注。尤其是在电厂这样的电力领域，对于节能，有着更好的要求。设计出节能的发电机，让打发电机的基本节能功能得以展现，这在一定程度上预示着电厂成本的节约、工作效率的提高和经济效益的实现。实施发电机励磁系统的节能控制，这不仅是时代的要求，也是电厂发展和不断进步的呼唤。节能，是当下快节奏社会的要求，为了实现社会的可持续发展，进行励磁系统的节能设计，具有重要的指导意义。实现励磁系统的节能原理，需要付出大量的精力，需要相关人士的积极研究。

三、电厂发电机励磁系统的节能控制模型仿真分析

3.1节能控制模型输入输出变量的确定

输入输出变量的确定是电厂发电机励磁系统节能控制模型的基础和关键。因为励磁系统所消耗的能量基本上为电能，所以本节将电量作为励磁系统的输入变量值，用Os描述电磁系统设定电量值，用Oi描述电磁系统真实的测量值，求出的值和真实值之差用Ei进行描述，同时将其看作是模糊自适应控制器的一个输入量，Ei=Os-Oi（i=1，2，3，…），其中，i表示所构建节能控制模型的第i次的采样。通过不断的采样计算，把差值的变化量Eci看作是其中的一个输出量Eci=Ei-Ei-1（i=1，2，3，…）。上述2个输入量为模糊输入量。将励磁系统的电量控制量yi看作是节能控制模型的输出变量。

3.2模糊控制規则的设计

模糊控制规则为人工写入的，是模糊控制芯片

进行逻辑判断的理论依据，节能控制模型依据输入的偏差量和偏差变化量对输出量状态的改变进行判断。详细模糊控制规则如下。1）在偏差值为正大的情况下，如果偏差该变量亦为正，则此时相对额定值电量偏差是整数，同时有增长的趋势，为了防止偏差增长，恢复额定值，则控制量的取值取负大。2）在偏差值为正中的情况下，如果偏差变化量是负值，则当前偏差有降低的趋势，为了在控制超调量的同时满足额定电量，控制量的值取负中或者负小。3）在偏差值为正小的情况下，如果这时偏差变化量是负值，那么此刻相对额定电量偏差是正数，同时有降低的趋势，为了高效地达到额定值，控制量应取负小或者0。4）在偏差值为负大的情况下，如果此刻偏差变化量值为负值，为了避免偏差的出现，达到额定值，控制量值应取正大。

3.3励磁系统节能控制过程模糊推理

模糊控制规则设计好后，接下来就需要依据模糊控制规则和输入变量进行模糊推理获取节能控制模型的模糊输出量。本节通过极大极小值法实现励磁系统节能控制过程的模糊推理。其基本思想如下：针对存在的多个前提规则，通过模糊逻辑“与”和“或”的算法，取各前提的最小值或最大值为该规则的值，称作是该规则的力量。而前提的值为该命题的模糊逻辑值，即输入变量隶属于指定模糊子集的程度。针对存在多个结论的规则，所有结论的取值均为该规则的力量。该结论的值就是该结论的命题中输出变量隶属于指定模糊子集的程度。详细实现过程如下。如果模糊规则为Ai且Bi，则电容C的关系可描述如下：

式中：μAi为模糊规则Ai的电流值;μBi为模糊规则Bi的电流值。相反，如果模糊规则是Ai或Bi，则模糊推理可描述成：

其中，

也就是：

依据上述分析，模糊隶属函数可描述成：

式中：u为电压;uA′为模糊推理后的模糊规则A′的电压;uB′为模糊推理后的模糊规则B′的电压;uAi为模糊规则Ai的电压;uB′为模糊推理后的模糊规则B′的电压。

为了验证本文提出模型的有效性，进行相关的实验分析。实验将PID节能控制模型作为对比，通过matlab7.0仿真软件构建实验环境。电厂发电机励磁系统节能控制是一个非线性、多变量耦合的复杂对象，因此，需构建一个模拟环境进行仿真实验，试验后的对比图如下：

电厂发电机励磁系统节能控制实验环境为Pentium（R）4CPU，4.00UHz，500MB内存的PC机，将阶跃响应的优劣作为评价节能控制模型好坏的标准，跃阶响应曲线越平稳，控制效果越稳定。跃阶响应是指在单位阶跃信号u（t）的激励下产生的零状态响应，本文将电机励磁系统节能控制的跃阶响应阈值设定为0.95。在进行2种模型仿真结果比较实验时，采用本文模型对仿真励磁系统进行节能控制产生的超调量更小，和预期值更加吻合，整个控制过程的平稳性更高，而且本文模型所需的过渡时间更短，节能控制的性能明显优于PID节能控制模型。本文模型的控制误差曲线更加平稳，而且控制误差更低，本文模型充分体现出优良的节能控制性能。

四、总结

在现当代发达的电力产业当中，发电机充当了必不可少的角色。对于发电机的励磁系统节能控制，应该引起社会人士的广泛关注，积极进行仿真，寻找理论依据，最终实现其节能优势和作用。

参考文献：

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