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        同步發(fā)電機(jī)的模糊控制設(shè)計(jì)

        2010-02-26 10:51:40林小峰宋紹劍
        裝備制造技術(shù) 2010年4期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

        王 錦,林小峰,宋紹劍

        (廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西南寧530004)

        電力系統(tǒng)最基本也是最重要的特性是穩(wěn)定,要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全運(yùn)行,必須對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行有效控制。傳統(tǒng)的控制方法,是利用PID控制自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR,Automatic Voltage Regulator)和渦輪調(diào)速器(TG,Turbine Governor),達(dá)到對(duì)同步發(fā)電機(jī)的控制。這種方法大多數(shù)是建立在能夠很好描述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,但在最佳工作點(diǎn)以外的其他點(diǎn),發(fā)電機(jī)的性能會(huì)降低,因此需要尋找更好的控制方法。

        本文采用的模糊控制方法,應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)控制中,對(duì)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,其控制特性優(yōu)于傳統(tǒng)PID勵(lì)磁控制。

        1 模糊控制的基本原理

        模糊控制不需建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,控制靈活適應(yīng)性強(qiáng),實(shí)際被控對(duì)象的情況往往比較復(fù)雜,受外界各種因素的影響,建立數(shù)學(xué)模型比較困難;環(huán)境和被控量的變化,需要不斷對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行整定,使得控制品質(zhì)嚴(yán)重下降。模糊控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制,運(yùn)行速度和穩(wěn)定性良好,系統(tǒng)魯棒性及容錯(cuò)性好。

        模糊控制是一種非線性控制,已成為實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而又有效的形式。模糊控制是在總結(jié)人的控制行為,把人的控制行為規(guī)律用模糊語(yǔ)言固化為模糊控制規(guī)則,從而進(jìn)行控制的一種控制方式。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及混沌理論等新學(xué)科的相融合,正在顯示出其巨大的潛力。

        模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 模糊控制系統(tǒng)框圖

        模糊控制部分主要由以下4部分組成:

        (1)模糊化。這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量,其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。

        (2)知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)由數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫(kù)存放所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬函數(shù),向模糊推理提供數(shù)據(jù)。規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語(yǔ)言變量表示的一系列控制規(guī)則,反應(yīng)了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。

        (3)模糊推理。模糊推理是模糊控制的重要組成部分,它具有模擬人的推理過(guò)程的能力,模糊推理過(guò)程蘊(yùn)含模糊邏輯的關(guān)系。

        (4)清晰化。清晰化是將模糊推理得到的模糊量轉(zhuǎn)換為實(shí)際用于控制的清晰量。

        2 AVR模糊控制設(shè)計(jì)

        圖2 單機(jī)無(wú)窮大母線結(jié)構(gòu)圖

        單機(jī)無(wú)窮大母線電力系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、渦輪、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)和連接在無(wú)窮大母線上的傳輸線,如圖2所示。系統(tǒng)模型在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建,同步發(fā)電機(jī)為200 MVA、13.8 kV;三相傳輸線為 210 MVA,13.8 kV/230 kV;母線為10 000 MVA,230 kV;負(fù)載為 5 MW。

        圖2中,

        Re,Xe表示傳輸線參數(shù);

        △w表示角速度變化量;

        Um表示無(wú)窮大母線上的電壓;

        Vt表示發(fā)電機(jī)的端電壓;

        Vref表示端電壓參考值;

        Pref表示機(jī)械功率參考值;

        Pm表示渦輪輸出扭矩;

        Vfd表示發(fā)電機(jī)的場(chǎng)電壓。

        同步發(fā)電機(jī)渦輪的結(jié)構(gòu)和控制速度的傳統(tǒng)調(diào)速器的結(jié)構(gòu),如圖3所示。

        圖3 渦輪和調(diào)速器的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖

        傳統(tǒng)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu),如圖4所示。其中,

        Se=0.609 3*EXP(0.216 5*Vfa)。

        圖4 勵(lì)磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)圖

        這種用傳統(tǒng)PID控制AVR的方法,雖然有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、在最佳工作點(diǎn)附近具有良好的控制效果,但系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于PID各個(gè)參數(shù)的整定。

        本文設(shè)計(jì)的模糊控制有兩個(gè)輸入,分別是線電壓偏差量△V(t)和線電壓偏差變化量△E(t)=△V(t)-△V(t-1)。

        系統(tǒng)中△E(t)能夠更快更準(zhǔn)確的響應(yīng)擾動(dòng),只需要得到△E(t)的正負(fù)值。即

        △V(t)={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},△E(t)={N,Z,P}。

        模糊規(guī)則庫(kù)的制定原則如下:

        (1)當(dāng)(△V(t)>0,△E(t)<0)時(shí),系統(tǒng)輸出趨向穩(wěn)態(tài)值的速度越快越好,即應(yīng)盡快消除電壓偏差,應(yīng)當(dāng)減弱勵(lì)磁控制,加強(qiáng)調(diào)速控制。

        (2)當(dāng)(△V(t)<0,△E(t)>0)時(shí),電壓偏差開始減少,系統(tǒng)逐漸趨向穩(wěn)態(tài),應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)勵(lì)磁的控制作用,減小調(diào)速控制。

        (3)當(dāng)(△V(t)=0)時(shí),系統(tǒng)的電壓沒有偏差,所以勵(lì)磁和調(diào)速的控制均不變。

        按上述規(guī)則制定的模糊數(shù)據(jù)庫(kù)如表1所示。

        表1 模糊數(shù)據(jù)庫(kù)

        模糊輸入變量選用高斯隸屬函數(shù)(Gaussian membership functions)。其隸屬函數(shù)分布如圖5所示。

        圖5 △V(t)和△E(t)的隸屬函數(shù)

        3 仿真

        仿真實(shí)驗(yàn)在Matlab/Simulink中進(jìn)行,在所搭建的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)模型中,相關(guān)傳遞函數(shù)的參數(shù)Kg=0.05;F=0.322;Tg1=0.264 s;Tg2=0.0264 s;Tg3=0.15 s;Tg4=0.594 s;Tg5=2.662 s;Tv1=0.616 s;Tv2=2.266 s;Tv3=0.189 s;Tv4=0.039 s;Tv5=0.023 5 s。

        仿真過(guò)程主要進(jìn)行了單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)控制器性能的比較,系統(tǒng)突然發(fā)生三相短路,0.1 s后切除。模糊控制和傳統(tǒng)PID控制效果如圖6和圖7所示。

        圖6 三相短路時(shí)端電壓的控制效果

        圖7 三相短路時(shí)角速度變化的控制效果

        圖6中實(shí)線部分為模糊控制的控制效果,虛線部分為傳統(tǒng)PID的控制效果。如圖6所示,發(fā)電機(jī)端電壓迅速下降,三相短路故障持續(xù)0.1 s后切除,采用模糊控制的發(fā)電機(jī)端電壓比采用傳統(tǒng)PID控制的發(fā)電機(jī)端電壓反應(yīng)速度更快。

        圖7中實(shí)線部分為模糊控制的控制效果,虛線部分為傳統(tǒng)PID的控制效果。如圖7所示,發(fā)電機(jī)的角速度發(fā)生變化,三相短路故障持續(xù)0.1 s后切除,模糊控制能夠使角速度變化量更快地回到零點(diǎn),使系統(tǒng)穩(wěn)定。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文利用模糊控制對(duì)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制,具有良好的勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性。模糊控制取代傳統(tǒng)PID控制,可以有效地提高電力系統(tǒng)響應(yīng)速度。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以看出,在單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)中,對(duì)于采用模糊控制的同步發(fā)電機(jī),可以達(dá)到優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的效果,具有良好的前景。

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