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1、2012届电气工程与自动化专业毕业设计（外文翻译）基于稳定性和电压精度协调控制的新型模糊励磁调节器Hen gxu Zhang , Chunyi wang , Ning zha ngJian Zuo , Dawei Fan , Student Members ,IEEE摘 要：在保持比例积分微分（PID）励磁调节器优良电压调节特性的基础上，部分采取 线性最优控制理论设计附加励磁调节通道，并通过一模糊控制器动态协调电压调节通道 和附加调节通道的作用权重，设计了一种新型模糊励磁调节器。分析了电力系统各种典 型运行状态及其对励磁调节的要求，总结了不同状态下电压和稳定的协调控制策略，以 期对电压调节和增
2、强阻尼进行动态协调。数值仿真结果表明，该新型励磁调节器在稳态 时具有同PID 一样高的电压调节精度，动态过程中则能明显提高系统阻尼特性，具有满 意的控制效果，并对系统工况变化具有一定适应性。关键词：电力系统；励磁调节器；模糊控制；协调控制12012届电气工程与自动化专业毕业设计(外文翻译)本文将比例积分微分(PID)控制理论、线性最优控制理论与模糊控制理论相结合设 计了一种新型模糊励磁调节器 FLEC( Fuzzy Logic ExcitationControl):电压调节通道和附加调节通道的初始整定仍基于常规数学方法，而由一模糊控制器根据系统工况动态 调整电压调节通道与附加调节通道的作用权重
3、，以在保持良好稳态电压调节精度情况下，增加系统阻尼特性，提高动态稳定水平，并对工况变化具有一定的鲁棒性。1新型励磁控制器结构设计1.1控制变量选择励磁控制系统通常可用图1表示，其中为机端电压与参考值的偏差，附加信号可能包括转速偏差、转速偏差的变化率以及有功功率偏差等。图1励磁系统示意图在励磁控制系统设计中，电压调节通道和附加励磁调节通道的处理方式是决定调节 性能的关键因素。PID调节器具有优良的电压调节性能和较高的稳态电压调节精度，但无法为系统动态过程提供足够阻尼。常规电力系统稳定器(PSS在设计中把电压调节通道确认为主调节通道，并考虑了电压调节通道对动态稳定性的不利影响，结果既保证了电 压调
4、节的要求，又在一定范围内提高了动态稳定水平；但在参数整定方面的困难、较差 的鲁棒性和多机协调方面的不足限制了其发挥最佳效果。线性最优励磁控制器 LOEC(L in ear Optimal Excitation Co ntroller)在设计中没有确定电压调节通道的主导地位，只以权系数方式予以考虑，其结果虽然能满足动态稳定性的要求，但并不能很好 地满足电压调节的要求。通过改进电压调节通道和附加励磁调节通道的作用方式提高励磁调节器的性能是本 文的研究重点。鉴于PID控制方式的优异性能，电压调节通道仍采用以电压偏差为反馈 量的PID调节方式；附加信号采用和，增益采用LOEC整定；并由一模糊控制器根据
5、系统状态动态协调电压调节通道和附加调节通道的作用权重。为了反映当前系统 状态，模糊控制器的输入变量选为、 和 ，输出变量为电压调节通道的权系数和附加励磁调节通道的权系数。1.2电压调节通道设计如前所述，励磁调节器最主要、最基本的任务维持发电机电压水平，此功能是通过 电压调节通道实现。为最大限度抑制电压波动，提高电压调节精度，该新型励磁调节器的电压调节通道仍以PID方式设计，即U (s)=KPE (s) +KiE (s) /s+K0E (s)s (1)式中为比例放大倍数；为积分系数；为微分系数。1.3附加励磁调节通道设计附加励磁调节通道的作用是为系统提供阻尼，改善系统的动态稳定性。设计中以、为输
6、入变量，使系数由线性最优控制理论确定。线性最优控制是比较成熟的现代控制技术，把它用于发电机励磁控制时，是将系统 中可测量的状态量和非状态量适当地组合起来，根据变量偏差最小和控制代价最小(或 适当)的原则，求得控制变量的一种控制方式。通过适当变换和简化，可得到单击-无穷大母线系统在某状态点线性化后的三阶方程 组：X=AX+BU(2)X = Ag AU 口 U = AE 紀B = I RE - /Tdo > 0, R E /(Td0 Ry)sEsvSE- RySeT；SvTdSvAHD0HSe SvSE，一 Sv-SHt；RvSvRvJ Sv式中X为状态向量；A为系统矩阵；B为控制矩阵；U为
7、控制量；为定子闭路励磁绕F组时间常数；为定子开路励磁绕组时间常数。对于凸极机s产电丄cos &化殛一沁COS2 6对于隐极机S讦瓦豆cos 632012届电气工程与自动化专业毕业设计（外文翻译）于伟华：电力系统中新型智能协调控制器的研究 无论对于凸极机或隐极机有ReE U cosxdvsin ©x匹ReR * dU t /dE cos 2 5XdYXqVRe，二耳 sin 5Xdvd o#2012届电气工程与自动化专业毕业设计（外文翻译）#2012届电气工程与自动化专业毕业设计（外文翻译）为无穷大母线电压；冠爲二分别为d轴、q轴同步电抗之和;“为发电机内电势X吃为d轴暂态式中
8、分别为q轴电势与暂态电势;与极端电压的相角差；电抗之和。发电机模型的线性化详细推导过程见文献 。在设计中规定二次型性能指标为i f *ij = (XTQ X+UTRU)dt=Xh (3)z o式中'J二"龙唸【Jr Q阶匚J，为3乂 3阶对角矩阵。由最优控制理论可知最优反馈增益矩阵为K 二R"B叩(4)此处p是下述黎卡梯方程的解。ArP + PA -PBRB+Q =0(5)解方程(5)求出矩阵P,便可求得最优反馈向量为K = KP, K KjT(6)由此得到最优控制量U= AE-Kp APe-KwAcKu AUt(7)K Ifjy-j j.其中八"为附加调
9、节通道的系数。1.4新型模糊励磁调节器整体结构电压调节通道输入量为，附加调节通道输入量为和，模糊控制模块输入量为和，输出量为两通道的权系数。新型模糊励磁控制器结构如图2所示。励磁功辜单元励磁电压>图2新型模糊励磁控制器结构示意图2模糊控制器设计2.1协调控制规则在运行中，当电压偏差较大时，控制器的主要任务是尽快消除误差，此时应给予电 压调节通道较大的作用权重。模糊调节模块的功能是根据系统运行工况，自动调整调节 通道权系数K1、K2,从而协调电压调节通道和附加控制通道在整个励磁控制中的作用。 在文献7-10基础上，进一步分析、总结两控制通道间的协调控制规则如下：a. 在稳态时，各状态量都在
10、允许范围内，此时主要任务是维持电压水平和提高电压调节精度，因此电压调节通道应正常工作，附加控制作用应减小或取消；b. 在小干扰时，一般各变量偏差不会太大，此时主要任务是增大系统阻尼，尽快平息振荡，因此应增大附加控制的作用；c. 在大干扰后的短时间内，由于电压波动很大，处于系统安全性考虑，此时控制重点应 是使发电机机端电压尽快恢复到要求范围之内，为使附加控制输出不过多地影响发电 机的电压调节，此时电压调节通道应充分发挥作用，应限制附加控制输出；d. 在大干扰后的动态过程中，电压恢复到安全要求范围之内后，此时控制重点应是为系 统提供足够的阻尼，使功率及频率振荡尽快平息，此时应充分发挥附加控制的作用
11、。2.2模糊控制规则设计模糊控制规则是设计模糊控制器的关键，一般包括3部分内容：选择描述输入、输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集和建立模糊控制器的控制规则。2.2.1输入、输出变量词集一般选择“大、中、小” 3个词汇描述模糊控制器的输入、输出变量的量化信息；附 以正、负2个方向并考虑变量的零状态，共有 7个词汇，即负大，负中，负小，零，正小，正中，正大 用英文字母表示为NB,NM,NS,O,PS,PM,PB在此，二凶；.二：；的词集选择都如上所述。K1、K2为2个控制通道的动态作 用权重，无负值要求：零，正小小，正小，正小中，正中，正中大，正大 用英文字母表示为O,PSS,PS,PSM,
12、PM,PMB,PB描述输入、输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合表示。因此，模糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。222输入、输出变量论域把模糊控制器的输入、输出变量变化的实际范围称为这些变量的基本论域。显然， 基本论域内的量为精确量。由于变量变化区间往往不能精确确定，因而有时需要把实际 变化区间映射到一合适的闭区间上，以方便计算和控制。根据规程规定，正常运行时一般电压允许偏差为土10%频率允许偏差为土 1%在此取发电机端电压偏差论域为-0.15,0.15, 如果 >0.15或<-0.15，分别按0.15和-0.15处理；取有功功率偏差的论域为-0.30,
13、0.30,如果 >0.30或<-0.30,分别按0.30和-0.30处理；取发电机转子电气角速度偏差论域为-0.015,0.015,如果 >0.015或<-0.015，分别按0.015和-0.015处理。以上各变量均为标幺值。取 模糊控制模块的输出变量，即电压调节通道的权系数K1和附加励磁调节通道权系数 K2的论域均为0.0,1.5。为确保模糊集能较好地覆盖论域，避免出现失控现象，按照模糊集论域中所含元素 个数为模糊语言词集总数的2倍以上的原则，在此取变量的模糊子集的论域均为-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,234,5,6,7输出变量K1、K2模糊子集的
14、论域均取为0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,132.2.3各模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确定的隶 属函数曲线离散化，得到有限个点上的隶属度便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。由于模糊子集直接由隶属函数曲线确定，因此隶属函数曲线的形状不同会导致不同 的控制特性。本模糊控制器的设计中，采用的是三角形和梯形隶属函数曲线，并且曲线距离原点 越近（误差越小）曲线越陡（分辨率越高），距离原点越远（误差越大）曲线越缓（分辨 率越低）。由于变量芒凹*肚加所取得词集和模糊子集论域完全相同，在确定模糊子集时，其隶属函数曲线也相同，如图
15、 3所示；K1、K2的隶属函数曲线如图4所示（图 中横坐标M为模糊变量值，L为隶属度）。2.2.4模糊控制规则基于上述协调控制规则和输入、输出变量的模糊化处理过程，制定了模糊控制规则 集。限于篇幅，仅列出较有代表性的少数规则。NB NM NS 0 PS IJM PB0-7-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7M图3输入变量的隶属函数曲线图4输出变量的隶属函数曲线规则1类稳态时附加控制退出IF=0 AND=0 AND=0 THEN K1=PM,K2=0规则2类 大干扰或故障后的短时间内减小附加控制作用以保证电压调节特性。IIIIF=PB AND=PB AND=PS T
16、HEN K1=PB,K2=PMIF=PB AND=PM AN=PS THEN K仁PB,K2=PSS规则3类小干扰时增大附加控制作用toIF=PS AN=PS AN=PS THEN K1=PM,K2=PMBIF=0 AND=PM AN=PM THEN K1=PSS,K2=PMB由于本文中模糊控制器只需考虑各输入量偏离给定值的程度，因此只需考虑各变量偏差的绝对值，这就把模糊控制规则由7X 7X 7=343条语句简化为4X4X4=64条语句,减轻了控制过程的运算量3数字仿真仿真采用的系统如图5所示，发电机经升压变压器、双回线向无穷大系统送电，忽略线路电阻。其中旳 为定子绕组开路时励磁绕组暂态时间常
17、数（ 旳=5.0 ），“为发电机d轴暂态电抗（'=0.13 ）， X为变压器电抗（'=0.1 ），x1、x2分别为2条线路的电抗（x1=x2=0.4），以上均为标幺值。在发电机上分别装设 PID、LOEC以 FLEC控72012届电气工程与自动化专业毕业设计（外文翻译）制规律的励磁调节器，考察它们对电压调节特性及对系统稳定性的不同影响。分别做2种扰动情况下的对比实验。a.扰动A:参考电压有+10%勺跳变（见图6、7）。b扰动B:变压器高压侧一回出线首端发生 0.2s三相短路故障, 序为0.5s发生故障，故障后跳三相；故障时8 9）。0.7s切除故障线路，单回线运行（见图9201
18、2届电气工程与自动化专业毕业设计（外文翻译） 图8扰动B时机端电压响应曲线图9扰动B时发电机功角响应曲线从仿真结果可以看出，通过模糊控制模块动态协调电压调节通道和附加调节通道的 作用，优化了两者的控制效果，使其具有更强的抑制系统振荡的能力，并较LOEC具有更好的电压调节性能，在更大程度上保证了系统的安全运行。4结论本文基于常规励磁控制方法与模糊控制理论，设计了一种根据系统状态动态调整电 压调节通道与附加调节通道作用权重的新型励磁调节器。该励磁控制器由3部分组成：以PID方法为基础设计的电压调节通道，以 LOEC为基础设计的附加调节通道，以及两者 的模糊协调控制模块。该控制器既保留了以精确数学模型解析结构为基础的控制方法具有较强针对性、在 一定范围内控制性能好的特点，又用具有较强适应性的模糊控制技术在一定程度上改善 了传统控制方法在系统运行状态改变或系统结构变化时具有较差适应性的不足，当系统 运行状态改变时，该控制器能够根据运行工况自动调整电压调节通道和附加励磁调节通 道的作用权重，通过两通道的动态协调提高控制性能，具有自适应能力和较强的鲁棒性。仿真结果表明了所述方法的有效性，该新型励磁控制器在动态过程中能明显提高系统阻 尼特性，在稳态时又具有同PID 一样高的电压调节精度，具有满意的控制效果。#