1、本科毕业设计（论文）基于 PLC 的发电机励磁调节实验装置研究-仿真分析学 院 自动化学院 专 业 电气工程及其自动化 （电力系统自动化方向) 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 年 月摘要发电机励磁控制系统是电力系统的重要组成部分，在电力系统正常运行情况下，发电机的励磁控制能够起到减小电压波动、平衡无功功率分配的作用。当系统发生故障时，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降，此时要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。由此可见，励磁控制对整个电力系统的运行具有决定性的意义。本文把模糊控制和传统的 PID 控制相结合，综合应用于发电机的非线性控制设计中，提出了一种新的励
2、磁控制方案。本文首先研究分析了同步发电机及其励磁控制系统的模型，根据研究需要修改了同步电机的仿真模型，详细地介绍了励磁系统的检测单元、控制单元和励磁系统主回路模型。接着在分析和总结传统 PID 控制方式的利与弊的基础上，结合模糊算法，设计出模糊 PID 控制器。在 Matlab/Simulink 仿真平台上，模拟负荷突变情况，调试合适的 PID 参数，对输出的机端电压进行分析并得出相关结论。证明了模糊 PID 励磁控制方式具有优良的动态响应和静态效果，并且具有较强的鲁棒性和自适应能力，在系统扰动的情况下能较好的维持发电机的机端电压。关键词：PID，模糊控制，励磁系统，Matlab/Simuli
3、nk 仿真，电力系统AbstractGenerator excitation control system is an important part of the power system. When the power system is stable, the generator excitation control can play to reduce the voltage fluctuations, balance reactive power assigned. When the system fails, generator terminal voltage reduction
4、will lead to reduction in the level of power system stability. This requires the generator excitation current increases rapidly in order to maintain the voltage level of the grid and stability. Thus, excitation controller is decisive significance for the entire power system. A new kinds of excitatio
5、n control scheme in which the fuzzy control and PID control is integrated to the design of the generator non-linear control is proposed in this dissertation.Firstly, this thesis studies the model of the synchronous generator and its excitation control system, modifies simulation model of the synchro
6、nous generator as needed, and introduces the detecting unit, control unit and main circuit model of excitation system in detail. Secondly, on the basis of analyzing and summarizing both advantages and disadvantages of traditional PID excitation controller, combined with fuzzy algorithm, fuzzy PID co
7、ntroller is designed. In the Matlab / Simulink simulation platform, terminal voltage of the output analysis and draw relevant conclusions by analog load mutation and commissioning suitable PID parameters. Its proved fuzzy PID excitation control mode has excellent dynamic response and static effects.
8、 It also has strong robustness and adaptive capacity. In the case of system disturbances it can better maintain the generator terminal voltage.Key words: PID, Fuzzy control, Excitation system, Matlab/Simulink simulation, Power system目 录1 绪论 .11.1 题目的背景和意义 .11.2 发电机励磁方式的发展历史 .11.3 主要研究内容 .42 发电机及其励磁控
9、制系统 .52.1 发电机励磁系统 .52.1.1 发电机励磁系统概述 .52.1.2 励磁系统的控制逻辑 .62.1.3 励磁控制系统的任务及作用 .72.1.4 励磁系统的分类 .72.2 同步发电机 .72.2.1 理想同步发电机 .72.2.2 同步发电机的基本方程 .82.2.3 Matlab 中同步发电机模型 .102.3 电压测量单元 .122.3.1 采样环节 .122.3.2 滤波环节 .132.4 励磁系统主回路模型 .143 励磁控制模块的设计 .153.1 PID 控制理论 .153.2 普通 PID 控制器的设计 .173.3 模糊控制理论 .183.3.1Mamda
10、ni 型模糊控制器的基本组成 .183.3.2 模糊化和清晰化 .203.3.3 模糊控制规则 .203.3.4 设计模糊控制器的主要步骤 .213.4 模糊 PID 控制器的设计 .213.4.1 模糊 PID 控制器基本结构 .213.4.2 模糊控制规则的确定 .223.4.3 模糊控制模块的 Matlab 实现 .244 Matlab/Simulink 系统模型的建立及仿真 .274.1 仿真平台 Matlab/Simulink 简介 .274.2 控制器对某一闭环回路的单位阶跃响应 .284.3 系统仿真模型 .304.4 各模块的选择和设置 .304.4.1 发电机模块 .304.
11、4.2 负荷与断路器模块 .324.4.3 电压测量模块与函数转换模块 .344.4.4 滤波环节 .354.4.5 模糊 PID 控制模块 .364.4.6 同步六脉冲发生器模块 .394.4.7 晶闸管整流电路 .404.4.8. limit 模块 .414.5 仿真算法的确定 .414.5 仿真结果分析 .44结 论 .49参考文献 .50致 谢 .5211 绪论1.1 题目的背景和意义随着电力工业的迅速发展，现代电力系统的规模越来越大，保证系统运行的可靠性和稳定性，提供优质的电能对国民经济和人民的生活水平的提高有着极为重要的作用和意义。为了提高系统运行的安全可靠性，必须配备足够的有功和
12、无功电源，发电机作为电力系统中唯一的能够发出有功功率的装置，其地位显得尤为重要。在电力系统正常运行情况下，发电机的励磁控制能够起到减小电压波动、平衡无功功率分配的作用。电力系统失去稳定时，发电机不能正常发电，用户不能正常用电，并引起系统运行参数的巨大变化，往往会造成大面积停电事故，给国民经济带来重大损失，所以提高电力系统运行的稳定性一直是人们关注的热点。发电机组的励磁控制因具有既可节约投资，又能在正常运行中减少电压和频率波动，改善动态品质和提高系统抗干扰能力等特点，而一直被看作是提高和改善电力系统稳定性的主要措施之一。它的优化和发展对发电机乃至整个电力系统的运行具有决定性的意义。而 PLC 自
13、身拥有的特点决定了用它来控制励磁是简便而高效的：（1） 系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID 回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，实现生产过程的综合自动化。（2） 使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。（3） 能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。因此本课题的研究是具有理论意义和实用价值的。1.2 发电机励磁方式的发展历史发电机励磁方式随着控制理论的发展而在不断的改进当中，其主要经过一下几个2阶段1
14、、古典励磁方式这种励磁方式以古典控制理论为基础，首先从单机系统的分析和研究开始，提出了按机端电压偏差调节的比例调节方式。由于比例调节方式是以电压调节为主的单一调节方式，不能很好的满足系统稳定以及稳态调压精度等多方面的要求，于是人们发展出了按电压偏差调节的 P(比例)、I(积分) 、D( 微分)调节方式。这种电压调节的方式基本功能是调节电压和分配无功功率，它在一定程度上提高了系统的静态和暂态稳定性，但是仍然无法有效地解决其在调节精度和稳定性之间的矛盾。电力系统采用快速励磁方式之后，系统出现阻尼特性恶化、低频震荡等现象，对于这些现象，比例调节和 PID 调节没有良好的控制效果，为了解决这一问题，D
15、emelfo 采用了古典励磁控制技术的相位补偿技术，提出了发电机的励磁附加控制技术：电力系统稳定器。这种励磁控制技术除了保留 PID 调节外还增加了一个发电机转速偏差、功率偏差或频率偏差作为输入信号的二阶超前校正环节，其作用是增加对电力系统机电震荡的阻尼，以增强电力系统的动态稳定性。PSS 在单机一无穷大系统中的应用己取得了良好的效果，能有效的抑制系统的震荡，提高系统的稳定性，因此在国内外都获得了广泛的应用。但是，PSS 在多机系统中还存在一些问题尚未解决。2. 线性多变量励磁控制方式随着现代控制理论和智能控制理论的发展，运用现代控制理论进行电力系统运行性能的最优化控制的研究工作有了迅速的发展
16、。1970 年初，一些学者提出了基于线性最优控制理论的线性最优励磁控制（LOEC） 。该控制器以发电机状态量为输入 ，eP， ，以发电机励磁绕组电压， 为输出，能够在设计运行点保证系统的最优tVfV运行。该控制方式不仅提高了远距离输电系统对振荡的抑制能力和微动态稳定极限，而且对系统的暂态稳定极限特别是对永久性故障下的暂态稳定极限也有所提高。自二十世纪八十年代以来，我国自行研制的线性最优励磁控制器已分别在碧口水电厂100MW 机组、刘家峡水电厂 225WM 机组以及白山水电厂 300MW 机组的大型发电机上投入了运行。但是，电力系统是一个统一的、元件间相互耦合的大系统，而 LOEC 设计是采用3
17、了局部线性化的方法，因而其鲁棒性和适应性差，当系统运行方式偏离设计点时，系统的动态特性和稳定性都会降低。3. 非线性多变量励磁控制以上所述两个阶段中的励磁控制方式，无论是 PID，PSS 或是 LOEC，都存在一个共同的问题，那就是励磁控制器设计所依据的是在电力系统某一特定状态(潮流)下近似线性化的数学模型。很明显，当系统实际的运行状态对于所选的平衡状态有较大偏差时，用这种方法所得的线性状态方程就会呈现较大的不准确性，实际运行点与设计中所选的平衡点之间的偏差越大，这种误差也就越大，其必然结果是，按这种近似线性化方法得出的数学模型设计的控制器，在系统运行状态远离设计中采用的平衡状态时，难以发挥应
18、有的作用，在某些情下，甚至会起相反的作用。其根本原因在于电力系统机电暂态过程中的稳定控制是一个典型的非线性控制问题。要真实地反映系统的运行工况，充分发挥励磁控制在暂态过程中的作用，励磁控制方式则必须以电力系统非线性控制模型为基础，使得控制问题更加真实地贴近工程实际。近年来，非线性控制系统研究方法的逐步建立，促使非线性励磁控制的研究方兴未艾，研究较多的包括几种：反馈线性化法，李雅普诺夫(Lyapllllov)函数法、鲁棒控制和鲁棒控制。4. 智能控制方式自适应控制在电力系统中的应用研究开始于 20 世纪 80 年代初，其目标是使控制系统自动跟踪被控系统在运行过程中发生的结构、参数等的动态变化，不
19、断修正控制器参数或者调节控制策略以达到最佳控制。由于自适应控制方法自身具有的特点，多年来人们一直重视其在电力系统中的应用研究。在电力系统励磁控制中，可以解决 PSS，LOEC 等方法存在的实际运行点离设计运行点偏移较大时控制效果变差的问题。目前，关于这种励磁控制方式的研究已了一批有意义的成果，大量研究表明自适应励磁控制方式的控制效果优于其它参数固定的励磁控制方式。自适应励磁控制方式存在的不足之处在于:需要在线辨识系统的参数变化，并用估计参数代替真实的参数，算法复杂，计算量过大。由于电力系统的电磁暂态过程变化很快，要求运算速度快，而自适应励磁控制方式的计算量过大导致的运算速度缓4慢使其在快速时变
20、电力系统中的实际应用还存在一定的困难。5. 智能励磁控制智能励磁控制方式包括了：人工神经网络控制、模糊控制、专家控制、以及基于遗传算法的控制等。他们的基本特点是不依赖于对象系统的精确数学模型，而是基于某种智能概模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，具有处理非线性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多方面的能力和优点。其中，智能技术既可以作为一种上层策略以实现在线或离线调整或优化原有非智能控制器的参数和/或结构，也可以作为一种底层控制规律来取代原有励磁控制的某一环节，实现特定的控制算法或映射关系。尽管这些智能励磁控制方式具有种种优点，但是目前智能型励磁控制方法大多尚停留在仿真计算阶段，少数应
21、用实例也仅是一些简单的实验性尝试，欲推广其应用，还有大量的理论和实际工作要做。拿模糊逻辑励磁控制来说，多变量模糊建模问题，模糊控制器的稳定性问题，以及实际应用中的软硬件环境和操作规范等，都有待于深入和细致的研究。6. 综合的励磁控制方式前面所提到的各种励磁控制方式都有各自的优点和不足，每种控制方式在解决某一方面的问题时有着良好的效果，但是往往在设计或控制过程中都有难以解决的问题。因此，如果将这些控制方法结合起来，最大限度的发挥这些控制方法的优点，并尽量避免它们的不足，将会把电系统的励磁控制推到一个全新的阶段，这种种综合控制方式，其优点相比于普通的单独控制方式来说，相当明显。综合控制可分为两个方
22、面：一方面，智能控制和现代控制理论的结合;另一方面，各种智能控制理论之间的交叉结合。目前在电力系统励磁控制中研究的热点是神经网络与专家系统的结合，模糊控制与专家系统的结合，神经网络与模糊控制的结合，遗传算法与它们之间的结合等等。虽然综合控制在励磁控制中的研究刚刚起步，但是可以看出，对于电力系统这个复杂的非线性大系统而言，综合控制有着巨大的发展潜力。总之，无论采用那种励磁方式，都是为了更好的改善励磁系统的动、静态特性，改善发电机的运行特性，使得电力系统安全经济运行。51.3 主要研究内容本文主要从以下几个方面来进行研究：（1） 了解发电机励磁控制的研究现状，了解同步发电机励磁控制系统在电力系统控
23、制中的重要作用，并分析现行励磁控制器设计理论和方法的优劣；（2） 学习模糊控制的相关知识； （3） 了解发电机励磁控制的原理和特点，包括: 同步发电机励磁控制系统的任务和对励磁系统的基本要求；（4） 在深入了解模糊控制理论特点的基础上，将模糊控制和传统 PID 控制相结合，提出基于 PLC 可编程控制器的设计方案；（5） 建立同步发电机励磁系统数学模型，包括同步发电机的传递函数、电压测量单元的传递函数、综合放大单元的传递函数、功率放大单元的传递函数和励磁控制系统的传递函数。（6） 设计模糊控制器，包括设计模糊控制器的结构、确定模糊规则以及在 Matlab中模糊控制模块的设置（7） 在 Matl
24、ab 上搭建系统仿真模型，合理设置模块参数输出波形及数据； （8） 对仿真结果进行分析，得出有价值的结论,为后期的硬件设计做准备。2 发电机及其励磁控制系统2.1 发电机励磁系统2.1.1 发电机励磁系统概述同步发电机的运行特性与它的空载电动势 值得大小有关，而 的值是发电qEqE机励磁电流 的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特EFI性。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图 2.1 所示。励磁控制单元向同步发电机转子提供直流电流，及励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。
