第34卷第6期 文章编号:1006—9348(2017)06—0222—05 计算机仿真 2017年06月 同步发电机励磁系统稳定性优化控制研究 林涛 ,徐庆国 ,轩倩倩 ,武孟贤 (1.河北工业大学控制科学与工程学院,天津300130; 2.河北工业大学计算机科学与软件学院,天津300401) 摘要:同步发电机励磁系统稳定性控制对提高电力系统安全性起着至关重要的作用。在励磁系统稳定性的优化控制过程 中,常规的励磁控制器虽然能够满足一定的静动态性能,但也存在响应速度慢、调节时间长以及稳定性差等问题。为了解决 上述问题,采用一种基于Adams预测的无模型励磁控制方法。上述方法融合了无模型控制自适应以及抗干扰的特性,同时 引入Adams预测控制进行超前预测弥补系统延时以及参数时变等缺陷。仿真结果表明,Adams—MFAC控制方法比常规 PID和基本MFAC控制方法具有更快的响应速度、更短的调节时间和更好的稳定性,说明了Adams—MFAC控制方法的有 效性。 关键词:无模型自适应控制;预测控制;阿当姆斯预测;励磁控制;同步发电机 中图分类号 ̄TP273 文献标识码:B Study on Optimal Control of Stability of Synchronous Generator Excitation System LIN Tao 1,2XU Qing—guo ,XUAN Qian—qian ,WU Meng—xian ,(1.Institute of Control Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China; 2.Institute of Computer Science and Software,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China) ABSTRACT:Stability control of synchronous generator excitation system plays an important role in improving the safety of power system.Conventional excitation controller has some problems such as slow response,long time and poor stability.In order to solve these problems,a model—free excitation control method based on Adams prediction is adopted.The method combines the adaptive and anti disturbance characteristics of model—free contro1.and intro— duces the Adams predictive control tO compensate the system delay and the time variation of the parameters.The sire— ulation results show that the Adams—MFAC control method has faster response,shorter adjustment time and better stability than the conventional PID and the basic MFAC control method.In addition,the validity of Adams—MFAC control method is illustrated. KEYWORDS:Model—free adaptive control;Predictive control; Adams forecast;Excitation control; Synchronous generator 控制。然而随着大容量发电机组、超远距离输电以及快速静 1 引言 同步发电机励磁控制性能的好坏对于电力系统的稳定 性和安全性起着至关重要的作用。在发电机励磁控制系统 中,目前最常见且最简单的控制方式仍然是采用常规的PID 止励磁方式的大规模应用,整个电力系统的阻尼特性不断降 低,如果依然坚持采用常规的PID控制方式,将会导致电力 系统出现低频振荡…。 近年来,随着先进控制理论研究的深入,一些智能控制 方法被引入到励磁系统控制中。文献[2]采用小脑神经网络 与PID并行控制的方式设计了飞机发电机励磁控制器。文 献[3]引入差分进化机理优化了PID控制的自动调压系统。 文献[4—5]采用模糊神经网络实现了励磁参数的自整定。 基金项目:天津市科技支撑项目(14ZCDZGX00818);天津市自然科学 基金重点项目(13JCzDJc34400) 收稿日期:2016—08—08修回日期:2016—08—16 ...——222...—— 文献[6—7]采用滑模变结构的控制方式实现对励磁系统控 制。文献[8—9]采用预测模型的方式实现对系统的超前 控制。 以上控制策略均对同步发电机励磁控制的发展起到了 良好的促进作用,但也存在一定的缺陷。如文献[2—5]控制 方法的实现均是基于已知的线性模型,未将励磁系统的非线 性考虑其中。滑模变结构控制由于切换面的不连续易于出 现“抖动”这一致命问题。本文经过对前人控制方法研究和 分析,考虑到励磁系统非线性、强时变以及强耦合的特点,将 Adams预测模型与无模型自适应控制(model—free adaptive control,MFAC)相结合应用到励磁系统控制中。MFACllO J作 为一种不依赖于被控对象数学模型的先进控制策略,其既具 有经典PID理论与现代控制理论的优点,又能实现对复杂非 线性系统的自适应控制。常规的预测控制普遍采用的是单 步预测,忽略了之前系统动态特性对控制过程的影响,模型 预测精度有待提高。将Adams_ l预测模型与MFAC相结合, 可以对系统输出进行多步超前预测弥补系统延时以及时变 等缺陷,从而有效提升整个系统的控制性能。仿真结果验证 了Adams—MFAC控制方法在励磁系统稳定性控制中的可行 性及有效性。 2发电机励磁控制系统原理 2.1控制原理 励磁控制系统的基本原理是根据同步发电机输出的电 压和电流变化以及其它设定的信息,按照事先规定的调节准 则控制功率励磁单元输出励磁电流。励磁电流的作用是供 给发电机转子绕组产生磁场,当系统处于空载状态时,控制 发电机的机端电压,当处于并网带负载状态时,改变励磁电 流的大小可以直接改变系统输出的有功功率和无功功率。 励磁控制系统的主要作用就是通过调节同步发电机励 磁电压使其输出的机端电压、转速以及功率等参数维持在设 定的相对稳定状态,从而满足电网的要求。本文以 [占,ot,E ]作为状态量,以如图1所示的单机无穷大系统做 仿真模型,同步发电机模型采用三阶数学模型,发电机通过 变压器以及输电线路与无穷大电网相连接。 图1发电机单机无穷大系统 图1中,G为同步发电机,U 为发电机的机端电压, 和 札分别表示变压器以及输电线路的总电抗, 为无穷大电 网处的母线电压。 2.2数学模型 单机无穷大系统的三阶微分表达式 为 一等 sin 6-百D( )(1) 一 + J ‘: l :E 一 , ld= 生 二_兰 生 ; (3) 式中:占为发电机功角;tO为转子角速度; 。为发电机稳态角 速度;P 为发电机机械功率;P 为发电机的电磁有功功率; 日为机械惯性常数;D为阻尼系数;E 为q轴暂态电动势; T =T∞x'd. ̄/X 表示发电机定子闭环时励磁绕组的时间常 数; 为发电机的励磁电压; 分别表示发电机d轴的 同步电抗以及暂态电抗; 为发电机q轴的同步电抗; = d+ + £, d.y= d+ r+ L,Xq2= 。+ + £。 将单机无穷大系统的数学模型(1)改写为仿射非线性 形式 fLy(t)=h( ( )~ ) ) g( ( ))u( (4) 式中,x(£)=【6,(c),E 】 ;u(£)=Es;h(X)=U = ; ㈩ =[。。 ] ; 一Oto O百)or 一百O)o s 占一百D( 一∞。) 一 T Ax d, 5 T ,d~口 .3 自适应励磁控制方法的设计 3.1无模型自适应控制 MFAC作为一种针对非线性系统的数据驱动型控制方 法,它的基本思想是采用一种新的动态线性化方法以及一个 被称为伪偏导(pseudo partial derivative,PPD)的新概念,在被 控闭环系统的每个动态工作点附近使用一系列基于I/O增 量形式的动态线性化数学模型来等价替换一般离散的非线 性系统,从实现非线性系统的自适应控制。考虑到励磁控制 系统的特点以及控制算法的计算复杂度,本文采用的是一种 紧格式动态线性化(compact form dynamic linearization, CFDL)模型 Ay(k+1)= (k)△Ⅱ(k) (5) ....——223...—— 其中, ( )为系统的PPD,并且对任意时刻的 均有界;△,, ( +1)=Y( +1)一y( ),Y( )为 时刻机端电压值;Au( +1)=“( +1)一“( ), ( )为 时刻控制器输出值。 及反馈校正三个环节。其中,模型预测的过程一般只强调预 测模型的功能,而不对其结构形式做过多要求。因此,预测 模型的建立既可以是状态方程、传递函数,也可以是脉冲响 3.1.1 MFAC的控制算法 为了避免控制算法产生过大的控制输入对励磁系统本 身造成破坏和消除稳态的跟踪误差。因此,采用如下控制输 入准则函数进行控制率的设计: J(M( ))=l y ( +1)一Y( +1)l + A}u( )一 (Jj}一1)l (6) 其中,Y ( +1)和Y( +1)分别是 +1时刻的励磁系统期 望输出的机端电压信号和实际输出电压信号;A>0作为一 个惩罚因子,用于限制控制输入。将式(5)代人式(6),并对 “( )求导,然后令其等于零,可得到如下控制算法 u( )=u( 一1)+ (y ( +1)一y( )) (7) 为了提高控制算法 ( )灵活度,使其更具一般性,添加 步长因子P∈(0,1]得到 u( )= ( 一1) (y ( +1)一y( )) (8) 3.1.2 PDD估计算法 为实现基于控制率(6)最小化而设计的控制算法(8), 需要已知的PPD参数值。考虑到励磁系统的数学模型未知 且PPD为系统时变参数,很难获得其精确值。因此,设计利 用被控系统的I/O数据实时在线估计系统PPD参数。同时, 为了避免参数估计值对个别时刻不准确的采样数据过于敏 感设计采用加权一步向前的估计准则函数 J( ( ))=l Y( )一Y( 一1)一 ( )△“( 一1)12+ l咖。( )一 。( 一1)12 (9) 其中,tx>0是对PPD估值变化量的惩罚因子。对式(9)求极 值后可以得到PPD的估计算法 。( )= ( 一1)+ (△y( )一 ( -1) △ ( 一1)) (10) 其中, 。( )=咖。(1), (1)为 ( )的初值。为了使PPD 估计算法(10)具有对时变参数更强的跟踪能力,引入算法重 置机制。即如果l咖 ( )1≤s或l“( )l≤ 或s/gn((b。( ))  ̄ssign(咖 (1)),则 ( )=“( 一1) — (y ( +1)一y( )) (11) 其中, ∈(0,1],Ix>0,p∈(0,1],A>0,s为一个充分小的 正数。 3.2 ADAMS预测算法 预测控制在实际系统控制中是除PID控制之外应用最 为广泛的控制方法。其主要包括模型预测、在线滚动优化以 ...——224...—— 应或者阶跃响应。对于本文采用的仿射非线性系统(5),预 测模型可以是状态空间方程,也可以是输出函数。其原理通 常是采用Taylor级数展开法对系统的状态方程或输出函数 展开后截尾得到预测模型。 考虑到常规预测方法仅能完成单步预测,即仅能利用前 一时刻的数据信息预测当前时刻信息,高阶的导数虽然可以 实现预测精度的提高,但是存在计算复杂以及计算量大等缺 点。因此,本文采用具有四阶精度的Adams预测法实现对系 统输出的预测。其以Adams四阶显式公式进行输出预测,以 Adams四阶隐式公式做校正,得到以下预测一校正公式: 预测P为 L P…=Y +音(5 一5 一l+37¨一 一3) (12) 修正预测P值 1<1 - P 一 (p 一c ) (13) 计算 m +l=,( +l,r凡 +1) (14) 校正C为 L c +l=Y + (9 m +1+19 一 1+ 一2) (15) 修正校正值 10 ,, c ( —Ck+1) ( 6) 计算 +1=_厂( ,Y㈨) (17) 式中P和c的初始值可取0。 3.3基于Adams预测MFAC复合控制系统结构 考虑到实际系统往往存在时滞性以及时变性问题,而无 模型控制理论和大多数控制方法一样是基于假设时滞已知 且是不变的,因此,很难获得良好的控制效果。本文采用Ad— am¥多步预测与MFAC相结合的方式来克服系统延时以及 系统时变等问题。也就是说,在MFAC的反馈回路中增加一 个Adams多步预测器,Adams预测控制以系统输出机端电压 作为采样信息,通过四阶显示公式预测与四阶隐式公式矫正 相结合,实现多步预测得到预测模型。然后,将预测值与给 定的期望机端电压进行比较,计算得偏差量传递给MFAC控 制器,得到系统新的超前控制率作用于被控对象,从而改善 无模型自适应控制的控制效果。基于Adams多步预测的 MFAC系统结构图如图2所示。 利用当前时刻k之前的4个连续的采样数据有Adams 多步预测算法求得 +1时刻的预测值Y ,使用预测误差 e( )=r( )一Y (18) 取代实际测量误差作为MFAC控制器的输入,MFAC控制器 的输出值U(k)为被控对象的输入。 图2基于Adams多步预测的MFAC系统结构图 4仿真研究 为了验证所设计的Adams—MFAC控制器在励磁系统稳 定性控制过程中的可行性及有效性,采用MATLAB/Simulink 仿真平台搭建单机无穷大励磁系统仿真模型,并采用常规的 PID控制以及基本的MFAC控制与其作对比。 设置仿真系统模型参数为:D=0.1, =6.0,T =4. 4849, d=1.305, d=0.296, 。=0.474, 7=0.15, £=0. 586, :0.995。仿真过程中输入机械功率保持恒定,P = P =0.75,运行工作点为 0=lOOvr rad/s, =41.5。,E = 1.03。以上未标单位的数值均为标幺值。P 控制器的参 数: :0.013,Ki=2.41,Kd=0.0075,MFAC控制方法的控 制参数:-q=0.2, =0.85,P=0.5, =0.85。系统由初始状 态开始运行,达到稳定后设置系统扰动。在t=10s时,变压 器高压侧k点发生三相接地短路故障,短路持续0.1S后,断 路器保护动作并切除故障线路。系统机端电压U 、角速度∞ 以及有功功率P 的动态响应曲线如图3一图5所示(图3一 图5中的纵坐标均为标幺值)。 图3发电机机端电压动态响应曲线 图3为机端电压动态响应曲线,由初始状态达到稳定状 态,PID控制所用时间为3s左右,超调约为1.12pu;MFAC控 制经过1.5s左右,超调约为1.08pu;Adams—MFAC控制达 到稳定状态经过约1.5s,超调约为1.06pu。出现三相短路 后,PID控制经过6次振荡约6s达到相对稳定;MFAC控制 经过3次振荡3s左右达到稳定;Adams—MFAC控制经过约 2s达到稳定状态,发生2次振荡。因此Adams—MFAC控制 在超调幅度、快速性以及稳定性方面均优于常规PID控制和 图4发电机角速度动态响应曲线 图5发电机有功功率动态响应曲线 基本MFAC控制。 图4和图5中发电机的角速度和有功功率由初始达到 稳定状态,PID控制经过4s左右达到相对稳定;MFAC控制 经过约3s;Adams—MFAC控制经过2s左右即达到稳定。当 出现三相短路后,PID控制陷入了较长时间的低频振荡; MFAC控制经过3s左右恢复稳定状态;Adams—MFAC控制 只经过2s即恢复稳定。表明Adams—MFAC控制能够在更 短时间内使励磁系统达到稳定,能够有效抑制角速度以及功 率振荡,具有更强的稳定性。 通过与常规PID控制以及基本MFAC控制对比。机端 电压、角速度以及有功功率的仿真结果表明Adams—MFAC 控制能够使系统快速达到稳定状态,当发生故障时能够有效 抑制扰动并快速恢复稳定,说明了Adams—MFAC控制的有 效性。 5结束语 无模型的控制方法是一种针对非线性系统的新型控制 方法,本文将Adams预测控制与其相结合,组成Adams— MFAC控制器,并应用于具有非线性、强时变以及强耦合特 -・-——225---—— 点的同步发电机励磁控制系统中。在与传统的PID控制方 法以及基本MFAC控制方法进行仿真对比分析后得出,Ad— ams—MFAC控制方法在励磁系统控制中具有更快的响应速 [8] H Zhao,X Lan.Excitation prediction control of multi—machine power systems using balanced reduced model[J].IET Generation, Transmission&Distirbution,2013,8(6):1—5. 度以及更强的抗干扰能力,不仅保持了MFAC控制器较强的 自适应性和抗干扰性,而且易于实现、计算简便具有很高的 应用价值。 [9] 肖健梅,张科,王锡淮.基于预测函数与线性多变量反馈控制 的同步发电机励磁控制[J].电力自动化设备,2015—7:153 159. 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