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基于PLC的多指标非线性励磁控制器的设计

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（） ３
元完 成对 发 电机 的出 口断 路器 、灭磁 断路 器 以及 现 场 的一些 相关 开关量 的采 集 。这 些数 据量 经过处 理 后输 入 ｆ Ｃ Ｕ， Ｐ 运算 判 断后 得 到移 相控 制角 ， Ｊ ￣ Ｐ 由Ｃ Ｕ 脉 冲形 成单 元 按一 定 的移 相 控制 角 给 出触 发 脉 冲 ， 经脉 冲放 大单元 放 大后去 触发 可控硅 。 另外 ， 励磁控 制 器 是 通 过 Ｔ ２０ 现 运 行 参 数 及 运 行 状 态 的显 Ｄ０实
随着计算机技术和微 电子技术的飞速发展 ， 以
及 电力 系统 自动化 程 度 的加 深 ， 采用 数 字 式 励 磁控 制器 已成 为趋 势 。本 文 以Ｐ Ｃ 为硬 件 控制 核 心 ， Ｌ作
研 究 了基 于Ｐ Ｃ Ｌ 的多指 标非 线性 励磁 控制 器 。
化， 并要 求这３ 物 理量 能准 确跟踪 给定 值运 行 。 个
。 ≤ 囊 墨 ０ ｌｌ 曩 － ０ ｌｌ ｌ
特稿专递 ＴＧＯ ＨＡ 巨Ａ ＵＮ Ｚ Ｄ
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西 门子 公 司 的ｓ — ０ Ｐ Ｃ的Ｃ Ｕ ２ 作 为 运 算 控 制 ７ ２０ Ｌ Ｐ ２６
＋ 最
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：
核 心 。 过模 拟量 扩展模块 Ｅ ３完 成对机 端 电压 、 通 Ｍ２５ 励磁 电流等实 时 电量 的采 集 ，并 通过 开关 量输入单
１ 多指 标 非 线性 励磁 控 制 方 法
（） ２
工 程 上 常采 用 如 图 １ 示 的 单机 无 穷 大 电 力 系 所
统模 型 来研 究发 电机 的控 制 问题 。模 型 中忽略 发 电
机 定 子 、 压 器 和 输 电线 路 的 电 阻 ， 变 同时 考 虑 励 磁
式 中 ： ｒ 发 电机 端 电压 ； 发 电机 转子 角 速度 ； ＵＮ 为
键 的作 用 。 随着 电力 Ｔ业 的高速 发 展 ， 电力 系 统 已 成 为一 个 具有 强 非线 性 的动 态大 系统 ， 如何 有 效 提
图 １ 单 机～ 无 穷 大 电 力 系 统 模 型
图１ 所示 的发 电机励 磁 控 制 系 统 可 以用 下 面 的
非线性 微 分方 程组 描述 （ 引用 必要 文献 ） ：
其 中Ｕ 对应 的是发 电机 励磁 系统 的控制量 ， 即发
电机 励磁 电压Ｅ
考虑到既要提高发 电机运行 的稳定性 。 又要维
为发 电机 输 出 电磁 功率 。 、 与式 中状态量 的关系
为：
功率系统为快速励磁系统Ｉ 。
收稿 日期 ：０ ０ ０ 一 ２ ２ １— ４ 】
基金项 目： 国家 自然科学基 金资助项 目（０ ４ ０ ６ ； ５ ７ ７ ２ ） 广两科 学基金资助项 目（ 桂科 自０ ２ ０ ７ ． ７８２ ） ． 作者简 介： 李啸骢 （１５一 ） 云南 昆明人 ， ， ９９ ， 男 博士 ， 教授 ， 研究方 向为电力系统非线性控制 、 电力系统动态仿真及计算机文时控制。
＝ 一 ｎ
高励 磁 控 制器 对 电力 系统 强非 线 性 的适应 能 力 ， 成 为现 代励 磁控 制器 设计 的主要 任务 。 通 常 非 线 性 励 磁 控 制 多 以 发 电机 的功 角 偏 差
＝ ＝
（
一 （ｑ Ｅ ） Ｅｏ ． －
一０ ∞）
（） １
（ ） 控 制 目标 ， 为 当机 械 功 率 出现 扰 动 时 ， 端 电 机 压会 产 生偏 移 ｌ 这样 只能 提 高 系统 的动态 稳 定 性 ， 】 Ｉ ， 但无 法满 足机 端 电压 的调节 精 度 。多 指标 非线 性励 磁控 制 的设 计 方 法 ，在 提 高 系统 稳 定 性 的 同 时 ， 兼 顾考 虑 了电压 调 节精 度 的要求 ， 有 良好 的控 制效 具
Ｔ ＡＯ Ｚ Ａ ＥＧ ＨＵ Ｎ ＤＩ 特
稿
专 递
基奇Ｐ Ｃ的多指标 非线性励磁控制 器的设计 Ｌ
李 啸骢 ， 明 明， 刘 张 鹏
（ 西 大学 电 气工程 学 院 ， 西 南 宁 广 广 ５ ０３ ） ３０ １
０ 引言
励 磁 控 制 器 是 同步 发 电 机 控 制 系统 的 重 要 组 成 部分 ， 于保证 电力 系 统 的安 全 稳 定运 行 起 着 关 对
电线路的总等效 电抗 ； 为无穷大母线 电压 ， 所述各 量均为标 幺值 。 将式 ｆ） １写为矩 阵形 式 ：
＿ ＋ ）＋ ／ ） ｕ （） ４
根 据励 磁 控 制 器 的功 能 要求 ，Ｌ 励 磁 控制 器 ＰＣ 主要 由信 号测量 、可 编程 主机 、移相触 发 等单 元组 成 ， 总体结 构 如 图２ 示 。 其 所
组 的转 子 惯 性 时 间常 数 ： 为 发 电机 阻 尼 系数 ： 为 Ｄ 。 发 电机 转子 同步 角 速度 发 电机 在工 程 意义下 的输 出函数 应 Ｆ下式 来描 ｝ １
述， 它表 明发 电机 在 运行 过程 中 ， 对发 电机 的控 制 目 的主 要 是 希 望 保 证 如 下 物理 量 在 允 许 的 范 嗣 内变
果。
ｄ Ｏ
式 中： ｑ 、 Ｅｔ￣ 为状 态 变量 。 别 为 发 电机 暂态 电势 、 ． 分 发 电机 功 角 和 发 电机 转 子 角 速度 ； 控 制 量 ， Ｅ为 代 表 发 电机 励 磁 电 压 ； 为 发 电机 的机 械输 入 功 率 ；
。
为定 子 开 路 时 的励 磁 绕组 时 问常数 ； 为发 电机
刁 。
ｑ ∑
：
掣 ８ ｉ＋ ｎ
ｄ ∑
ＺＸ ∑ ∑ ｄ ｑ
ｉ８ ２
式 中 ： 为 发 电机 端 电压 直 轴 分 量 ； 为 发 电机 端 电压交 轴分 量 ；ｄ Ｘ为发 电机 直轴 电抗 ； 为发 电机 直 轴 暂 态 电抗 ；ｑ Ｘ为发 电机交 轴 电抗 ；ｅ 变压 器 和 输 Ｘ为

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基于LMI的发电机多目标励磁控制器设计

基于LMI的发电机多目标励磁控制器设计


显著的改善 和提高 ． 电力系统具有 复杂 的非 线性 ， 文 献 ［ ］研 究 了基 于 精确 反 馈线 性 化微 分 几 何方 法 的 ２ 非线性励磁控制． 从理论上讲 ， 欲使电力系统在所有工 作 点都 达 到 满 意 的性能 ， 线 性控 制 器是 最 佳 的选 择． 非 然 而 ， 线 性 控 制器 具 有 复杂 、 易 实 施 、 制 成 本 较 非 不 控 高 的特点 ， 在实际应用 中还有一些 问题需要解决． 电力 系统 的运 行 控 制是 一 个 多 目标 问题 ： 方 面 一 要求机组运行 的可靠性 、 稳定性 ， 另一方面还必须具有 合格的电能质量和 良好 的动态品质． 多 目标控制的 从 角度 对励 磁 系统 的控 制器 进行 设 计 则是 一 条新 鲜 的思
（３ Ｓ ）在 上述 约 束下 使 性 能 ｌ ｌ 最 小． ｌ ｌ 这里 ， （）为 闭环 系统 中从 ’到 Ｚ 的传 递 函 Ｔ ｓ ． ，
数 ， ｓ Ｔ （）为闭环系统 中从 ’ 到 Ｚ 的传递函数． ． ， 在上述有约束 混合 Ｈ ／ 问题 的三个 目标 中， Ｈ
了进 一 步 的研究 方 向．
调 节 和控 制 发 电机励 磁 是 抑 制 电压 或 频 率 波 动 、 善 改 动 态 品质 、 高 系 统 抗 干 扰 能 力 的 有 效 措 施 ． 究 表 提 研 明 ， 线性 最 优 控制 理论 设 计 的励 磁 控制 器 ， 输 电系 按 使 统 的性 能 在各 方 面均 比采用 常 规 励磁 调 节器 的情况 有
ｔ２ ｆ ＝Ｃ （）＋Ｄ２ ｆ ｚ（ ） ２ ｆ ２ ） Ｈ（
预 先给 定 闭环
Ｈ ＝Ｋ ｘ
性 能 ＞０， 设计 状 态反 馈
（） ２
使得 闭 环 系统 达 到 （１ ｓ ）保证 性能 ｌ ｌ ｌ ＜ ； ｌ
基于PLC的同步电动机励磁装置在电机改造中的应用

基于PLC的同步电动机励磁装置在电机改造中的应用

一
２ 软 件 设 计
以Ｐ Ｌ Ｃ为控制核心的励磁装置 ． 其软件主要 由主程序和子处理程 序两部分组成［ ２ １ 。主程序完成 Ｐ Ｌ Ｃ 相 关参 数的初始化及子程序调用 。 子程序主要包括 ： 滑差检测及投励 、 带励及失励保 护 、 失步再 整步 、 后 备保护 、 故障处理 、 文本显示 及设置等 程序块 ． 程 序结构 图如 图 ３ 所
示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 １ 励磁 装嚣硬件框 图
【 摘 要】 本文介 绍了基于 Ｐ Ｌ Ｃ的同步电动机励磁装置的硬件及软件组成 、 性 能、 特点， 给 出了改造实例 的方法及 Ｐ Ｌ Ｃ接线 图和改造后效果 。
【 关键词】 Ｐ Ｌ Ｃ ； 励磁装置 ； 改造 ； 效果
０ 前言
高压 同步 电动机能够 向电网返 回无功功率 ．稳定 电网的系统 电 压． 可 以调节功率 因数 ． 提高有功功率 的利用 ． 所 以在各个行业得到大 力推广 同步 电动机的安全稳定长周期运行对系统非常重要 ． 所 以对 它的控 制要求非常高 原先采用 的同步 电动机励磁装 置在硬件 电路 上． 都采用 电气分立 元器件设 计制作 ， 采用的 电气控 制 、 保护 电路复 图 ２ 励 磁 装 置 主 电 路 杂． 选用电气元器件 多． 所 以运行中出现故 障率较高 因此运用新的微 电子技术 、 计算机技术设计新型同步电动机励磁 装置对 老旧的装置进 脉冲触发环节 由同步 电路 、 移相电路 、 输 出电路及 高分辨率 的数 行改造 ， 来提高系统的安全性 、 稳定性就十分重要 ｌ ｌ 。 字触发器构成 同步 电路采用三相同步信号绝对触发方式 ． 同步变压 器输 出同步信号 。 通过滤波 电路 ， 经电压 比较器 比较 ， 变成方波 ， 分 别 １ 硬 件 设计 通过光 电偶合 ． 输入 Ｐ Ｌ Ｃ系统。移相 电路通过改变移相角 ， 可实现触 主 电路采用无续 流二极管 的新 型三相桥式半控整流 电路 及先进 发脉冲所需范围的控制 脉 冲输 出由移相角确定 ． 以提 高脉冲输出的 的自冷式热管 散热技术 ． 取消 了冷却风机 ： 采用新型 的励磁 控制器为 精度和可靠性 当满足投励条件后 ． Ｐ Ｌ Ｃ 发 出触发脉冲指令 ． 经光电偶 装置 的控制核心 ． 可任意设 定为闭环可调 的恒功率因数 、 恒 电流 、 恒 电 合 、 功放 ， 由脉冲变压器输 出一宽脉冲 ， 触发可控硅。 电路设计时 ， 采用 压或恒触发 角度运行 方式 ． 且 四种运行 方式 自动跟踪工 作点 ． 可实现 了专用定时器 ． 使触 发脉 冲信号 的精度提高 ， 在同步信号 、 主电路正常 无扰动切换 励磁控制器采用功能模块组合 的设计方式 ． 并且有充裕 时 ． 系统能使主电路三相 电压波形平衡 的功 能扩展单 元 ． 装置采用双励磁调 节器通道 ． 主备用通道 问设有 自 般同步电动机采用空载 、 降压起动 ， 投励采用准角 强励整步 ． 当 动跟踪装 置可实 现通 道 间无 扰 动 自动 切换 励磁 调节 器采用 交流 电机处于亚同步时 ． 系统 自动选择最佳投励角投励 测量转子 回路 的 ２ ２ ０ Ｖ和直 流电源双 回路供 电并可实现无扰动切换 ．正常时采用交流 电压波形 ． 经过整形 ， 转换成方波经光 电隔离后 ， 送到系统电脑 。 供电 装置有失步保护直接跳闸和带载 自 动再整步功能 ． 能满 足各种 同步 电动机失步时 ． 根据转子 回路产生 的不衰减交变 电流信号 ． 负载情况下起动同步 电动机的要求 通过分 流器采样信号 ． 经 过电脑进行计数 和脉宽分析 ． 可 以判断同步 从 以下几个方面来考虑硬件的设计 电动机是否失步 ． 不管那类失步 ． 不管其滑差大小 ． 保护都能可靠动作 １ ） 实现励磁装置的各种控制功能， 增强装置 的可靠性 、 便于调试 、 跳 闸． 保护 电动机 维护 。 运行 中的同步电动机 ． 经过检测 、 判断 已失步 ． 可 以启动灭磁一异 ２ ） 便于与高压开关柜联锁 ． 便于将机 械设备 的控制柜与励磁装置 步驱动一带载再整步。励磁控制器 的灭磁采用阻容快速灭磁 、 断磁续 融与一体 ， 减小体积 、 增强控制功能 、 提升原来 系统 的 自动化水平。 流灭磁 ． 阻容快速灭磁是主灭磁 ． 断磁续流灭磁是后备灭磁。 同步电动 ３ ） 使用成熟可靠半控整流主 回路和晶闸管 的触发 电路 。 机失步后 ， 励磁控制器发出脉冲 ． 触发关断桥可控硅 ． 进行阻容快速灭 系统硬件框 图如图 １ 所示 通过面板上的按键及显示 屏 可以设 磁． ．同时， 控制器立即停发触发 脉冲． 励磁控制器控制继 电器的 吸合 ， 定或修改励磁装置的实时运行方 式和状态 ｆ 选择恒 功率因数 、 恒励磁 断开励磁接触器和励磁主 回路 ． 待整 流主桥路可控硅关 断后 ． 继 电器 电流 、 电压或恒触发角度运行 、 调试） 或励磁参数 ． 改变可控硅 的触发 释放 ， 同步 电动机进入异步 ， 再进行再 整步 ， 假如再整步不 成功 ， 启 动 角度 ， 调整 输出励磁 电流 、 电压的大小 后备保护环节 ． 动作于跳闸。 合理选用灭磁 电阻 ． 可以使电动机 的异步 驱动性 能改善 ． 电机转速进入临界滑差后 ． 电脑 自动控制励磁系统 ． 按 准角强励对 同步 电动机进行整步 ． 让电动机回到 同步状态
同步发电机非线性协同励磁控制器设计

同步发电机非线性协同励磁控制器设计

同步发电机非线性协同励磁控制器设计李福荣【摘要】针对同步发电机的非线性和运行状态的多变性,为提高其机端电压的可调性同时保证系统的稳定性,基于协同控制理论设计了一种同步发电机非线性励磁控制器.在同步发电机数学模型的基础上以转子角速度、有功功率和机端电压偏差的线性组合构成流形,得到了非线性协同励磁控制器的控制律.基于DSP设计了一种同步发电机励磁控制系统,详细介绍了系统的硬件结构和软件设计方法.以4机2区域系统为例进行了仿真实验.仿真结果表明:所述非线性协同励磁控制器不但可以维持机端电压恒定,而且可保证功角稳定,具有较强的鲁棒性,有助于提高电力系统的稳定性.该控制器能够兼顾机端电压调节和稳定控制,在很大程度上提高了系统励磁控制器性能.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2019(049)003【总页数】5页(P87-91)【关键词】同步发电机;协同控制;励磁控制;数字信号处理器【作者】李福荣【作者单位】中石化石油工程设计有限公司电力设计所,山东东营 257026【正文语种】中文【中图分类】TM711随着不同区域电网的互联、新能源发电的集中并网，导致电力系统的稳定性问题日益严峻［1］。

提高电力系统稳定性的方法较多，而改善同步发电机励磁控制性能是一种比较经济有效的方法［2］。

励磁控制的根本目的在于保证电压稳定，使发电机机端电压维持在误差允许的范围内，进而确保发电机等电力设备运行的可靠性，以提髙电力系统的稳定性。

但是电力系统本身具有非线性，而且运行状态多变［3］。

传统控制器，如PSS、线性最优励磁控制器，在特定运行状态下会取得不错的控制效果，然而一旦系统实际运行状态发生改变，其控制效果会大大减弱［4-5］。

为解决此问题，近些年诸多学者对非线性励磁控制理论展开了广泛研究。

各种先进控制方法，如反步法、直接反馈线性化法、滑模控制、模糊控制、预测控制以及哈密顿系统理论等得到了应用［6-8］。

不过这类先进励磁控制器大多基于状态反馈进行设计，往往忽略机端电压的控制调节。

基于无源系统理论的励磁系统非线性最优控制

基于无源系统理论的励磁系统非线性最优控制

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・电力大系统灾变防治和经济运行重大课题专栏・ 王智涛等 基于无源系统理论的励磁系统非线性最优控制 7
值为正或为负, 积分式的值是非负的。 因此, 由式 ( 6) 得 V ( x ) ≥ 0。 下面, 验证 L fV ≤ 0。 L fV = V x f ( x ) = ) D+ g 0 ( D ) (D D + H X) + E q ′ f 0 (D , E q′ k 因为 X0 U s ) D= f 0 (D E q0 ı H x d2 ′ [ ( sin ( D+ D sin D 0) 0 ) D] ≤ 0 又根据 k 的取值, 可知 ) (D D+ H X) + E q ′ g 0 (D , E q′ k = 0 所以 L fV ≤ 0 设 h (x ) = E q ′ , 则 L gV = V x g ( x ) = E q ′ = h (x ) 。 综上所述, 根据定理 1, 系统 ( 5) 无源。 根据推论 1, 系统 ( 5 ) 是 O FP ( - 1 2 ) 的; 很明 显, 它也满足零状态可检测条件, 从而根据定理 2, v = - h (x ) = - E q ′ 是系统 ( 5) 针对性能指标 J =
而在无源网络中成立的能量流向等式对于无源系统 也同样成立。 系统无源可以保持系统的内部稳定。 对 于存在干扰的系统来说, 为了使得系统内部稳定, 我 们可以依靠无源理论来构造反馈控制器, 使得相应 的闭环系统无源而保持内部稳定[ 3 ]。 一般来说, 无源 性、 稳定性与最优性密切相关。 下面首先给出系统无 源性的定义。 考虑系统 ı x = f (x ) + g (x ) u ( 1) y = h (x ) 其中 x ∈ Rn; u ∈ Rm ; y ∈ Rm ; f ( 0) = 0, h ( 0) = 0, f , g , h 均为光滑映射。 定义 1 令 S ( u , y ) : Rm × Rp → R 是一实值函 数, 如果对 P u , x ( 0) = 0 有, ßS (ı ) ßd t < ∫