最新PID-控制算法在同步发电机自动励磁调节系统中的应用.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-datePID-控制算法在同步发电机自动励磁调节系统中的应用PID-控制算法在同步发电机自动励磁调节系统中的应用序号评分项该项得分1论文结构与格式30分；2语言组织20分；3创新10分；4使用价值20分5平时成绩20分课程总成绩电力系统自动装置课程论文评分表PID 控制算法在同步发电机自动励磁调节系统中的应用摘 要:发电机励磁控制系统是电力系统控制的重要组成部分,它直接影响着

2、发电机运行的可靠性经济性和系统运行的稳定性。本文在介绍同步发电机励磁调节系统的基础上,提出了PID 控制算法,并对PID 在同步发电机自动励磁系统中的调节应用作了进一步阐述。关键词: PID 同步发电机 励磁调节系统Application Of PID Control Algorithms In Excitation System For Synchronous MachineAbstract:The developing and optimizing of the excitation control system, as one of main parts of power system,

3、 is also a popular studying topic.At first ,the paper introduces the excitation system for synchronous machine,then provides PID control Algorithms and And PID in synchronous generator excitation system in the automatic application of the regulation further elaborated.Keywords: PID algorithm; Synchr

4、onous Machine; Exciting conditioning systems引言随着电力工业的迅速发展, 电力系统，的规模越来越大。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; 在系统发生事故时调节发电机的励磁电流可以提高系统抗干扰能力, 维持系统的运行稳定性。所以研究和设计发电机励磁控制系统一直是电力系统学者关注的课题, 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。1. 同步发电机励磁调节系统简介励磁调节控制系统是同步发电机的重要组成部分。同步发电机的运行特性与它的空载电动势E q 的大小有关, 而E q 是发电机励

5、磁电流的函数。因此, 对同步发电机的励磁进行调节控制, 可以改变同步发电机的运行特性, 提高同步发电机并列运行的稳定性, 以满足电力系统安全稳定运行的需要。励磁调节控制是对发电机运行实行调节控制的重要内容。1.1 励磁调节系统的构成图1 励磁调节系统的简易框图。取自于发电机的采样信号经反馈测量环节与给定值( 参考值) 比较后得出偏差值并送往控制器, 经控制器校准放大后、用于触发大功率半导体器件( S C R 、G T R 、I G B T 等) ,从而控制发电机励磁电压或电流。在励磁调节系统中, 虚线框内的部分一般采用数字电路, 由一个或更多的嵌入式微处理器构成。接口模块采用A / D 或D

6、/ A 转换器,分别将模拟信号转换成数字信号或将数字信号转换成模拟信号。DER( 微机励磁调节器) 的给定值以代码的形式贮存在微处理器R A M 中, 用于与发电机的采样信号进行比较。采样信号一般为定子电压、电流、频率、有功或无功功率, 角速度等。采集到的模拟信号一般通过电压、电流互感器或高速变送器经A / D转换器转换成数字信号后再与设定值比较。比较运算由微处理器中的运算单元完成。根据逻辑运算结果, 执行储存在程序存储器的程序, 程序中设置了多种预期的控制算法。控制器输出信号被转换成对应的模拟信号送至功放单元。功放单元负责提供一个功率足够大的直流电压、电流触发脉冲。1.2 励磁调节器的功能通

7、过丰富灵活的软件系统和与之配合的硬件, 励磁调节器可执行多种调节控制功能: 高级控制算法。励磁系统可执行十分复杂的控制算法。除了比例调节、P I 调节、PID 调节控制这些常规算法之外, 控制方式还可以包含电力系统稳定器(PSS)附加控制、线性最优励磁控制( LOEC ) 、非线性励磁控制( NEC ) 等等模拟励磁调节器中难以实现的控制规律。 定值调节器数字系统可随意设置各种控制参数, 如电压给定、励磁电流给定、调差系数及阶跃响应设定、各种限制、保护的整定值、各调节规律的有关参数等等。这些参数可在线修改, 可就地操作也可通过远程通讯实现遥控。 记录通过调节器内部循环数据记录装置, 可记录励磁

8、系统各种参数和数据。有些参数和数据还可由外部输入至励磁系统, 例如将发电机的运行参数反馈至励磁系统, 也可以将励磁系统内部数据输出给外部存储设备, 以备将来查询之用。 测量大部分模拟励磁调节器需要外接各种仪表显示系统参数, 如发电机端电压等。数字系统能提供各类发电机系统的参数显示而不需要附加额外的测量仪表,当然也就不再需要传统的电压、电流互感器、分流器等, 从而节省了测量电缆和维护工作量。2PID控制算法的应用2.1 PID 控制算法随着自动化技术和控制理论的发展,自动控制系统也日趋复杂和完善。在自动控制系统中, PID 控制是一种最基本应用最广泛的控制规律。它不仅结构简单, 而且参数易于调整

9、, 使用经验丰富, 尤其是在被控对象不易获得精确的数学模型系统, 参数经常发生变化的情况下, 采用PID 控制,根据经验进行在线整定可得到预期的控制效果。控制系统中, PID 控制方法是最常用的一种方法。它根据采样时刻的偏差值来计算控制量。PID 控制算法通常又分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法。当控制系统的执行机构需要的是控制量的增量时, 比如驱动步进电机的时候, 这时候就需要使用增量式P I D 控制算法。而如果控制系统的输出直接去控制系统的执行结构, 则输出是和执行结构的动作位置一一对应的, 这种方式称为位置式PID 控制算法。由于本文中PID 控制算-法的输出是直接控制

10、可控硅的触发角, 故使用位置式PID控制算法。位置式PID 控制算法的表达式为: 式中, T 为采样周期, 为了书写方便, 将e(kT)省去了T,简化表示为e(k)。k 是采样序号,(k=0,1,2,.)。u(k)表示第k 次采样时刻经过PID 计算的控制器的输出值。e( k ) 表示第k 次采样时刻输入的偏差值。e( k - 1 ) 表示第k - 1 次采样时刻输入的偏差值。PID 控制算法的基本思路是这样的: 当被控量即系统的输出与设定值偏差较大的时候, 取消积分作用, 以免由于积分的作用造成系统的稳定性降低, 超调量增大, 此时PID 控制就蜕化为P D 控制。而当系统的输出和设定值接近

11、时, 引入积分控制, 以便减小系统稳定时的静差, 提高控制精度。具体实现有如下几种情况: 根据系统的实际情况, 设定一个阈值e0。 当|e(k)|e,也就是偏差|e(k)|比较大时, 采用PD 控制, 可避免产生过大的超调, 又能够使系统有比较快速的响应。 当|e(k)|e,也就是偏差|e(k)|比较小时, 采用PID 控制, 可以保证系统的调节精度。2.2 PID 算法的控制环节 比例环节。比例控制作用是最基本的控制规律, 它能较快的克服扰动的影响,使系统稳定下来, 但有余差。它适用于控制通道滞后较小, 控制要求不高, 被控参数允许在一定范围内有余差的场合。 积分环节。积分控制通常与比例控制

12、或微分控制联合作用, 构成P I 控制或P I D 控制。其中P I 控制规律是应用最为广泛的一种控制规律。积分能消除余差, 适用于控制通道滞后较小, 负荷变化不大, 被控参数不允许有余差的场合。对稳态性能的影响, 积分控制参数能消除系统的稳态误差, 提高控制系统的控制精度。 微分环节。微分控制可以改善动态特性, 如超调量减少, 调节时间缩短, 允许加大比例控制, 使稳态误差减小, 提高控制精度。但是如果控制器的微分时间常数太大, 这时即使偏差变化速度不是很大, 但因微分作用太强而使控制器的输出发生很大变化。当控制要求较高时, 微分控制可以与比例微分控制联合作用, 构成P I D 控制。P I

13、 D 控制是一种最理想的控制规律, 它在比例的基础上引入积分, 可以消除余差, 再加入微分作用, 又能提高系统的稳定性。2.3 PID 算法的调节控制PID 调节传递函数结构图见图2 。其中,U(s)为控制输出,Vt 为机端电压,1 / ( 1 + K1s ) 也可以看作是一个大的惯性环节。令K p = KD + Ks , KD = K0 + KI 。则调节环节的传递函数(Kp+KDs)/(1+KIs)可表示成KD+Ks/(1+KIs)。对稳定性而言, 假定扰动e(t)为单位阶越函数 E(s)=1/s,在过滤过程开始的瞬间即t = 0 + 时, 由初值定理,则此时控制输出u( 0 + ) 表示

14、为: u( 0 + )= = kD ;说明在扰动发生的暂态过程初期, P I D 励磁控制方式的控制作用相当增益为K D 的比例式调节器。对电压调节精度而言, 由终值定理可知,对于单位阶跃输入E(s)=1/s,控制输出在稳态时为: u( ) = = kD + ks可见, PID 调节实质相当于比例式调节放大倍数分成两部分。在扰动发生的过渡过程开始时, 控制作用相当于增益为kD 的比例式调节; 对于稳态来说相当于增益为kD + ks的比例调节。综合以上的分析可知, PID 励磁调节控制方式在一定程度上缓解了按系统稳定性与按稳态调压精度对调节器放大倍数之间的矛盾。3.结论本文通过上面的分析, 对于

15、给定容载比k c和城区的不同平均负荷密度s, 在变电站允许的条件下, 可以很快求出平均经济供电半径RJ、经济容量SJ 和变电站个数Nb,而使年费用最少。从中可以看出, 变电站的建设规模与负荷密度有很大的关系, 在一定的供电范围内, 负荷密度越大, 变电站容量就越大, 供电半径就越小, 相应建设的变电站个数就越多。这充分说明了变电站的建设规模要遵循综合费用最少的原则,按照本文得出的方法进行规划实施和评估, 可以获得很好的经济效益和社会效益。总之, PID 控制算法在同步发电机自动励磁调节系统中的应用取得了很好的控制效果, 系统稳态和暂态性能指标完全符合发电机对励磁系统的要求, 即很快的响应速度、

16、足够的调整容量以及运行及调节过程的稳定性。这说明了本控制算法策略在自动励磁调节系统应用的可行性和正确性, 在实际应用中有一定的推广价值。参考文献1 刘益青,陈超英.电力系统电压稳定性的动态分析方法综述J.电力系统及其自动化学报,2006,11(1):105108.2 韩祯祥.电力系统稳定M.北京:中国电力出版社,2003.3 唐巍, 郭喜庆, 翟向向, 等. 农村电网建设与改造技术评估研究 J . 中国电力,2004,37(11):3133.4 DL/T599-1996,城市电力网规划设计导则S.5 YuYongYuan, WangXianZheng, YangQiWen. Substation economic power supply radius optimization J. Changsha water conservancy power normal college journal, 1991, 6