同步發(fā)電機(jī)的模糊控制設(shè)計

王 錦，林小峰，宋紹劍

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

電力系統(tǒng)最基本也是最重要的特性是穩(wěn)定，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全運(yùn)行，必須對發(fā)電機(jī)進(jìn)行有效控制。傳統(tǒng)的控制方法，是利用PID控制自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR，Automatic Voltage Regulator）和渦輪調(diào)速器（TG，Turbine Governor），達(dá)到對同步發(fā)電機(jī)的控制。這種方法大多數(shù)是建立在能夠很好描述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，但在最佳工作點(diǎn)以外的其他點(diǎn)，發(fā)電機(jī)的性能會降低，因此需要尋找更好的控制方法。

本文采用的模糊控制方法，應(yīng)用于同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)控制中，對單機(jī)無窮大系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，其控制特性優(yōu)于傳統(tǒng)PID勵磁控制。

1 模糊控制的基本原理

模糊控制不需建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，控制靈活適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)際被控對象的情況往往比較復(fù)雜，受外界各種因素的影響，建立數(shù)學(xué)模型比較困難；環(huán)境和被控量的變化，需要不斷對PID的參數(shù)進(jìn)行整定，使得控制品質(zhì)嚴(yán)重下降。模糊控制動態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，運(yùn)行速度和穩(wěn)定性良好，系統(tǒng)魯棒性及容錯性好。

模糊控制是一種非線性控制，已成為實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而又有效的形式。模糊控制是在總結(jié)人的控制行為，把人的控制行為規(guī)律用模糊語言固化為模糊控制規(guī)則，從而進(jìn)行控制的一種控制方式。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法及混沌理論等新學(xué)科的相融合，正在顯示出其巨大的潛力。

模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)框圖

模糊控制部分主要由以下4部分組成：

（1）模糊化。這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。

（2）知識庫。知識庫由數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫存放所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬函數(shù)，向模糊推理提供數(shù)據(jù)。規(guī)則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，反應(yīng)了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識。

（3）模糊推理。模糊推理是模糊控制的重要組成部分，它具有模擬人的推理過程的能力，模糊推理過程蘊(yùn)含模糊邏輯的關(guān)系。

（4）清晰化。清晰化是將模糊推理得到的模糊量轉(zhuǎn)換為實(shí)際用于控制的清晰量。

2 AVR模糊控制設(shè)計

圖2 單機(jī)無窮大母線結(jié)構(gòu)圖

單機(jī)無窮大母線電力系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、渦輪、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)和連接在無窮大母線上的傳輸線，如圖2所示。系統(tǒng)模型在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建，同步發(fā)電機(jī)為200 MVA、13.8 kV；三相傳輸線為 210 MVA，13.8 kV/230 kV；母線為10 000 MVA，230 kV；負(fù)載為 5 MW。

圖2中，

Re，Xe表示傳輸線參數(shù)；

△w表示角速度變化量；

Um表示無窮大母線上的電壓；

Vt表示發(fā)電機(jī)的端電壓；

Vref表示端電壓參考值；

Pref表示機(jī)械功率參考值；

Pm表示渦輪輸出扭矩；

Vfd表示發(fā)電機(jī)的場電壓。

同步發(fā)電機(jī)渦輪的結(jié)構(gòu)和控制速度的傳統(tǒng)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 渦輪和調(diào)速器的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的勵磁結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其中，

Se=0.609 3*EXP(0.216 5*Vfa)。

圖4 勵磁系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)圖

這種用傳統(tǒng)PID控制AVR的方法，雖然有簡單、穩(wěn)定性好、在最佳工作點(diǎn)附近具有良好的控制效果，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于PID各個參數(shù)的整定。

本文設(shè)計的模糊控制有兩個輸入，分別是線電壓偏差量△V(t)和線電壓偏差變化量△E（t）=△V（t）-△V（t-1）。

系統(tǒng)中△E（t）能夠更快更準(zhǔn)確的響應(yīng)擾動，只需要得到△E（t）的正負(fù)值。即

△V（t）={NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，△E（t）={N，Z，P}。

模糊規(guī)則庫的制定原則如下：

（1）當(dāng)（△V（t）＞0，△E（t）＜0）時，系統(tǒng)輸出趨向穩(wěn)態(tài)值的速度越快越好，即應(yīng)盡快消除電壓偏差，應(yīng)當(dāng)減弱勵磁控制，加強(qiáng)調(diào)速控制。

（2）當(dāng)（△V（t）＜0，△E（t）＞0）時，電壓偏差開始減少，系統(tǒng)逐漸趨向穩(wěn)態(tài)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)勵磁的控制作用，減小調(diào)速控制。

（3）當(dāng)（△V（t）=0）時，系統(tǒng)的電壓沒有偏差，所以勵磁和調(diào)速的控制均不變。

按上述規(guī)則制定的模糊數(shù)據(jù)庫如表1所示。

表1 模糊數(shù)據(jù)庫

模糊輸入變量選用高斯隸屬函數(shù)（Gaussian membership functions）。其隸屬函數(shù)分布如圖5所示。

圖5 △V（t）和△E（t）的隸屬函數(shù)

3 仿真

仿真實(shí)驗(yàn)在Matlab/Simulink中進(jìn)行，在所搭建的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型中，相關(guān)傳遞函數(shù)的參數(shù)Kg=0.05；F=0.322；Tg1=0.264 s；Tg2=0.0264 s；Tg3=0.15 s；Tg4=0.594 s；Tg5=2.662 s；Tv1=0.616 s；Tv2=2.266 s；Tv3=0.189 s；Tv4=0.039 s；Tv5=0.023 5 s。

仿真過程主要進(jìn)行了單機(jī)無窮大系統(tǒng)發(fā)生三相短路時控制器性能的比較，系統(tǒng)突然發(fā)生三相短路，0.1 s后切除。模糊控制和傳統(tǒng)PID控制效果如圖6和圖7所示。

圖6 三相短路時端電壓的控制效果

圖7 三相短路時角速度變化的控制效果

圖6中實(shí)線部分為模糊控制的控制效果，虛線部分為傳統(tǒng)PID的控制效果。如圖6所示，發(fā)電機(jī)端電壓迅速下降，三相短路故障持續(xù)0.1 s后切除，采用模糊控制的發(fā)電機(jī)端電壓比采用傳統(tǒng)PID控制的發(fā)電機(jī)端電壓反應(yīng)速度更快。

圖7中實(shí)線部分為模糊控制的控制效果，虛線部分為傳統(tǒng)PID的控制效果。如圖7所示，發(fā)電機(jī)的角速度發(fā)生變化，三相短路故障持續(xù)0.1 s后切除，模糊控制能夠使角速度變化量更快地回到零點(diǎn)，使系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文利用模糊控制對同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，具有良好的勵磁調(diào)節(jié)特性。模糊控制取代傳統(tǒng)PID控制，可以有效地提高電力系統(tǒng)響應(yīng)速度。通過仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中，對于采用模糊控制的同步發(fā)電機(jī)，可以達(dá)到優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的效果，具有良好的前景。

[1]Wenxin Liu,G.K.Venayagamoorthy,and D.C.Wunsch.Design of Adaptive Neural Network Based Power System Stabilizer[J].Neural Networks，2003，(16)：891-898.

[2]Salman Mohagheghi,G.K.Venayagamoorthy,Ronald G.Harley.Adap tive Critic Design Based Neuro-Fuzzy Controller for a Static Compen sator in a Multimachine Power System[J].Power Systems，2006，(21)：1744-1754.

[3]王紅君，趙 輝，華 巖．模糊參數(shù)自適應(yīng)PID控制器在同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電氣傳動，2000，30(2)：37-40.

[4]喬志杰，王維慶．模糊自適應(yīng)控制器的設(shè)計及其仿真[J]．控制系統(tǒng)，2008，(1)：26-29.

[5]韓唆峰，李玉惠．模糊控制技術(shù)[M]．重慶：重慶大學(xué)出版，2003．

[6]廉小親．模糊控制技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2003．