勵磁系統(tǒng)PID控制模型的選型探討

(陜西渭河發(fā)電有限公司, 陜西 咸陽 701208)

勵磁系統(tǒng)PID控制模型的選型探討

李明強(qiáng)

(陜西渭河發(fā)電有限公司, 陜西 咸陽 701208)

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)在電力系統(tǒng)靜態(tài)及動態(tài)穩(wěn)定性方面發(fā)揮巨大作用。如何根據(jù)勵磁方式選擇合適的勵磁系統(tǒng)PID模型，基于勵磁系統(tǒng)方式控制模型選型的盲目性及經(jīng)濟(jì)性考慮，從現(xiàn)行的自并勵和勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)分別對勵磁系統(tǒng)串聯(lián)的PID控制模型進(jìn)行比較，研究選用一級超前-滯后或選用兩級超前-滯后對于勵磁系統(tǒng)的影響，并分別對其進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，自并勵系統(tǒng)選擇一級超前-滯后完全可以滿足勵磁系統(tǒng)要求，勵磁機(jī)系統(tǒng)更宜選擇兩級的超前-滯后模型。研究結(jié)果對發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)控制設(shè)備選型給予一定的參考。

勵磁機(jī)系統(tǒng); 自并勵系統(tǒng); PID; 控制模型

0 引 言

近年隨著國家新建火電機(jī)組向高容量大參數(shù)發(fā)展，自并勵勵磁系統(tǒng)、常規(guī)勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)及核電機(jī)組普遍采用的無刷勵磁系統(tǒng)得到了長足發(fā)展[1-3]，勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定性對電網(wǎng)安全及其穩(wěn)定性發(fā)揮巨大作用[4-5]，因此選擇一種經(jīng)濟(jì)可靠的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)設(shè)備顯得更加的重要。勵磁系統(tǒng)控制設(shè)備中，PID直接影響勵磁系統(tǒng)性能指標(biāo)。針對電站勵磁系統(tǒng)的方式的不同，下面將以IEEE標(biāo)準(zhǔn)的串聯(lián)PID[6]為例，分別解析一級超前-滯后補(bǔ)償器的PID和兩級超前-滯后補(bǔ)償器的PID特性，并對其進(jìn)行仿真計算，在不同的勵磁系統(tǒng)方式下為選擇一種經(jīng)濟(jì)合理的勵磁控制設(shè)備提供參考。

1 自并勵勵磁系統(tǒng)的PID控制模型

圖1 一級超前-滯后補(bǔ)償器的自并勵勵磁系統(tǒng)的模型

取KA=200、T3=1 s、T4=4 s、TR=0.02 s、TG=6 s，利用MATLAB[7]軟件對此自并勵勵磁統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真計算。

圖2為開環(huán)頻率特性的Bode圖，圖3為發(fā)電機(jī)單位階躍響應(yīng)特性圖。

仿真結(jié)果見表1，可以得出在自并勵勵磁系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)器中，只需一級超前-滯后補(bǔ)償器，就可以使勵磁系統(tǒng)獲得優(yōu)良的性能指標(biāo)。

圖2 一級超前-滯后補(bǔ)償器自并勵勵磁系統(tǒng)Bode圖

圖3 一級超前-滯后補(bǔ)償器下自并勵發(fā)電機(jī)單位階躍響應(yīng)圖

表1一級超前-滯后補(bǔ)償器自并勵勵磁系統(tǒng)仿真結(jié)果

參 數(shù)仿真數(shù)值勵磁標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)空載階躍響應(yīng)特性穩(wěn)態(tài)增益200≥200動態(tài)增益KA×T3T4=50≥30超調(diào)量/%6≤30振蕩次數(shù)1≤3調(diào)整時間/s4≤10電壓上升時間/s0.15≤0.8增益裕度Gm21.4≥6相角裕度φm67.4≥40

2 勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)PID控制模型

2.1勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)采用一級超前-滯后補(bǔ)償器

從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，相比于自并勵勵磁系統(tǒng)，勵磁機(jī)系統(tǒng)中多了勵磁機(jī)環(huán)節(jié)，然而勵磁機(jī)時間常數(shù)會對勵磁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和動態(tài)性能指標(biāo)產(chǎn)生很大影響[8]，采用一級超前-滯后補(bǔ)償器的勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的簡化模型框圖見圖4。

圖4 一級超前-滯后補(bǔ)償器勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的模型框圖

下面利用MATLAB軟件，對此勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真計算。

圖5為所選超前-滯后補(bǔ)償參數(shù)下的開環(huán)頻率特性的Bode圖，圖6為相應(yīng)的發(fā)電機(jī)單位階躍響應(yīng)特性圖，表2是仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖5 一級超前-滯后補(bǔ)償器下勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)Bode圖

圖6 一級超前-滯后補(bǔ)償器下發(fā)電機(jī)單位階躍響應(yīng)圖

顯然，在勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)中，選用一級超前-滯后補(bǔ)償器遠(yuǎn)不滿足標(biāo)準(zhǔn)對勵磁系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，并且增益裕度和相角裕度數(shù)值較小勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定性較差[9]，因此在勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)中選用的兩級超前-滯后補(bǔ)償器勢在必行。

表2 一級超前-滯后補(bǔ)償器勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)仿真結(jié)果

2.2勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)采用兩級超前-滯后補(bǔ)償器

采用兩級超前-滯后補(bǔ)償器的勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)的簡化模型框圖如圖7所示。

圖7 兩級超前-滯后補(bǔ)償器勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的模型框圖

以同樣的機(jī)組數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件，對此勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真計算。

下面列舉幾組滿足勵磁標(biāo)準(zhǔn)的兩級超前-滯后參數(shù)：

1)T1=0.6 s，T2=0.08 s，T3=2 s，T4=10 s；

2)T1=0.6 s，T2=0.08 s，T3=3 s，T4=15 s；

3)T1=0.6 s，T2=0.08 s，T4=4 s，T4=20 s；

4)T1=0.6 s，T2=0.08 s，T4=6 s，T4=30 s。

圖8 兩級超前-滯后補(bǔ)償器下勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)Bode圖

圖9 兩級超前-滯后補(bǔ)償器下發(fā)電機(jī)單位階躍響應(yīng)圖

參 數(shù)仿真數(shù)值勵磁標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)空載階躍響應(yīng)特性穩(wěn)態(tài)增益200≥200動態(tài)增益KA×T3T4=32≥30超調(diào)量/%20≤30振蕩次數(shù)1≤3調(diào)整時間/s3≤10電壓上升時間/s0.459≤0.8增益裕度Gm22.2≥6相角裕度φm53.3≥40

綜合以上分析，在勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)中，必須采用兩級超前-滯后補(bǔ)償器才可得到優(yōu)良的勵磁系統(tǒng)性能指標(biāo)，總結(jié)選擇兩級超前-滯后補(bǔ)償器參數(shù)原則如下：

可見在勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)中采用兩級超前-滯后補(bǔ)償器很容易選擇合適參數(shù)滿足系統(tǒng)要求。

3 結(jié) 語

通過對比不同結(jié)構(gòu)的勵磁系統(tǒng)及相應(yīng)的勵磁系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)物理量在傳遞函數(shù)中參數(shù)的意義，對其PID進(jìn)行仿真計算。在自并勵勵磁系統(tǒng)中選擇一級的超前-滯后補(bǔ)償器完全可以滿足勵磁系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)；在勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)及無刷勵磁系統(tǒng)中選擇兩級的超前-滯后補(bǔ)償器，更易選擇適合的參數(shù)來滿足勵磁系統(tǒng)性能指標(biāo)。

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Excitation system of generator plays a significant role in the static and dynamic stability of power system. How to choose the right PID model according to the excitation mode of excitation system, and considering the blindness and economy of control model selection based on excitation system modes, the PID control models series with excitation system are compared from the current self-shunt excitation system and exciter excitation system. The influence of selecting first-order lead-lag and second-order lead-lag on excitation system is studied, and its simulation results show the self-shunt excitation system selecting first-order lead-lag can fully meet the requirements of excitation system, and exciter excitation system selects second-order lead-lag model, which gives a reference to control equipment selection for generator excitation system.

exciter excitation system; self-shunt excitation system; PID; control model

TM621

：A

：1003-6954(2017)04-0087-04

2017-03-16)

李明強(qiáng)(1983)，助理工程師，主要研究方向為繼電保護(hù)與勵磁控制。