发电机励磁系统的数学模型及PID仿真
330MW 机组励磁系统模型及并网过程仿真
发电机频率∀
ΦΣ
式中 Ν 为汽机转速 Κ 为转速 上接第 合治理∀ 页
装置 采用废水与废弃石膏混合排至灰场进行综 深圳西部电厂采用引进挪威 计 公司海水
参
考
文
献
陈继录 朱琴英 李荣荣 1 加拿大燃煤电厂水污染防 治技术 1 电力环境保护 胡将军 胡基才 1 海水烟气脱硫工艺原理及其目前在 火电厂中的应用 1 污染防治技术 冯玲 杨景玲 蔡树中 1 烟气脱硫技术的发展及应用 现状 1 环境工程 董学德 1 深圳西部电厂 号机组
ΕΦ ΕΦ Κ ςΙ Φ
发电机同期模型 本模型的同期方案是由模型软件和硬件配合
实现的∀ 模型软件给出系统的电压! 频率 并网发 电机的电压! 频率信号及同期装置投入信号 滑差 表开始旋转 同期电压! 频率表指示 和同期成功 信号 同期表指向/ 十0 位置 ∀ 硬件则给出滑差角 度 用于模型软件计算 判断是否满足并列条件等∀ 系统电压和系统频率由外部参数设定 并 可人为改变∀ 发电机电压∀并网前发电机端电压等于空 载电势∀
式中 Π Μ 为汽机净功率 Π Σ 为发电机损耗∀ 发电机视在功率 电流及功率因数 由下列公 式来计算
Σ Π Η Η Ι Π Σ Θ Σ Σ ςΤ Ν# Κ Θ
100
负荷工况测试结果
设计值
1
仿真值
误差
经有关专家测试和验收 认为该仿真机励磁 系统和并网过程的仿真 在实时性! 逼真度和精度 方面均满足要求∀ 该仿真机经过培训运行! 实践 证明了本文所述模型是正确的! 可行的∀ 频率常数∀
升到顶值电压即额定励磁电压的 这种运行方式
1 2
倍 并维持
后可重复∀
Κ Π # ν # Σ ΑΡ 2 1
基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模与仿真研究剖析
硕士研究生学位论文X X大学论文题目(中文)：基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模仿真论文题目(外文)：Modeling and Simulation of excitation system of synchronous generator based on MATLAB/simulink 研究生姓名：XXXX学科、专业：电气工程研究方向：导师姓名职称：论文答辩日期年月日学位授予日期年月日摘要近些年来,电力系统发展迅速,基本形成了高电压、大机组、超远距离输送的模式。
因此,保证电力系统的安全、稳定、高效运行成为了研究的热点与难点。
同步发电机励磁控制系统是同步发电机控制系统的核心。
经过长年的研究证明, 实现对同步发电机励磁的合理有效控制,是实现电力系统稳定运行要求的最快捷、最有效、最廉价的方法。
传统PID控制需要线性的精确模型,无法实现对非线性对象的有效控制,不能及时应对系统运行中被控对象发生的改变,对于目前以至未来电力系统的发展特点,难以实现有效控制。
模糊控制是一种智能控制方法,它不需要精确的数学模型,鲁棒性强,同时设计简单方便,易于实现。
本文从同步发电机励磁控制系统原理入手,在深入学习PID控制与模糊控制理论之后,将两者结合起来,提出了基于模糊PID同步发电机励磁控制策略。
详细阐述了该模糊PID励磁控制器的设计过程,实现了针对同步发电机励磁控制这一非线性系统的实时在线控制。
选取了多组参数对所设计的励磁控制器进行仿真,与常规PID控制效果进行比较分析。
实验结果表明本文提出的基于模糊PID的同步发电机励磁控制效果良好,系统的动态特性和静态特性相对于传统PID励磁控制都得到改善,能够对系统运行状态的改变做出及时合理的调整,响应速度快,超调量小,调整时间短,使系统具有较强的适应和抗干扰能力,控制效果明显提高；对于传统PID控制无法解决的非线性问题,模糊PID控制依然有良好的控制效果,体现出解决非线性控制问题的优势。
发电机励磁系统的数学模型及PID控制
发电机励磁系统的数学模型及PID控制仿真一设计意义、任务与要求1.1电力系统建模的重要意义1.2设计任务建立同步发电机、电压测量单元、功率放大单元与PID调速器的传递函数；通过Matlab的建模及仿真，对阶跃响应情况进行分析；加入PID调节环节，使励磁控制系统的动态特性曲线满足动态指标。
1.3设计要求我国国标《大、中型同步发电机励磁系统基本技术条件》（GB7409-1987）对同步发电机动态响应的技术指标作如下规定：1）同步发电机在空载额定电压情况下，当电压给定阶跃响应为±10％时，发电机电压超调量应不大于阶跃响应的50％，摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s。
2）当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间不应该超过10s,电压摆动次数不大于3次。
二方案设计与论证现代电力系统的稳定性是电力系统安全运行的主要问题之一。
随着我国电力工业的迅速发展，单机系统容量不断增大，区域间互联增多，电源点远离负荷中心，线路长趋于重负荷运行之下，以及电力系统与发电机组控制复杂化等因素都造成电力系统的稳定性下降，使得稳定问题成为我国电力系统中相当突出而又迫切需要解决的任务。
大量的理论分析和实践经验证明，为了提高电力系统稳定性而采取的措施中，发电机的励磁控制具有明显的作用，是一个经济而又有效果的手段。
通过对发电机施加合适的励磁控制，可以使之工作在人工稳定的区，提高输送功率的极限，提高系统稳定储备，改善系统静态稳定性能。
通过附加控制，增加阻尼，可以改善系统的动态稳定性。
因此，改善发电机励磁控制技术，使之跟有效的服务于电力系统安全稳定运行，便成为一个重要的课题。
因为本设计主要针对PID调节在励磁控制中的作用，因此设计方案设有无PID调节励磁控制和有PID调节控制两个方案，并进行对比，分出优劣，选取效果极佳的方案。
同步发电机励磁系统是指向同步发电机提供励磁的所有部件的总和，包括励磁功率部件、励磁控制部分、发电机电压测量和无功电流补偿部分，以及电力系统稳定器（简称PSS ），见图2-1。
发电机励磁控制系统MATLAB仿真 (1) 2
上海电力学院《自动控制原理》MATLAB仿真实验报告课程：自动控制原理题目：发电机励磁控制系统院系：电气工程学院班级：2010021姓名：学号：20102168发电机励磁控制系统（PID 、超前、滞后控制）仿真一、仿真模型图1发电机励磁控制系统模型如图所示为发电机励磁控制系统模型。
功率励磁装置的传递函数为11f T S+，发电机的等效传递函数为11d T S'+，10.05T s =，0.5f T s =，5d T s '=，20K =，分别用不同的控制器（PID ，超前，滞后）使系统相位域量50γ≥，误差系数大于40。
，在实验过程中比较不同控制器的特点。
二、系统控制器 （1） PID 控制器PID 控制器有三个可以调整的参数，即p K 、i T 和d T ，11c p d i G K T s T s⎛⎫=++ ⎪⎝⎭这种控制器既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。
当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。
只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。
PID 控制器特别适用于过程的动态特性是线性的而且控制性能要求不太高的场合。
（2） 超前校正控制器超前校正装置的主要作用是通过其相位超前效应来改变频率响应曲线的形状，产生足够大的相位超前角，以补偿原来系统中元件造成的过大的相位滞后。
利用其相位超前特性，可以增大系统的稳定裕度，提高动态响应的平稳性和快速性；对提高系统稳态精度作用不大，系统抗干扰能力有所下降（一般用于稳态精度已基本满足要求，但动态性能差的系统）；利用校正函数()11c p TSG s K TSα+=+，()1α>求得参数进行校正。
无刷同步发电机励磁系统设计及仿真
无刷同步发电机励磁系统设计及仿真摘要：励磁系统是无刷同步发电机的重要组成部分，其性能对于发电机组乃至整个电力系统的运行效率和运行特性都具有决定性作用，一般来说，性能优良的励磁系统不仅能保证发电机安全稳定运行，还能保证电能质量以及电力系统静态、暂态稳定。
本文首先对无刷同步发电机励磁系统的作用进行简要论述，并着重在常规PID控制的励磁系统的基础上对基于模糊PID控制和基于BP神经网络PID控制的无刷同步发电机励磁系统的设计及仿真进行研究。
关键词：无刷同步发电机；励磁系统；模糊PID；BP神经网络；仿真无刷同步发电机具有改善电力系统稳定性的优良特性，而励磁系统在发挥无刷同步发电机的优良特性方面起着关键作用，可靠性高、性能优良且具有良好稳定性的励磁系统对于发电机组乃至整个电力系统的的安全运行起着非常重要的作用，因而在电机设计中的电磁设计占有重要地位。
无刷励磁系统由于无碳刷和滑环，要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，所以其维护工作量较少，能承受高速旋转的离心力，且适合在危险的环境中运行，另外，由于没有接触部件的磨损，可延长电机绝缘寿命，是现代中小型电机和大型无刷励磁系统首选励磁方式。
本文将对基于模糊PID控制和基于BP神经网络PID控制的无刷同步发电机励磁系统的设计及仿真进行研究。
一、无刷同步发电机励磁系统的作用无论发电机机组或电力系统是在稳定状态下还是在固定状态下运行，无刷同步发电机的励磁系统都起着非常关键的作用。
首先，在发电机正常运行工况下，励磁系统向发电机提供励磁电流，并且根据电力负载情况进行实时调节励磁电流，以将发电机端口电压维持在给定水平；其次，当机组并网运行时，无刷同步发电机的励磁系统合理分配机组间的无功功率；第三，改变励磁电流从而改变总含有发电机空载电动势，以此来改善系统稳定性，提高有功功率的传输能力，扩大机组运行的稳定区域；当电力系统发生电路故障比如出现短时低电压等情况，励磁系统可通过大幅增加励磁以提高电压，改善发电机运行条件，提高继电保护装置动作准确性，进而保证整个电力系统的暂态稳定性。
同步发电机励磁系统的PID控制仿真
同步发电机励磁系统的PID控制仿真李昂【摘要】励磁系统是同步发电机的重要组成部分,也是一个典型的反馈控制系统,单纯按机端电压偏差进行的PID控制其阻尼特性较差,易产生低频振荡.本设计引入辅助控制环节一电力系统稳定器(PSS)增加正阻尼转矩,通过建立基于MATLAB/Simulink的典型单机-无穷大系统发电机励磁系统的仿真模型,模拟了同步发电机在短路等大扰动下暂态过程的运行特性,仿真结果表明该设计能够有效地提高系统的阻尼作用,改善发电机的运行特性,提高电力系统的动态稳定性.%Excitation system is an important part of synchronous generator, and it is also a typical feedhack control system,simply by terminal voltage deviation of the PID control the damping characteristics of poor, easy to produce low-frequency oscillations. The design of the introduction of auxiliary control unit-power system stabilizer (PSS) is to increase the damping torque, through established the simulation model on the PID control in excitation system of a typical single-machine infinitepower system based on MATLAB/Simulink, to simulate the synchronous generator's transient operating characteristics under large disturbance such as short-circuit fault, simulation results show that the design can improve the system damping and the generator operating characteristics, increase power system dynamic stahility.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2011(019)002【总页数】4页(P104-106,109)【关键词】同步发电机;励磁系统;PID控制;电力系统稳定器;MATLAB/Simulink 【作者】李昂【作者单位】陕西理工学院,电气工程系,陕西,汉中,723003【正文语种】中文【中图分类】TM921.5同步发电机是电力系统唯一的有功功率电源，也是重要的无功功率电源，其控制性能的好坏将直接决定电力系统的安全与稳定运行。
同步发电机励磁系统智能PID控制仿真研究
同步发电机励磁系统智能PID控制仿真研究苏渊【摘要】针对同步发电机励磁调节系统在参数寻优和控制性能方面存在的问题,利用遗传算法快速的搜索能力,找到提升控制性能的参数,在此基础上,将模糊控制与PID控制结合,利用模糊推理方法在线调整PID控制参数,在MATLAB环境下进行了系统仿真,结果表明,控制性能较普通PID控制更为优越.%For solving the problems in parameters optimization and control performance of the excitation system of synchronous generator, the rapid searching ability of Genetic Algorithm is used to find out the parameters which can improve control performance. After combining fuzzy control and PID control together, the PID parameters can be adjusted online by fuzzy reasoning. The MATLAB-based simulation shows that the control performance of this model is better than that of conventional PID control.【期刊名称】《水力发电》【年(卷),期】2011(037)009【总页数】3页(P68-70)【关键词】PID控制;遗传算法;模糊控制;MATLAB仿真【作者】苏渊【作者单位】重庆电力高等专科学校电力工程系,重庆 400053【正文语种】中文【中图分类】TV698.2(271)0 引言自动励磁调节器是励磁系统中的核心控制部件，它应用微机控制技术，根据一定的控制算法编写计算程序，完成对同步发电机机端电压和输出无功的控制。
发电机励磁系统建模及仿真
１２倍额定 电压下的饱和系数／ 。 ． ｜ ｓ
２・
・
第 ２期
刘金森 ， ： 电机励磁 系统建模及仿真 等 发
型的 Ｐ Ｓ Ｓ 。根据原始资料提供的 Ｐ Ｓ Ｓ 传递函数及试 验中确定的参数 ， Ｂ Ａ暂态稳定程序 中， 在 Ｐ 可以确 定采用 ｓ 型 Ｐ Ｓ Ｉ Ｓ 模型 ， 其框 图如 图 ５所示 ， 参数设
ｔｍ ｄ ｌｓｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ Ｉ ｈ ｓｐａ ｅ ，ｈ ｎ ｍｉ ｈａａ ｔ ｒｓｉｓａ ｄ ｒ ｌｖ ｎ ａ ａ ｔｒ ｆｔ ｅ ｅ ｃ ｔ－ ｅ ｍｏ ｅ ｔｕ ｔ ｒ ａ ａ ｔ ｒ ． ｎ ｔ ｉ ｐ ｒ ｔ ｅｄｙ ａ ｃ ｃ ｒ ｃｅ ｔ ｎ ｅ ｅ ａ ｔｐ ｒ ｍｅｅ ｏ ｈ ｘ ｉ ｎ ｉ ｃ ｓ ａ
２１ ０ １年 ２月 第 ｌ ４卷 第 ２期
２ １ ，Ｖ ｌ ４，Ｎｏ ２ ０ １ ｏ ，１ ．
贵州电力技术
ＧＵＩ ＺＨＯＵ ＥＬＥＣＴＲＩ ＰＯＷ ＥＲ Ｃ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
电 网科 技
Ｐｏ ｒＧｒｄ Ｔｅ ｈｎ ｌｇ ｗｅ ｉ ｃ ｏｏ ｙ
发 电 机 励 磁 系 统 建 模 及 仿 真
关键 词 ： 励磁 系统； 电机 ； 发 系统建模 ； 参数 ； Ｐ ＢＡ 文章编 号 ：０ ８— ８ Ｘ ２ １ ） ０ ０ — ３ 中图分类号 ： Ｍ ４ 文献标识码 ： １０ ０ ３ （ ０ １ ２－ ０ １ ０ Ｔ７ Ｂ
电力 系 统 已进 入 大 电 网、 电 压 、 机 组 的时 高 大 代 。随 着 电网规 模 的扩大 ， 机组 容 量 的提高 ， 机组 运 行稳 定性 的要 求 也 随之提 高 。发 电机励 磁 系统参 数 是 电 网运行 的重 要 参数 之 一 ， 电力 系统 的暂 态 稳 对 定控 制具 有重 要 作 用 。 因此 ， 有必 要 对 发 电机 组 的 励 磁 系统 进行 研究 分 析 ， 仿 真 软件 中建 立 励 磁 系 在
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目录 (1)
摘要 (2)
一、设计意义、任务与要求 (3)
1.1设计意义 (3)
1.2设计要求 (3)
二、设计与论证 (3)
2.1同步发电机传递函数 (3)
2.2电压测量单元 (3)
2.3功率放大单元 (4)
2.4同步发电机励磁控制系统框图 (4)
2.5 同步发电机励磁控制系统传递函数 (4)
三、同步发电机励磁控制系统的Matlab电路设计与仿真 (5)
3.1 电路设计 (5)
3.2 simulink仿真图 (5)
3.3 第二种电路设计 (6)
3.4 simulink仿真图 (6)
四、同步发电机励磁系统的PID控制仿真 (7)
4.1 PID控制器 (7)
4.2 含有PID控制器的同步发电机励磁控制系统电路设计 (8)
4.3含有PID控制器的同步电机励磁系统simulink仿真 (8)
五、结果分析与总结 (9)
参考文献 (10)
我们这次举例的发电机励磁控制系统是通过功率放大单元、电压测量单元、同步发电机等环节构成，是一个很简单的发电机励磁控制系统，但是简单的系统更容易说明问题。
PID控制器是由比例（P）、微分（D）、积分（I）三个小的环节组成，我们这次通过MATLAB的SIMULANK仿真来展示一个发电机励磁控制系统，并且展示PID控制系统在发电机励磁系统中神奇的作用。
关键词：发电机励磁控制系统 PID控制器 SIMULANK
一、设计意义、任务与要求
1.1设计意义
电机励磁系统在结构上属于一个自动控制系统，而自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控机构上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样。
1.2设计要求
我国国标《大、中型同步发电机励磁系统基本技术条件》（GB7409-1987）对同步发电机动态响应的技术指标作如下规定：
（1） 同步发电机在空载额定电压情况下，当电压给定阶跃响应为±10％时，发电机电压超调量应不大于阶跃响应的50％，摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s 。
（2） 当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间不应该超过10s,电压摆动次数不大于3次。
二、设计与论证
同步发电机励磁系统的数学模型
在仿真设计之前，有必要分析系统中各个环节的工作原理，得出其传递函数，从而完成系统的开环、闭环传递函数的分析，本文采用简化的传递函数来表征系统各个组成部分的数学模型。
2.1同步发电机传递函数
假设该系统中的发电机的双输出绕组是严格同步变化的，在不考虑发电机磁路的饱和特性是，同步发电机的传递函数可以简化为以下一阶滞后环节：
s
Td K G G
S G 01+=
）（
式子中：G K 为发电机的放大系数取1，0Td 为其时间常数取1，忽略发电机磁场饱和现象。
2.2电压测量单元
电压测量完成励磁同步发电机输出电压到数字控制器输入信号的转化，其中镇流滤波电
路略有延时，可用一阶惯性环节来近似描述，因此，测量比较单元的传递函数可用下式表示：
s
K G T R C
S M +=
1）（
式子中：C K 为电压传感器的输入输出的比例，T
R
为滤波回路的时间常数取1。
2.3功率放大单元
功率放大主要是指由励磁控制器输出小的控制信号
U
PWM
，到励磁功率器件的输出
U
F
之间的功率转换作用。
该单元可认为是一阶惯性环节，其传递函数为：
s
K G T A A
S A +=
1）（
式子中：A K 为放大环节的电压比例，T
A
为放大环节的时间常数，一般很小，取
T
A
等于
1。
2.4同步发电机励磁控制系统框图
根据同步发电机励磁控制系统的结构，得出该系统传递函数框图如图1所示。
【3】
同步发电机励磁系统原理框图
2.5 同步发电机励磁控制系统传递函数
有上述单元传递函数及其系统框图可得励磁系统的传递函数：
取：Kg=1，Td0’=1，Kc=3，Tr=1，Ka=2，Ta=1
三、同步发电机励磁控制系统的Matlab电路设计与仿真
3.1电路设计
分析好励磁控制系统的数学模型后，使用Matlab中的Simulink设计仿真的电路图，严格按照分析好的数学模型进行设计，设计并调整好参数的图形如图二所示：
Matlab仿真原理图
3.2 simulink仿真图
仿真图显示系统图线有波动，但是扰动极小，数值不足1，是稳定的同步发电机励磁系统。
3.3 第二种电路设计
假如给方案一的电路电压测量单元增加一个小的输入环节，观察同步发电机励磁系统的变化，看看能否出现健康的、平稳的响应曲线，以便于确定这个系统是否能使系统状态稳定
3.4simulink仿真图
在电压测量环节增加一个输入环节后，系统状态响应曲线的波形只有微小的变化，同样波动不超过1，是稳定的发电机励磁系统。
将坐标范围放大到-100--+100后的平稳状态曲线
四、 同步发电机励磁系统的PID 控制仿真
4.1 PID 控制器
励磁控制系统的校正
常规PID 控制方式的控制器传递函数为：
()⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛++=s T s T K S G d i P C 1
1
采用PID 调节器对系统进行矫正，PID 调节器的函数为：
()s s s s
s s K s K K S G I P 222
*21*2d c ++=
+
+=++=
取Kp=1，Ki=2，Kd=2 校正后系统的传递函数为：
s
s s s s s s s G s G c 7334
662)()(23423++++++=
4.2 含有PID 控制器的同步发电机励磁控制系统电路设计
4.3含有PID 控制器的同步电机励磁系统simulink 仿真
五、结果分析与总结
由仿真结果可知，引入PID控制算法后明显改善了发电机励磁系统的调节特性，并具有良好的跟踪特性。
在引入PID控制器之前，整个发电机励磁控制系统只不过是一个接近0态的低水平稳定系统，加入了PID控制器，发电机励磁控制系统通过一个过程，成了高水平的电机自动控制励磁系统，可见，加入PID
控制器对于发电机励磁的调节有很好的作用。
各种结构不同的发电机励磁控制系统有不同的输出响应，适应不同的参数与效应，在各种不同的励磁控制系统中，PID控制器的参数需要用多种方法整定，比如凑试法，经验公式法，整定合适的PID控制器据就可以很好的调节励磁控制系统的稳定性。
我们在这次实验中通过简单的励磁控制系统完成了SIMULANK仿真，虽然过程中遇到了很多问题不会处理，但在我们经过我们小组共同学习，以及老师的指导，我们圆满的完成了本次设计。
参考文献
【1】王润，倪远平.基于模糊PID算法的同步发电机励磁控制器设计与仿真研究【J】.甘肃科学学报，2012
【2】李昂.同步发电机励磁系统的PID控制仿真【J】.电子设计工程2011
【3】王润，倪远平.基于模糊PID算法的同步发电机励磁控制器设计与仿真研究【J】.甘肃科学学报，2012
【4】白志刚.自动调节系统解析与PID整定【M】.北京：化学工业出版社，2012
【5】黄小峰.PID在发电机励磁控制系统中的应用【J】.电机技术
【6】梁建行，易先举.三峡电站发电机励磁系统主要参数设计计算【J】.人民长江，2005。