基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模与仿真研究硕士研究生学位论文.docx

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基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模与仿真研究硕士研究生学位论文

硕士研究生学位论文

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）：

ModelingandSimulationofexcitationsystemofsynchronousgeneratorbasedonMATLAB/simulink

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

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。

关键字：

同步发电机；励磁控制系统；MATLAB建模；PID控制；模糊控制

Abstract

Inrecentyears,thepowersystemisdevelopingfast.Basicallyformedahigh-voltage,lagerunits,ultra-long-rangetransportmodel.Therefore,safely,stableandrunningefficientlytobecometheresearchfocusanddifficultaboutthepowersystem.Synchronousgeneratorexcitationcontrolsystemisthecoreofthecontrolsystemofsynchronousgenerator.Throughmanyyearsresearchhaveprovedthat,toachievereasonableandeffectivecontrolofsynchronousgeneratorexcitationistoachievepowersystemstableoperationoftherequirementsofthequickest,mosteffectiveandcheapestway.

TraditionalPIDcontrolneedsanaccuratemodelofthelinear.Itcannotachieveffectivecontrolofthenonlinearobject.Anditcannotrespondpromptlytothestatuschangewhenthesystemrunning.Tothepresentandfuturecharacteristicsofthedevelopmentofthepowersystem,itisdifficulttoachieveeffectivecontrol.

Fuzzycontrolisanintelligentcontrolmethod.Itisnotrequireaprecisemathematicalmodel,robustness,whilethedesignissimpleandconvenient.Also,itiseasytoimplement.

Inthispassage,itisstartingfromthesynchronousgeneratorexcitationcontrolsystemtheory.AfterdepthlearningPIDcontrolandfuzzycontroltheory,proposedasynchronousgeneratorexcitationcontrolstrategybasedonfuzzyPID,whichcombiningthetwo.Andthen,elaboratethedesignprocessthatbasedonthefuzzyPIDexcitationcontrol.Itisachievethereal-timeonlinecontrolofnonlinearsystem.SelectedsomesetsofparameterstosimulatetheexcitationcontrollerwhichdesignedwithconventionalPIDcontroleffect.ExperimentalresultsshowthatthesynchronousgeneratorexcitationcontrolbasedonthefuzzyPIDhasagoodeffect.ThedynamiccharacteristicsandstaticcharacteristicsofthesystemcomparedtotheconventionalPIDexcitationcontrolhaveimproved.Tothechangingofthesystemcanmaketimelyandreasonableadjustment,fastresponse,smallovershoot,shortadjustment.Sothatthesystemhasstrongadaptedabilityandanti-jammingcapability,controlhasimprovedobviously.FuzzyPIDcontrolfornonlinearproblemsthatthetraditionalPIDcontrolcannotbesolved,stillhavegoodcontroleffect,reflectingtheadvantagetosolvenonlinearcontrolproblems.

Keywords:

Powersystemstability;Nonlinearsystem;Excitationcontrol;PIDcontrol;

Fuzzycontrol

目录

1绪论4

1.1国内外研究现状4

1.2未来走向7

2发电机励磁系统的作用及分类8

2.1励磁系统作用8

2.1.1维持电压水平8

2.2励磁系统分类9

2.2.2他励旋转硅整流器励磁方式（无刷励磁系统）10

3同步发电机励磁系统建模12

3.1发电机模型和励磁系统12

3.2主励磁系统（励磁电源）的数学模型12

3.3励磁调节器（AVR）数学模型15

4同步发电机模糊PID励磁控制器设计19

4.1常规PID控制器原理与设计20

4.1.1PID控制原理20

4.2基于模糊PID控制器的同步发电机励磁控制器设计22

5系统仿真实验与结果分析23

5.1Simulink环境下的同步发电机励磁控制建模23

5.2模糊控制器设计27

5.2.1模糊拉制器的组成原理27

5.2.2参数整定原则27

5.2.3仿真实验28

5.2.4发电机时间常数突变情况的仿真实验及结果分析29

6总结与展望34

6.1本文总结34

6.2进一步工作的展望35

1绪论

1.1国内外研究现状

早在20世纪70年代美国电力科学院（EPRI）就已提出用在线测试技术测试电机参数，并强调电机参数与运行方式密切相关，其后Demello、Dandero、Bollinger、UTA和GE公司先后对四大参数（指发电机、励磁机、原动机和调速器、负荷模型的有关参数）开展工作。

在现场测试方面，日本的日立公司和关西电力公司于1981年对全套发电机组参数进行了现场在线测试。

在此基础上，IEEE所属电力系统各分委会自1972年起相继发表了有关励磁系统、原动机及调速器和负荷的数学模型。

在四类参数测试中，励磁系统参数测试工作研究较多，现已形成了一套成熟的技术。

在国内，清华大学电机系较早开展辨识技术的研究和应用H1，取得了可喜成果。

上世纪90年代以来，东北、华北、西南等地区的电力试验研究院和电力公司都做过励磁系统参数辨识的工作阳1，用的方法主要是时域法和频域法。

在励磁系统参数估计方面，国外进行了许多工作，1975年M。

J。

Gibbard等人提出了时域和频域的测量方法№儿"阳1。

时域辨识法首先做阶跃响应试验，以便对系统特性有初步的了解，然后向被测的励磁系统注入PRBS（二位式伪随机信号），利用模拟乘法器和积分器完成数据处理计算，求出系统的脉冲响应，由于条件的限制，这种方法的计算速度慢，精度不高。

频域辨识法采用FRA（频率响应分析仪），用不同频率的小正弦信号做输入，逐点测试，做出系统的频率响应曲线，进一步拟合出参数。

采用这种在离散频率下进行量测的频率响应分析仪，一方面在信号频率和大小的选择方面必须小心，特别是在系统谐振频率附近。

在接近发电机系统低频振荡频率（约0。

2—2Hz）时，需要十分小心。

一般没有专门的保护措施，试验很难将频率引向高于7Hz处。

另一方面，由于离散化逐点测量，现场试验时间长，对电力系统正常运行影响大，却很难保证测量的同时性，试验的精度难以很好地保证。

在发电机参数估计方面，1979年余耀南教授提出了一种基于最小二乘法判据的发电机参数估计方法，以后又有人进一步研究了发电机参数的估计方法。

1982年K。

E。

Bollinger等人提出用FFT（快速傅立叶变换）辨识法测试励磁系

统参数的方法1，采用的仪器是FRA—03（频率响应分析仪，实质上是一种FFT分析仪），输入信号采用PRBS码，整个频谱上的响应是同时获得的，缩短了实验时间，对系统扰动小，由于随机频率的干扰，输入信号和系统产生谐振的可能性很小。

该方法的测试对象是励磁系统的简单支路。

它每次只测某一单个环节（按一阶惯性环节等效）的频率特性，从Bode图进行作图分析，手工计算得到参数。

这种方法需要作进一步改进，因为：

①采用作图法不能保证一定的精度，且待测系统的阶数增高时，无法用作图法求解。

②该方法逐渐测试求出每一单个环节的参数，因此要求出整个系统的全部参数，测试时间仍然不能缩短。

③该方法在比较

简单的励磁系统和采用简单的控制模型时才是可行的。

因为这种系统的各环节之间相互反馈很少，所测信号能够引出，但对于复杂的励磁控制系统和采用比较完善的控制数学模型时，特别是电力系统现场测试，模型中许多物理量，在实际中很难测量，也找不到对应的测点，即该方法不能适应于高阶系统。

在参数测试方面主要存在的问题有：

①如何在不降低精度的条件下，利用现场容易量测的量测出所需的频率响应。

②如何解决人工作图拟合参数，误差大，高阶无法求解参数的问题。

③如何采用软件拟合技术尽量减少测量量，缩短试验时间，保证精度，适合于高阶系统。

④如何找到一种有效的方法消除测量所用设备（如低通滤波器，电压变换器等）对结果的影响，提高测量精度。

总之，该方法要成为简单可行的

现场试验方法，必须缩短试验时间，保证结果的精度，能适用于高阶系统。

在求取参数的方法和数据滤波、去除干扰方面作了改进，不同程度上提高了频域辨识法的效率。

由于频域辨识方法的改进、试验设备性能的提高，频域辨识技术在励磁系统参数辨识中已得到工业应用。

频域法应用信号处理技术，通过快速傅立叶变换将时域信号转换到频域进行处理，得到系统频域响应，再利用拟合技术求取励磁系统的模型参数，其优点是输入为伪随机信号，不影响机组正常发电，测试方法实用，可以直接求得传递函数系数。

时域辨识法按模型分类，可分为两类。

第一类是非参数型辨识法：

首先获得待测系统的非参数特性模型，即脉冲响应或阶跃响应，再用动态拟合技术，求得系统的传递函数。

第二类是参数辨识法：

以系统的微分方程为研究对象，对微分方程的等式两边进行积分、滤波及正交变换等处理，直接求得微分方程的各阶系数，或者用状态空间模型，以具体参数为估计对象，通过最小二乘法直接得到具有物理意义的特性参数。

在文献先后都应用了时域辨识法进行励磁系统的参数辨识。

从这两种辨识方法的操作过程来看，参数辨识法更简便，故在发电机励磁系统参数辨识中应用较多。

国内1993年提出的频率响应拟合法（FFT／LSE）在之后的现场励磁系统参数辨识中得到广泛的应用。

FFT／LSE法应用了信号处理技术，通过FFT变换将系统输入输出时域信号转换为频域信号后，经噪声滤波，获得非参数的结果，即获得系统的幅频特性、相频特性，通过LSE方法拟合，最后获得估计的参数。

随着电

力系统参数辨识的发展，各种智能辨识法也越来越多的应用于励磁系统的参数辨识。

文献提出了一种基于遗传算法的励磁系统辨识方法，通过建立待辨识励磁系统的传递函数结构模型，以励磁系统的实际输入作为模型的输入，以实际励磁系统和模型的输出误差最小作为目标，利用遗传算法对模型参数进行优化调整，最终得到满足误差要求的励磁系统参数。

该方法的优点在于解决了目前电力系统中常用的辨识方法无法对非线性环节进行有效辨识的问题，且根据输入输出采样直接在时域上进行参数辨识，能直接得到传递函数框图环节参数，无需转换。

1.2未来走向

关于同步发电机励磁控制，还有一些关键的问题迄今没有得到很好地解决，它们是进一步研究的重点所在。

1）多机系统中的“强”非线性问题，即考虑控制限幅、饱和、切换以及各种实际约束（如端电压约束）条件下的控制系统综合和分析问题。

现有的绝大多数非线性励磁控制所针对的只是常规非线性（或称为光滑可逆非线性）问题，而对工程实际中广泛存在的强非线性“视而不见”，或者只是做事后的定性校验；针对单机无穷大电力系统提出了一种考虑输入限幅和机组端电压约束的分段LQ励磁控制策略，而对于一般情况的多机电力系统尚需要进行更深入的研究。

2）将针对大型电力系统任意信息模式下的协调控制理论和针对小型孤立系统的鲁棒自适应设计方法结合起来，解决大系统下考虑参数和结构不确定性的鲁棒自适应励磁控制问题。

3）多目标协调问题。

由于控制手段增多，调节系统的侧重点和能力各异，因此有必要从整体出发，规划不同控制手段之间的协调工作方式，以解决电力系统的多目标控制问题。

4）动态协调控制问题。

目前的协调控制设计大多仅停留在离线规划水平，较少考虑系统运行方式和网络拓扑变化对协调控制策略的要求，进一步的研究应该考虑控制器之间的在线动态协调问题。

5）电力工业市场化运行机制对系统安全稳定控制、包括机组励磁控制的新要求。

6）基于GPS的多机系统励磁优化协调控制的研究。

在对励磁控制进一步探索的过程中，研究工作者应本着实事求是的科学态度，既从理论自身的发展规律出发，又要结合工程实际需要，脚踏实地地解决问题，并注意避免以下几个误区:

1）“削足适履”。

不从实际出发，为了套用某种

“新”的控制方法，对系统模型进行与现实情况不符的假设和简化，从而得出不合理的结论。

2）“拘泥细节”。

没有抓住问题的主要方面，沉溺于细枝末节的研究。

一个很明显的例子是，在研究励磁控制提高系统阻尼特性时，很多学者过份追求“摆几摆”的问题。

3）“以偏概全”。

在比较不同控制方法的效果时，应做到公正客观，全面分析其利与弊，不要以偏概全，攻其一点，不及其余，对自己研究的方法的优点也不要故意夸大，只有实事求是才能把我们的研究推向新的高度。

总之，同步发电机励磁控制研究已经