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技術(shù)文章

同步發(fā)電機(jī)再同步的模糊控制器研究
摘  要：在電力系統(tǒng)中，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)由于失磁、過負(fù)荷及遭受小干擾或大干擾時(shí)可能會使系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞并造成失步而切機(jī)，從而使系統(tǒng)有較大的功率缺額和經(jīng)濟(jì)損失。為此,尋求一種較好的再同步控制措施具有很大的實(shí)際價(jià)值。該文基于多機(jī)電力系統(tǒng)再同步附加斷續(xù)控制原理，提出了用模糊控制器來實(shí)現(xiàn)這種控制策略。通過數(shù)字仿真驗(yàn)證了其優(yōu)越性和有效性。
    關(guān)鍵詞：試驗(yàn)變壓器；失步；再同步附加斷續(xù)控制；模糊控制器

1  引言
    保持電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的同步運(yùn)行是電力試驗(yàn)變壓器系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。因此，電力系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性的概念也都是以電力系統(tǒng)中任一發(fā)電機(jī)是否失去同步運(yùn)行為依據(jù)。在電力系統(tǒng)中，一旦發(fā)電機(jī)進(jìn)入異步運(yùn)行，就應(yīng)立刻將其切去，以保持電力系統(tǒng)其他部分的正常運(yùn)行。但是，由于電力系統(tǒng)容量的日益擴(kuò)大使系統(tǒng)具有較大的無功功率備用，特別是廣泛采用了快速勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)和其他自動裝置之后，為發(fā)電機(jī)的短時(shí)非同步運(yùn)行和迅速恢復(fù)再同步提供了客觀的可能性。實(shí)踐證明，在很多情況下短時(shí)異步運(yùn)行是允許的，而且不會導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行的嚴(yán)重后果。但是，異步運(yùn)行只能看作是一種暫時(shí)的不正常運(yùn)行或進(jìn)入正常運(yùn)行方式前的過渡過程，希望經(jīng)過一定時(shí)間以后，通過人工的干預(yù)或自動裝置的作用牽入同步，恢復(fù)或進(jìn)入正常運(yùn)行。這樣就要求確定從異步運(yùn)行進(jìn)入同步的可能性及其條件，并研究保證進(jìn)入同步的具體措施[1,2,6]。
    在發(fā)電機(jī)失步后異步運(yùn)行期間，應(yīng)對發(fā)電機(jī)采取恰當(dāng)?shù)目刂?，使之在引起較小的振蕩和較小的轉(zhuǎn)差情況下把發(fā)電機(jī)快速地拉入同步。過去采用的控制方式有：① 整定調(diào)速器調(diào)差系數(shù)，減少原動機(jī)出力； ② 在失步后將勵(lì)磁回路短接，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)異步運(yùn)行后再選擇適當(dāng)時(shí)刻重投勵(lì)磁，使之拉入同步； ③時(shí)間*優(yōu)控制； ④ 非試驗(yàn)變壓器線性參數(shù)優(yōu)化； ⑤分段線性*優(yōu)控制等等。文獻(xiàn)[3]提出了再同步附加斷續(xù)控制策略，這是按照過程的不同階段采用的不同控制措施，具有較好的魯棒性和自適應(yīng)性。并且，控制規(guī)律簡單、容易實(shí)現(xiàn)和便于工程應(yīng)用。通過數(shù)字仿真研究和用微機(jī)構(gòu)成的在線控制器進(jìn)行動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，證明了其原理的可行性和實(shí)用性。
    本文在再同步斷續(xù)控制原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基于再同步斷續(xù)控制的模糊控制器控制方式，它可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線控制。在單機(jī)-無窮大系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)中對其進(jìn)行的數(shù)字仿真結(jié)果證明，此控制措施具有較好的控制效果，控制方式簡單,并且具有自適應(yīng)特點(diǎn)。
2  再同步附加斷續(xù)控制原理簡述
    再同步附加斷續(xù)控制策略具體原理分析見文獻(xiàn)[3~5]，其控制規(guī)律簡述如下：
   （1）再同步勵(lì)磁控制   ①當(dāng)檢測到失步后，使勵(lì)磁電壓達(dá)正頂值，以便增大電功率，使之盡快拉入再同步； ②當(dāng)檢測到滑差過零后，使勵(lì)磁電壓達(dá)負(fù)頂值，以減小電功率，防止滑過同步； ③當(dāng)發(fā)電機(jī)再次加速，施加正比于加速度的勵(lì)磁控制信號時(shí)，增加阻尼力矩，以防止再同步失??； ④當(dāng)發(fā)電機(jī)再次減速時(shí)，切除附加斷續(xù)勵(lì)磁控制，僅由常規(guī)AVR工作。
   （2）再同步快關(guān)汽門控制   ①當(dāng)檢測到失步后，迅速關(guān)閉汽門，以減少機(jī)械功率，使之盡快拉入同步； ②當(dāng)檢測到滑差過零時(shí)，較快地開啟汽門，增加機(jī)械功率，以防止滑過同步； ③當(dāng)發(fā)電機(jī)再次加速，將正比于加速度的控制信號作用于調(diào)速器輸入端，增加阻尼力矩，以防止再同步失??； ④當(dāng)發(fā)電機(jī)再次減速時(shí)，退出附加控制，僅由調(diào)速器工作。
3  模糊控制器的原理
    實(shí)現(xiàn)模糊控制器的模糊結(jié)構(gòu)共有3個(gè)部分，包括2個(gè)輸入量、模糊控制器和1個(gè)輸出量。實(shí)現(xiàn)再同步附加斷續(xù)控制原理的模糊控制器結(jié)構(gòu)應(yīng)由4個(gè)模糊系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)完成此原理的一個(gè)階段。其中**個(gè)模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖1。其它的3個(gè)類似，在這里就不一一繪出了。
    圖1中，輸入量是轉(zhuǎn)差S和轉(zhuǎn)差的導(dǎo)數(shù)dS，輸出量是**個(gè)控制操作oper1。從發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)差S的語言變量值有5個(gè)：正大（PB）、正中（PM）、零（Z）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟B），論域?yàn)閇-0.01,0.01]。轉(zhuǎn)差的導(dǎo)數(shù)dS的語言變量值有3個(gè)：正大（PB）、零（Z）、負(fù)?。∟B），論域?yàn)閇-0.1,0.1]。輸出量為模糊控制器得到的控制措施，即進(jìn)行的操作。它有3個(gè)語言變量值：正大（PB）、零（Z）、 負(fù)?。∟B），論域?yàn)閇-1，1]。其隸屬函數(shù)如圖1所示。其他3個(gè)模糊控制器依次類推可得。模糊控制器由模糊化接口、模糊控制規(guī)則、模糊推理、去模糊化接口4個(gè)部分組成。模糊化接口是根據(jù)**輸入模擬量及對應(yīng)的隸屬函數(shù)，來確定與其相關(guān)的語言變量值的隸屬度。模糊控制規(guī)則采用的格式為：若A且B則C，即如果滿足條件A和B，則執(zhí)行控制C。


    模糊推理采用Mamdani方法,去模糊化采用中位數(shù)法，其推理過程如圖2所示。
    圖3是控制措施的三維控制圖。
    為實(shí)現(xiàn)附加斷續(xù)控制，模糊控制器應(yīng)由4個(gè)模糊子控制器組成，每個(gè)模糊子控制器完成附加斷續(xù)控制的1個(gè)過程階段，圖4是整個(gè)模糊控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可看出，4個(gè)控制器對應(yīng)著4個(gè)控制階段，而每個(gè)控制器的輸出除了控制操作外，還有上個(gè)控制器激勵(lì)下一個(gè)控制器的作用（僅前3個(gè)子控制器有此作用）。故這4個(gè)子控制器的控制

    規(guī)則并不相同，從而推理過程也不相同。對于前3個(gè)控制器，要實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)功能：控制操作（滿足控制條件）、不作用（在常規(guī)情況下）及激發(fā)下一個(gè)模糊控制器（當(dāng)不滿足上面的條件時(shí)）。而第4個(gè)模糊控制器則只需完成前2個(gè)功能。對于控制器操作的條件，后面3個(gè)模糊控制器不但要在符合模糊推理?xiàng)l件下才能操作，還必須是在前一模糊控制的激發(fā)狀態(tài)為真時(shí)才可以實(shí)施本控制器的操作，兩個(gè)條件缺一不可[7,8]。
4  仿真結(jié)果分析
4.1單機(jī)-無窮大系統(tǒng)及其仿真結(jié)果
    根據(jù)本文所提出的模糊控制的控制器，應(yīng)用MATLAB仿真工具分別對單機(jī)-無窮大系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)失步的數(shù)字仿真。
    圖5示出了單機(jī)-無窮大系統(tǒng)的簡單示意圖。其發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)的選擇見文獻(xiàn)[10]的附錄。而原動機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)的模型由于要加入快關(guān)汽門控制，故采用的是文獻(xiàn)[9]中的調(diào)速器模型和原動機(jī)模型的典型值。當(dāng)系統(tǒng)中的一條輸電線在距發(fā)電機(jī)端約1km處發(fā)生三相接地短路故障且因某種原因而延遲切除故障時(shí)或發(fā)生三相長久性短路時(shí),會使發(fā)電機(jī)失步,從而進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下,若允許系統(tǒng)短時(shí)異步運(yùn)行，那么采用本文提出的模糊控制器,便可使發(fā)電機(jī)迅速拉入同步運(yùn)行。圖6分別給出了在發(fā)生延遲0.4s切除故障且線路不再重合的條件下，常規(guī)控制措施的轉(zhuǎn)差變化曲線及施加附加斷續(xù)模糊控制器的轉(zhuǎn)差變化曲線。從圖中可以看出，在附加控制措施下，發(fā)電機(jī)經(jīng)過一段時(shí)間后便恢復(fù)同步運(yùn)行狀態(tài)。


4.2  多機(jī)系統(tǒng)及其結(jié)果
    圖7示出了仿真所使用的用兩機(jī)-無窮大系統(tǒng)表示的多機(jī)系統(tǒng)簡單示意圖。此系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)模型的參數(shù)選擇及調(diào)速器模型和原動機(jī)模型參數(shù)的選擇與前面所述的方法類似，在這里僅增加了發(fā)電機(jī)的臺數(shù)。系統(tǒng)中G1和¥系統(tǒng)之間的一條輸電線在距G1端約1km處發(fā)生三相接地短路故障,且由于某種原因而延遲切除故障大約0.8s，在常規(guī)控制措施下發(fā)電機(jī)將失步,進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)。采取本文提出的附加斷續(xù)模糊控制器對其進(jìn)行控制，圖8給出了在G1端母線發(fā)生三相長久性短路、延遲0.8s故障切除時(shí)間并且線路不再重合的條件下，常規(guī)控制措施及加上附加斷續(xù)模糊控制器后的轉(zhuǎn)差變化曲線。


    從圖中可看出，使用附加斷續(xù)模糊控制器可改善轉(zhuǎn)差變化情況，???用附加斷續(xù)控制措施可使發(fā)電機(jī)快速地拉入同步，從而使系統(tǒng)很快恢復(fù)到同步運(yùn)行狀態(tài)。由圖8可試驗(yàn)變壓器看出，G1的控制效果比較明顯，可在大約4~5s內(nèi)使失步的發(fā)電機(jī)很快地拉入同步運(yùn)行狀態(tài)，證明了附加斷續(xù)控制措施的有效性；由于故障發(fā)生在距G1很近的地方，所以對G1的影響很大，而對G2的影響比較小，所以G2的附加斷續(xù)控制裝置基本上沒有動作，可由其常規(guī)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用來達(dá)到穩(wěn)定要求。
5  結(jié)論
    本文對模糊控制器的工作原理進(jìn)行了說明，并通過在單機(jī)-無窮大系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)中的仿真結(jié)果證明，這種模糊控制器對電力系統(tǒng)再同步具有較好的控制作用，從而也說明了智能控制器具有實(shí)際的試驗(yàn)變壓器應(yīng)用價(jià)值。