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同步发电机再同步的模糊控制器研究

摘  要：在电力系统中，当同步发电机由于失磁、过负荷及遭受小干扰或大干扰时可能会使系统稳定性遭到破坏并造成失步而切机，从而使系统有较大的功率缺额和经济损失。为此,寻求一种较好的再同步控制措施具有很大的实际价值。该文基于多机电力系统再同步附加断续控制原理，提出了用模糊控制器来实现这种控制策略。通过数字仿真验证了其优越性和有效性。
    关键词：试验变压器；失步；再同步附加断续控制；模糊控制器

1  引言
    保持电力系统发电机的同步运行是电力试验变压器系统正常运行的必要条件。因此，电力系统的静态和暂态稳定性的概念也都是以电力系统中任一发电机是否失去同步运行为依据。在电力系统中，一旦发电机进入异步运行，就应立刻将其切去，以保持电力系统其他部分的正常运行。但是，由于电力系统容量的日益扩大使系统具有较大的无功功率备用，特别是广泛采用了快速励磁调节系统和其他自动装置之后，为发电机的短时非同步运行和迅速恢复再同步提供了客观的可能性。实践证明，在很多情况下短时异步运行是允许的，而且不会导致电力系统运行的严重后果。但是，异步运行只能看作是一种暂时的不正常运行或进入正常运行方式前的过渡过程，希望经过一定时间以后，通过人工的干预或自动装置的作用牵入同步，恢复或进入正常运行。这样就要求确定从异步运行进入同步的可能性及其条件，并研究保证进入同步的具体措施[1,2,6]。
    在发电机失步后异步运行期间，应对发电机采取恰当的控制，使之在引起较小的振荡和较小的转差情况下把发电机快速地拉入同步。过去采用的控制方式有：① 整定调速器调差系数，减少原动机出力； ② 在失步后将励磁回路短接，待进入稳态异步运行后再选择适当时刻重投励磁，使之拉入同步； ③时间*优控制； ④ 非试验变压器线性参数优化； ⑤分段线性*优控制等等。文献[3]提出了再同步附加断续控制策略，这是按照过程的不同阶段采用的不同控制措施，具有较好的鲁棒性和自适应性。并且，控制规律简单、容易实现和便于工程应用。通过数字仿真研究和用微机构成的在线控制器进行动态模拟实验，证明了其原理的可行性和实用性。
    本文在再同步断续控制原理的基础上，进一步提出了基于再同步断续控制的模糊控制器控制方式，它可以实现实时在线控制。在单机-无穷大系统和多机系统中对其进行的数字仿真结果证明，此控制措施具有较好的控制效果，控制方式简单,并且具有自适应特点。
2  再同步附加断续控制原理简述
    再同步附加断续控制策略具体原理分析见文献[3~5]，其控制规律简述如下：
   （1）再同步励磁控制   ①当检测到失步后，使励磁电压达正顶值，以便增大电功率，使之尽快拉入再同步； ②当检测到滑差过零后，使励磁电压达负顶值，以减小电功率，防止滑过同步； ③当发电机再次加速，施加正比于加速度的励磁控制信号时，增加阻尼力矩，以防止再同步失败； ④当发电机再次减速时，切除附加断续励磁控制，仅由常规AVR工作。
   （2）再同步快关汽门控制   ①当检测到失步后，迅速关闭汽门，以减少机械功率，使之尽快拉入同步； ②当检测到滑差过零时，较快地开启汽门，增加机械功率，以防止滑过同步； ③当发电机再次加速，将正比于加速度的控制信号作用于调速器输入端，增加阻尼力矩，以防止再同步失败； ④当发电机再次减速时，退出附加控制，仅由调速器工作。
3  模糊控制器的原理
    实现模糊控制器的模糊结构共有3个部分，包括2个输入量、模糊控制器和1个输出量。实现再同步附加断续控制原理的模糊控制器结构应由4个模糊系统组成，每个系统完成此原理的一个阶段。其中**个模糊控制器结构如图1。其它的3个类似，在这里就不一一绘出了。
    图1中，输入量是转差S和转差的导数dS，输出量是**个控制操作oper1。从发电机得到的转差S的语言变量值有5个：正大（PB）、正中（PM）、零（Z）、负中（NM）、负小（NB），论域为[-0.01,0.01]。转差的导数dS的语言变量值有3个：正大（PB）、零（Z）、负小（NB），论域为[-0.1,0.1]。输出量为模糊控制器得到的控制措施，即进行的操作。它有3个语言变量值：正大（PB）、零（Z）、负小（NB），论域为[-1，1]。其隶属函数如图1所示。其他3个模糊控制器依次类推可得。模糊控制器由模糊化接口、模糊控制规则、模糊推理、去模糊化接口4个部分组成。模糊化接口是根据**输入模拟量及对应的隶属函数，来确定与其相关的语言变量值的隶属度。模糊控制规则采用的格式为：若A且B则C，即如果满足条件A和B，则执行控制C。

    模糊推理采用Mamdani方法,去模糊化采用中位数法，其推理过程如图2所示。
    图3是控制措施的三维控制图。
    为实现附加断续控制，模糊控制器应由4个模糊子控制器组成，每个模糊子控制器完成附加断续控制的1个过程阶段，图4是整个模糊控制器的结构示意图。从图中可看出，4个控制器对应着4个控制阶段，而每个控制器的输出除了控制操作外，还有上个控制器激励下一个控制器的作用（仅前3个子控制器有此作用）。故这4个子控制器的控制

    规则并不相同，从而推理过程也不相同。对于前3个控制器，要实现以下3个功能：控制操作（满足控制条件）、不作用（在常规情况下）及激发下一个模糊控制器（当不满足上面的条件时）。而第4个模糊控制器则只需完成前2个功能。对于控制器操作的条件，后面3个模糊控制器不但要在符合模糊推理条件下才能操作，还必须是在前一模糊控制的激发状态为真时才可以实施本控制器的操作，两个条件缺一不可[7,8]。
4  仿真结果分析
4.1单机-无穷大系统及其仿真结果
    根据本文所提出的模糊控制的控制器，应用MATLAB仿真工具分别对单机-无穷大系统和多机系统进行系统失步的数字仿真。
    图5示出了单机-无穷大系统的简单示意图。其发电机及其励磁系统模型参数的选择见文献[10]的附录。而原动机及调速系统的模型由于要加入快关汽门控制，故采用的是文献[9]中的调速器模型和原动机模型的典型值。当系统中的一条输电线在距发电机端约1km处发生三相接地短路故障且因某种原因而延迟切除故障时或发生三相长久性短路时,会使发电机失步,从而进入异步运行状态。在这种情况下,若允许系统短时异步运行，那么采用本文提出的模糊控制器,便可使发电机迅速拉入同步运行。图6分别给出了在发生延迟0.4s切除故障且线路不再重合的条件下，常规控制措施的转差变化曲线及施加附加断续模糊控制器的转差变化曲线。从图中可以看出，在附加控制措施下，发电机经过一段时间后便恢复同步运行状态。

4.2  多机系统及其结果
    图7示出了仿真所使用的用两机-无穷大系统表示的多机系统简单示意图。此系统中发电机及其励磁系统模型的参数选择及调速器模型和原动机模型参数的选择与前面所述的方法类似，在这里仅增加了发电机的台数。系统中G1和¥系统之间的一条输电线在距G1端约1km处发生三相接地短路故障,且由于某种原因而延迟切除故障大约0.8s，在常规控制措施下发电机将失步,进入异步运行状态。采取本文提出的附加断续模糊控制器对其进行控制，图8给出了在G1端母线发生三相长久性短路、延迟0.8s故障切除时间并且线路不再重合的条件下，常规控制措施及加上附加断续模糊控制器后的转差变化曲线。

    从图中可看出，使用附加断续模糊控制器可改善转差变化情况，��用附加断续控制措施可使发电机快速地拉入同步，从而使系统很快恢复到同步运行状态。由图8可试验变压器看出，G1的控制效果比较明显，可在大约4~5s内使失步的发电机很快地拉入同步运行状态，证明了附加断续控制措施的有效性；由于故障发生在距G1很近的地方，所以对G1的影响很大，而对G2的影响比较小，所以G2的附加断续控制装置基本上没有动作，可由其常规控制系统的调节作用来达到稳定要求。
5  结论
    本文对模糊控制器的工作原理进行了说明，并通过在单机-无穷大系统和多机系统中的仿真结果证明，这种模糊控制器对电力系统再同步具有较好的控制作用，从而也说明了智能控制器具有实际的试验变压器应用价值。

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