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技術文章

同步發電機再同步的模糊控制器研究
摘  要：在電力系統中，當同步發電機由于失磁、過負荷及遭受小干擾或大干擾時可能會使系統穩定性遭到破壞并造成失步而切機，從而使系統有較大的功率缺額和經濟損失。為此,尋求一種較好的再同步控制措施具有很大的實際價值。該文基于多機電力系統再同步附加斷續控制原理，提出了用模糊控制器來實現這種控制策略。通過數字仿真驗證了其優越性和有效性。
    關鍵詞：試驗變壓器；失步；再同步附加斷續控制；模糊控制器

1  引言
    保持電力系統發電機的同步運行是電力試驗變壓器系統正常運行的必要條件。因此，電力系統的靜態和暫態穩定性的概念也都是以電力系統中任一發電機是否失去同步運行為依據。在電力系統中，一旦發電機進入異步運行，就應立刻將其切去，以保持電力系統其他部分的正常運行。但是，由于電力系統容量的日益擴大使系統具有較大的無功功率備用，特別是廣泛采用了快速勵磁調節系統和其他自動裝置之后，為發電機的短時非同步運行和迅速恢復再同步提供了客觀的可能性。實踐證明，在很多情況下短時異步運行是允許的，而且不會導致電力系統運行的嚴重后果。但是，異步運行只能看作是一種暫時的不正常運行或進入正常運行方式前的過渡過程，希望經過一定時間以后，通過人工的干預或自動裝置的作用牽入同步，恢復或進入正常運行。這樣就要求確定從異步運行進入同步的可能性及其條件，并研究保證進入同步的具體措施[1,2,6]。
    在發電機失步后異步運行期間，應對發電機采取恰當的控制，使之在引起較小的振蕩和較小的轉差情況下把發電機快速地拉入同步。過去采用的控制方式有：① 整定調速器調差系數，減少原動機出力； ② 在失步后將勵磁回路短接，待進入穩態異步運行后再選擇適當時刻重投勵磁，使之拉入同步； ③時間*優控制； ④ 非試驗變壓器線性參數優化； ⑤分段線性*優控制等等。文獻[3]提出了再同步附加斷續控制策略，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性。并且，控制規律簡單、容易實現和便于工程應用。通過數字仿真研究和用微機構成的在線控制器進行動態模擬實驗，證明了其原理的可行性和實用性。
    本文在再同步斷續控制原理的基礎上，進一步提出了基于再同步斷續控制的模糊控制器控制方式，它可以實現實時在線控制。在單機-無窮大系統和多機系統中對其進行的數字仿真結果證明，此控制措施具有較好的控制效果，控制方式簡單,并且具有自適應特點。
2  再同步附加斷續控制原理簡述
    再同步附加斷續控制策略具體原理分析見文獻[3~5]，其控制規律簡述如下：
   （1）再同步勵磁控制   ①當檢測到失步后，使勵磁電壓達正頂值，以便增大電功率，使之盡快拉入再同步； ②當檢測到滑差過零后，使勵磁電壓達負頂值，以減小電功率，防止滑過同步； ③當發電機再次加速，施加正比于加速度的勵磁控制信號時，增加阻尼力矩，以防止再同步失敗； ④當發電機再次減速時，切除附加斷續勵磁控制，僅由常規AVR工作。
   （2）再同步快關汽門控制   ①當檢測到失步后，迅速關閉汽門，以減少機械功率，使之盡快拉入同步； ②當檢測到滑差過零時，較快地開啟汽門，增加機械功率，以防止滑過同步； ③當發電機再次加速，將正比于加速度的控制信號作用于調速器輸入端，增加阻尼力矩，以防止再同步失敗； ④當發電機再次減速時，退出附加控制，僅由調速器工作。
3  模糊控制器的原理
    實現模糊控制器的模糊結構共有3個部分，包括2個輸入量、模糊控制器和1個輸出量。實現再同步附加斷續控制原理的模糊控制器結構應由4個模糊系統組成，每個系統完成此原理的一個階段。其中**個模糊控制器結構如圖1。其它的3個類似，在這里就不一一繪出了。
    圖1中，輸入量是轉差S和轉差的導數dS，輸出量是**個控制操作oper1。從發電機得到的轉差S的語言變量值有5個：正大（PB）、正中（PM）、零（Z）、負中（NM）、負小（NB），論域為[-0.01,0.01]。轉差的導數dS的語言變量值有3個：正大（PB）、零（Z）、負小（NB），論域為[-0.1,0.1]。輸出量為模糊控制器得到的控制措施，即進行的操作。它有3個語言變量值：正大（PB）、零（Z）、 負小（NB），論域為[-1，1]。其隸屬函數如圖1所示。其他3個模糊控制器依次類推可得。模糊控制器由模糊化接口、模糊控制規則、模糊推理、去模糊化接口4個部分組成。模糊化接口是根據**輸入模擬量及對應的隸屬函數，來確定與其相關的語言變量值的隸屬度。模糊控制規則采用的格式為：若A且B則C，即如果滿足條件A和B，則執行控制C。


    模糊推理采用Mamdani方法,去模糊化采用中位數法，其推理過程如圖2所示。
    圖3是控制措施的三維控制圖。
    為實現附加斷續控制，模糊控制器應由4個模糊子控制器組成，每個模糊子控制器完成附加斷續控制的1個過程階段，圖4是整個模糊控制器的結構示意圖。從圖中可看出，4個控制器對應著4個控制階段，而每個控制器的輸出除了控制操作外，還有上個控制器激勵下一個控制器的作用（僅前3個子控制器有此作用）。故這4個子控制器的控制

    規則并不相同，從而推理過程也不相同。對于前3個控制器，要實現以下3個功能：控制操作（滿足控制條件）、不作用（在常規情況下）及激發下一個模糊控制器（當不滿足上面的條件時）。而第4個模糊控制器則只需完成前2個功能。對于控制器操作的條件，后面3個模糊控制器不但要在符合模糊推理條件下才能操作，還必須是在前一模糊控制的激發狀態為真時才可以實施本控制器的操作，兩個條件缺一不可[7,8]。
4  仿真結果分析
4.1單機-無窮大系統及其仿真結果
    根據本文所提出的模糊控制的控制器，應用MATLAB仿真工具分別對單機-無窮大系統和多機系統進行系統失步的數字仿真。
    圖5示出了單機-無窮大系統的簡單示意圖。其發電機及其勵磁系統模型參數的選擇見文獻[10]的附錄。而原動機及調速系統的模型由于要加入快關汽門控制，故采用的是文獻[9]中的調速器模型和原動機模型的典型值。當系統中的一條輸電線在距發電機端約1km處發生三相接地短路故障且因某種原因而延遲切除故障時或發生三相長久性短路時,會使發電機失步,從而進入異步運行狀態。在這種情況下,若允許系統短時異步運行，那么采用本文提出的模糊控制器,便可使發電機迅速拉入同步運行。圖6分別給出了在發生延遲0.4s切除故障且線路不再重合的條件下，常規控制措施的轉差變化曲線及施加附加斷續模糊控制器的轉差變化曲線。從圖中可以看出，在附加控制措施下，發電機經過一段時間后便恢復同步運行狀態。


4.2  多機系統及其結果
    圖7示出了仿真所使用的用兩機-無窮大系統表示的多機系統簡單示意圖。此系統中發電機及其勵磁系統模型的參數選擇及調速器模型和原動機模型參數的選擇與前面所述的方法類似，在這里僅增加了發電機的臺數。系統中G1和¥系統之間的一條輸電線在距G1端約1km處發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，在常規控制措施下發電機將失步,進入異步運行狀態。采取本文提出的附加斷續模糊控制器對其進行控制，圖8給出了在G1端母線發生三相長久性短路、延遲0.8s故障切除時間并且線路不再重合的條件下，常規控制措施及加上附加斷續模糊控制器后的轉差變化曲線。


    從圖中可看出，使用附加斷續模糊控制器可改善轉差變化情況，使用附加斷續控制措施可使發電機快速地拉入同步，從而使系統很快恢復到同步運行狀態。由圖8可試驗變壓器看出，G1的控制效果比較明顯，可在大約4~5s內使失步的發電機很快地拉入同步運行狀態，證明了附加斷續控制措施的有效性；由于故障發生在距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的附加斷續控制裝置基本上沒有動作，可由其常規控制系統的調節作用來達到穩定要求。
5  結論
    本文對模糊控制器的工作原理進行了說明，并通過在單機-無窮大系統和多機系統中的仿真結果證明，這種模糊控制器對電力系統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際的試驗變壓器應用價值。