(陕西渭河发电有限公司, 陕西 咸阳 701208)

励磁系统PID控制模型的选型探讨

李明强

(陕西渭河发电有限公司, 陕西 咸阳 701208)

发电机励磁系统在电力系统静态及动态稳定性方面发挥巨大作用。如何根据励磁方式选择合适的励磁系统PID模型，基于励磁系统方式控制模型选型的盲目性及经济性考虑，从现行的自并励和励磁机励磁系统分别对励磁系统串联的PID控制模型进行比较，研究选用一级超前-滞后或选用两级超前-滞后对于励磁系统的影响，并分别对其进行仿真。结果表明，自并励系统选择一级超前-滞后完全可以满足励磁系统要求，励磁机系统更宜选择两级的超前-滞后模型。研究结果对发电机励磁系统控制设备选型给予一定的参考。

励磁机系统; 自并励系统; PID; 控制模型

0 引 言

近年随着国家新建火电机组向高容量大参数发展，自并励励磁系统、常规励磁机励磁系统及核电机组普遍采用的无刷励磁系统得到了长足发展[1-3]，励磁系统稳定性对电网安全及其稳定性发挥巨大作用[4-5]，因此选择一种经济可靠的发电机励磁系统设备显得更加的重要。励磁系统控制设备中，PID直接影响励磁系统性能指标。针对电站励磁系统的方式的不同，下面将以IEEE标准的串联PID[6]为例，分别解析一级超前-滞后补偿器的PID和两级超前-滞后补偿器的PID特性，并对其进行仿真计算，在不同的励磁系统方式下为选择一种经济合理的励磁控制设备提供参考。

1 自并励励磁系统的PID控制模型

图1 一级超前-滞后补偿器的自并励励磁系统的模型

取KA=200、T3=1 s、T4=4 s、TR=0.02 s、TG=6 s，利用MATLAB[7]软件对此自并励励磁统的动态性能指标进行仿真计算。

图2为开环频率特性的Bode图，图3为发电机单位阶跃响应特性图。

仿真结果见表1，可以得出在自并励励磁系统的自动调节器中，只需一级超前-滞后补偿器，就可以使励磁系统获得优良的性能指标。

图2 一级超前-滞后补偿器自并励励磁系统Bode图

图3 一级超前-滞后补偿器下自并励发电机单位阶跃响应图

表1一级超前-滞后补偿器自并励励磁系统仿真结果

参 数仿真数值励磁标准发电机空载阶跃响应特性稳态增益200≥200动态增益KA×T3T4=50≥30超调量/%6≤30振荡次数1≤3调整时间/s4≤10电压上升时间/s0.15≤0.8增益裕度Gm21.4≥6相角裕度φm67.4≥40

2 励磁机励磁系统PID控制模型

2.1励磁机励磁系统采用一级超前-滞后补偿器

从控制系统结构上看，相比于自并励励磁系统，励磁机系统中多了励磁机环节，然而励磁机时间常数会对励磁控制系统的稳定运行和动态性能指标产生很大影响[8]，采用一级超前-滞后补偿器的励磁机励磁系统闭环控制系统的简化模型框图见图4。

图4 一级超前-滞后补偿器励磁机励磁系统的模型框图

下面利用MATLAB软件，对此励磁机励磁系统的动态性能指标进行仿真计算。

图5为所选超前-滞后补偿参数下的开环频率特性的Bode图，图6为相应的发电机单位阶跃响应特性图，表2是仿真结果数据。

图5 一级超前-滞后补偿器下励磁机励磁系统Bode图

图6 一级超前-滞后补偿器下发电机单位阶跃响应图

显然，在励磁机励磁系统中，选用一级超前-滞后补偿器远不满足标准对励磁系统性能指标的要求，并且增益裕度和相角裕度数值较小励磁系统稳定性较差[9]，因此在励磁机励磁系统中选用的两级超前-滞后补偿器势在必行。

表2 一级超前-滞后补偿器励磁机励磁系统仿真结果

2.2励磁机励磁系统采用两级超前-滞后补偿器

采用两级超前-滞后补偿器的励磁机励磁系统的闭环控制系统的简化模型框图如图7所示。

图7 两级超前-滞后补偿器励磁机励磁系统的模型框图

以同样的机组数据，利用MATLAB软件，对此励磁机励磁系统的动态性能指标进行仿真计算。

下面列举几组满足励磁标准的两级超前-滞后参数：

1)T1=0.6 s，T2=0.08 s，T3=2 s，T4=10 s；

2)T1=0.6 s，T2=0.08 s，T3=3 s，T4=15 s；

3)T1=0.6 s，T2=0.08 s，T4=4 s，T4=20 s；

4)T1=0.6 s，T2=0.08 s，T4=6 s，T4=30 s。

图8 两级超前-滞后补偿器下励磁机励磁系统Bode图

图9 两级超前-滞后补偿器下发电机单位阶跃响应图

参 数仿真数值励磁标准发电机空载阶跃响应特性稳态增益200≥200动态增益KA×T3T4=32≥30超调量/%20≤30振荡次数1≤3调整时间/s3≤10电压上升时间/s0.459≤0.8增益裕度Gm22.2≥6相角裕度φm53.3≥40

综合以上分析，在励磁机励磁系统中，必须采用两级超前-滞后补偿器才可得到优良的励磁系统性能指标，总结选择两级超前-滞后补偿器参数原则如下：

可见在励磁机励磁系统中采用两级超前-滞后补偿器很容易选择合适参数满足系统要求。

3 结 语

通过对比不同结构的励磁系统及相应的励磁系统中的各环节物理量在传递函数中参数的意义，对其PID进行仿真计算。在自并励励磁系统中选择一级的超前-滞后补偿器完全可以满足励磁系统的各项性能指标；在励磁机励磁系统及无刷励磁系统中选择两级的超前-滞后补偿器，更易选择适合的参数来满足励磁系统性能指标。

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[9] 方思立,苏为民. 励磁系统动态性能指标有关标准的分析[J]. 电力设备, 2004, 5(7):39-40。

Excitation system of generator plays a significant role in the static and dynamic stability of power system. How to choose the right PID model according to the excitation mode of excitation system, and considering the blindness and economy of control model selection based on excitation system modes, the PID control models series with excitation system are compared from the current self-shunt excitation system and exciter excitation system. The influence of selecting first-order lead-lag and second-order lead-lag on excitation system is studied, and its simulation results show the self-shunt excitation system selecting first-order lead-lag can fully meet the requirements of excitation system, and exciter excitation system selects second-order lead-lag model, which gives a reference to control equipment selection for generator excitation system.

exciter excitation system; self-shunt excitation system; PID; control model

TM621

：A

：1003-6954(2017)04-0087-04

2017-03-16)

李明强(1983)，助理工程师，主要研究方向为继电保护与励磁控制。