[科普中国]-非线性励磁控制

随着发电机单机容量和电网容量的不断扩大，电力系统及发电机组对励磁控制在快速性、可靠性、安全性等方面提出了更高的要求，如更高的励磁调节性能、更多和更灵活的控制、限制、报警等附加功能等。而且对励磁系统而言，除了要求励磁装置维持发电机电压水平外，还要求它对电力系统动态和暂态稳定起作用。因此有必要引入如电力系统稳定器，非线性最优控制的控制方式可以充分发挥励磁控制系统在电力系统中的重要作用，更加适合生产实际的应用。

非线性励磁控制即用非线性的控制方式控制励磁装置。从励磁调节器的控制规律的发展来看，大体经过了四个发展阶段：单变量控制阶段，多变量控制阶段，非线性控制阶段，智能控制阶段。电力系统是一个巨维数的典型动态大系统，它具有强非线性、时变性，对于非线性系统，为了进一步提高电力系统在大干扰下的稳定性，采用非线性控制势在必行。

为提高调节器的电压调节能力，通常采用的方法是在传统的非线性励磁控制策略的基础上，增加电压反馈的部分，这样就带来了新的问题，即原来的控制策略是最优的，而在增加了电压的反馈后，改变了原有的结构，却没有在此基础上再次进行设计，不能够发挥出非线性控制的优势所在。另外，在引入电压反馈后，还需判断闭环系统的稳定性，增加了使用中的难度1。

非线性控制系统的设计原理方法就是通过坐标变换和引入虚拟反馈把原非线性系统转换为一完全可控的线性系统，并针对该线性系统求解。在求解的过程中，输出函数h(x)在坐标变换的过程中起着重要的作用，它直接影响线性化后的线性状态方程的形式，从而影响受控系统的动态、静态及暂态特性。那么通过改变系统的输出函数，同时在构造线性系统时，通过坐标变换将机端电压引入线性方程即可满足电压调节的要求。

输出函数的选取，需要同时满足以下几个方面的要求：

（1）所建立的非线性最优模型要能精确地描述同步电机运行中所有扰动的动态过程；

（2）对电机的控制考虑有一定的提前量，同时考虑在实际系统中状态量的量测；

（3）考虑引入电压反馈。

PID控制器是一种线性控制器，PID励磁控制方式的传递函数就为：

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面特性来考虑，比例系数的作用在于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是由于在系统的动态过程中保持不变，积分时间常数的作用在于消除系统的稳态误差。微分时间常数的作用在于改善系统的动态特性，微分作用总是抑制偏差向任何方向变化，对偏差的变化提前制动。

提高系统稳定性的一种方法是运用状态反馈的方法来获取最优控制规律。NEC 控制则是在LOEC（线性最优励磁控制方式）的基础上发展而来，它是将系统非线性模型变换成线性系统之后，再运用线性系统理论来进行分析，所得到的控制规律极大的提高了系统在大干扰情况下的稳定性。

对于单机无穷大系统，当发电机励磁为快速可控硅励磁方式时，发电机非线性励磁控制原理图如图1所示：

图1

改进后的励磁控制规律由两部分组成。PID部分作为电压调节环节，它是一个电压反馈闭环控制系统，其参数的选择可完全按照对系统电压的要求进行整定，电压特性可以得到保证，NEC部分作为一种多状态量的控制方法增加了整个系统的阻尼，其对于电力系统的稳定的作用也正是它的优势所在，这部分的设计还可考虑在发电机稳态运行时输出为零，即可在 NEC控制规律中增加隔直环节。由于这两个部分对系统的作用都是使系统趋于稳定，所以这种新型的控制规律能够增强整个系统的稳定性2。

由于由微处理器构成的工业控制系统可靠性的不断提高，同步发电机组采用微机励磁调节器已成为发展趋势，它具有调节准确、精度高，在线改变参数方便、可靠性高、通讯方便硬件简单、便于更新换代等优点。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输
　　出部分。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分。图2就是根据电厂的的实际要求提出的基本的励磁控制系统的总体框图。

非线性励磁控制器采用嵌入式结构，系统硬件结构如图3所示。

（1）微控制器

为了提高励磁控制的性能和运行指标，励磁控制器的控制方法变得越来越复杂，同时还附加了许多的控制功能。采用新的控制器核心己经成为微机励磁控制器的一种发展趋势。DSP 是 Digital signal Proeessor（数字信号处理器）的缩写，它是一种能够快速进行乘法和加法运算、适用于高速数字信号处理的单片大规模集成电路。它的出现使得数字信号处理技术从理论研究进入到实际应用阶段。

（2）I/O 通道

I/O 通道的主要任务就是将采集到的模拟量和开关量变换成 DSP 所能接收的信息形式，以便 DSP能够进行相应计算、判断，并做出相应的控制。

（3）同步脉冲触发单元

励磁控制器的脉冲触发功能通常都是由单片机或专用硬件电路来实现。可编程芯片尤其是CPLD/FPGA（复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列）具有通用性强、灵活性好的特点。此外，使用 CPLD/FPGA 的控制器可以在不改变主电路的前提下通过重新编程就可以获得不同的控制方式，从而提高和升级系统的性能。