发电机励磁控制作业

1、摘要:本文研究的时间延迟的影响发电机励磁控制系统的稳定性。时间延迟是由于使用的测量设备，通信数据传输，控制器处理的相关链接时间。时间延迟的稳定，是理论上分析和公式确定最大被称为延迟保证金的时间延迟量，该系统可以允许，而不会失去其稳定性。它是发现励磁控制系统变得不稳定时，时间延迟过一定的临界值，延迟增长率稳定。 Matlab / Simulink的时域模拟是用来验证理论延迟增长率结果。关键词：电力系统 发电机励磁控制 时间延迟 延迟余量 稳定性Matlab / Simulink一，引言在电力系统中，负载频率控制（LFC）励磁控制系统，又称自动电压每台发电机调节器（AVR）设备，安装要保持系统频率

2、和发电机的输出电压的幅度内指定的限制时的变化在真正的和无功功率需求发生1,2。本文调查的时间延迟对稳定的影响发电机励磁控制系统。图1显示了大型同步发电机的一个典型的励磁控制系统原理框图。它由一个励磁，一个相量测量单元（PMU），整流器，稳定剂，和一个调节器1。励磁机提供直流电源同步发电机的励磁绕组构成励磁系统的功率级。稳压器包括一个比例积分（PI）控制器和放大器2,3。调节过程和放大输入控制信号一个适合的励磁控制的水平和形式。 “PI控制器是用来改善系统的动态响应以及以减少或消除稳态误差。该放大器可能是磁放大，旋转放大器，或现代电力电子放大器。 PMU的派生其输入二次侧电压互感器的三个阶段（电

3、压传感器），并输出相应的正序电压相量。整流器整流发电机的端电压和过滤器的DC数量。稳定剂，这是一个可选的设备，提供了一个额外的输入信号调节潮湿电力系统振荡1,2。为了清楚地看到时间的影响延误振荡稳定，稳定是不包括在这项研究中。图1 励磁发生系统示意图 该系统的运作，可以描述如下：当在电力负荷的需求增加，尤其是在无功负荷的需求出现下降，发电机终端电压（|VA|）是观察。的电压值被检测的PMU通过电压互感器。纠正测得的电压与参考直流电压。PI控制器产生一个模拟显示一个控制整流发射的信号，控制如在图的放大器1。因此，调节器（PI控制器放大器）的励磁控制，并增加励磁端电压。发电机励磁电流增加因为在励磁

4、端电压的增加。这种在增加在增加发电机励磁电流的结果电机电动势（EMF）。因此，无功发电提高到一个新的平衡点，提高发电机的端电压为所需的值。时间延迟已成为重要的问题，在电力系统控制和动态分析，因为使用相量测量单元（PMU）和开放式和分布式通信测得的信号传输和网络控制器的数据已引进了大量的时间延迟。电源管理单元是测量动态数据的单位电压，电流，角度和频率，如电力系统使用离散傅立叶变换（DFT）4。在电力系统控制，用于各种通信链接数据传输，包括有线电话等选项线，光纤电缆，电源线，无线选项如卫星5，以及互联网6。使用的电源管理单元介绍电压传感器组成的测量延迟延迟和处理延迟。处理延迟是将传感器数据转换成所

5、需的时间量相量信息的DFT的帮助。在电力系统控制，总的测量延迟据报道，在以毫秒为单位订购。根据通信链路使用，总的通信延迟被认为是在范围为100-700毫秒5。测量和通信之间的即时测量延时和信号控制器在电力系统控制的主要问题。这种延迟通常在0.5-1.0的5-8范围内。很明显，当电压信号的测量是从远程位置转移到本地控制器，通信延迟将增加9-13。另一个在订单处理延迟毫秒为单位的观察，当一个数字PI控制器用于位于前馈部分的稳压器AVR的图1所示14,15。在电力系统控制的必然的时间延迟有一个系统动力学不稳定的影响，并导致如失步和不可接受的性能不稳定。因此，他们不能被忽略。在设计控制器，时间延迟，必

6、须考虑和分析工具，应制定复杂的研究延迟动力系统的动态行为。特别是，这种工具应估计的最高延迟时间余量，该系统可以允许，而不会失去其稳定。这种知识上的延迟余量（上限在延迟时间），也可能有助于控制器延迟的不确定性是不可避免的情况下设计。直到现在，许多研究人员主要集中在负载频率的时间延迟的不稳定影响控制（又称自动发电控制）7,8,13和电力系统稳定器的设计9-12。为“最佳”我们的知识，方法分析中的时间延迟发电机励磁控制系统中不存在的文献。因此，有必要制定切实可行的方法将使我们能够计算延迟的AVR系统的余量定量处理和通信延迟。本文介绍了以频域的方法确定延迟独立的条件和时滞相关励磁控制渐近稳定性16-1

7、9系统和实用的方法来确定延迟保证金时滞依赖的情况。类似的方法提出其他时间延迟的稳定性文献调查如机电系统15系统，捕捉信息20,21，系统和物流模式22。在这项工作中，一个分析公式推导计算延迟余量。延迟保证金的理论结果进行了验证通过使用Matlab / Simulink的时域仿真功能23。这里必须提及，该方法可以很容易地应用到稳定的估计和延迟余量计算其他线性时不变（LTI）的时间延迟系统。2，发电机励磁控制系统模型时间延迟 负载频率控制和励磁控制系统，常用的线性或线性模型分析系统动力学，并设计了控制器。图2显示了一个发电机励磁控制系统的框图拖延需要注意的是系统的每个部分，即放大器，励磁机，发电机

8、，传感器和整流为蓝本由一阶传递函数1,2。传递函数每个组件是在以下方面：图2励磁控制系统框图与时间延迟其中，KA，KE，KG和KR放大器增益，励磁机，发电机，传感器，分别和TA，TE，TG，和TR是相应的时间常数。PI控制器的传递函数被描述为24。其中Kp和Ki比例和积分增益，分别。比例的长期影响的电压率阶跃变化后上升。积分项会影响发电机电压稳定时间后初始电压过冲。积分控制器增加了一个极点在原点，并增加了系统的一种类型，并减少稳态误差。合并后的PI控制器的效果，将影响发电机的响应励磁系统，以达到所需的性能。 如图2所示，使用指数方面，总测量和通信延迟（1）是摆在反馈的一部分，而处理延迟（2）是

9、摆在励磁控制系统的前馈的一部分。 “励磁控制系统的特征方程很容易获得其中=1+2和P（S），Q（S）在S的多项式在下面的实系数。系数在系统的时间常数在附录A。为了探讨稳定的励磁控制系统，我们需要研究的特征根的位置方程（4）。在下面的部分，理论稳定性分析，结果在一个公式计算延迟一个稳定运行的毛余量。3稳定性分析3.1问题描述时滞系统的稳定性研究的主要目标是确定任何给定的系统延迟的条件参数，保证了系统的稳定性。作为与无延迟系统（即= 0），稳定的激发系统依赖于根部的位置（特征值）（4）定义系统的特征方程。它很明显，（4）根的时间延迟功能。由于的变化，一些根部的位置可能会改变。系统的渐近稳定，所有的

10、根特征方程（4）必须位于左半复平面上。其中C+代表的复杂的右半平面。根据不同的系统参数，有两种不同的由于渐近稳定局势的可能类型时间延迟16：图3特征值运动时间延迟插图时滞独立稳定性：特征方程（4）被认为是独立的延迟，稳定稳定的条件（6）持有的所有积极的和有限的延迟的值，0，）。时滞依赖稳定性：特征方程（4）被说成是延迟依赖稳定的，如果条件（6）拥有一些属于延误值延迟间隔，0，*），是侵犯其他值的延迟的*. 在时滞依赖的情况下，根的特征方程移动的时间延迟增加从=0。图3显示了运动的根源。请注意，无延迟系统（= 0）的假设是稳定的。这是一个现实的假设，因为系统的实用价值当参数，励磁控制系统是稳定的

11、总延迟时间是忽略不计2。观察，时间延迟增加，对一个复杂的特征值向左移动在复平面的一半。对于> 0的有限值交叉虚轴，并传递给右半平面。 “延迟时间值*在特征方程纯虚特征值是延迟的上限大小，系统将稳定对于任何给定的延迟小于这个约束，<*.为了刻画了稳定的财产（4）完全，我们首先需要确定系统是否任何给定的参数是延迟独立的稳定，如果没有，计算延迟的大小的上限，延迟保证金*，在系统参数上。稳定性感兴趣的问题可以表述如下：鉴于：atime的线性时滞系统或它的特征方程（4） 判断：如果是延迟独立的稳定与否，如果不（时滞系统的时滞相关稳定）;发现延迟保证金，即上限的延迟量*，保持系统的稳定。在下面

12、的章节中，我们提出一个切实可行的办法，给出了一个标准评估的延迟依赖稳定性和分析的公式计算的时滞依赖的情况下延迟余量。3.2解决方法 为系统的充分必要条件是渐近稳定，所有的特征方程的根（4）趴在复平面的左半边。在单延迟的情况下，问题是要找到值为特征方程（4）在s平面的虚轴根（如有）。显然，（S，）= 0是S的隐函数和这可能或可能不会，跨虚轴。假设为简单起见，（S，0）=0的所有根在左半平面。也就是说，无延迟系统是稳定的。如果一些，（S，）=0有一个根在S的虚轴= s，所以（s，）= 0，和s相同的值。因此，寻找根源虚轴减少寻找值（S，）= 0（s，）= 0有一个共同的根。也就是说，（7） 通过消

13、除指数方面，我们得到以下多项式：系数P0，P2，P4，P6，P8，andp10是realvalued在附录A中给出2有限的多项式（10）它是独立的;和正根（10）（4），即k虚根。具体来说，如果我们表示尊重由RK2（10）的根源，然后k=±RK，所以k的真正价值，RK的价值必须是积极的的。注意：（10）以2N根RK| K = 1，2，。 。 。N<N，其中n是系统的顺序。特征方程（4）的程度是N =5。如果没有正根（10）以2，即如果所有RK<0时，系统是稳定的，对所有的0，这表明该系统的时滞独立稳定。如果存在正根以2多项式（10），则系统是稳定的时滞依赖。一旦相关的正根

14、（10）（即，已发现的价值ofk），相应的值可以得到如下：（11） ，我们可以判断分析公式上限时间延迟*如下： 必须指出，这里始终反正切操作给出了在右半平面的角度。出于这个原因，角是-/2/ 2范围内的。然而，必须在左半平面COS（k）<0。因此，必须添加或减去角度时，COS（k）<0以正确的延迟保证金结果* K，R（12）。一个角度为上层的解析公式延迟的大小励磁控制系统的约束轻易得到substitutingP（S）和Q（S）多项式（5）入（12）如下：系数Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，和Q6是realvalued并在附录A请注意，时必须添加或减去的角度（q66k+q44k+q22

15、k）<0以正确的延迟保证金结果* K，R（13）。请注意，多项式（10）展品只有有限数量的正实根蝇2K; K = 1，2，。 。 。，Q为所有+ q是实根的积极（10）。这不仅系统n阶也多项式P（S），Q（S）系数的影响有限数量的Q是。此外，每个蝇2K，K = 1，2，。 。 。 ，问：我们使用（13）可以得到无限多，r值延迟余量的定义，* K1，K = 1，2，最低。 。 。 ，Q是系统延迟余量。很显然从（13）和系数（增）（A.3），允许的最大延迟时间，可以通过系统的耐受性，同时保持其稳定性是一个功能励磁和PI控制器的增益和时间常数。 （10）的正根，我们需要检查，如果在S =jk，

16、根增加穿过虚轴，这可以通过RE dsd签署确定。穿越虚轴的根源存在的必要条件是关键的特征根跨非零的速度，这是已知的横截条件，那就是虚轴。在这个阶段，就很难分析判断正根（9）或（10）2k入（19）插入符号。然而，它可以很容易地计算出数值。事实上，将在下面一节中提出的数值计算结果表明，横截条件（15）始终坚持当励磁控制系统的特征方程（4）有一对纯虚根。4理论和仿真结果在本节中，延迟保证金*宽稳定PI控制器的增益范围内使用表达式的计算（13）。理论延迟保证金结果进行了验证通过使用Matlab / Simulink的。增益和时间常数在分析中使用的励磁控制系统如下1：KA= 5，柯=公斤= KR= 1

17、.0和TA=0.1S，TE=0.4秒，TG=1.0S，TR=0.05秒。回想在在教派的理论分析。 3.2，无延迟系统（= 0）应该是稳定的，以便能够调查和showhowincreasing时间延迟，使励磁控制系统不稳定。最大PI控制器的增益范围如无延迟的励磁控制系统将至少临界稳定，可以很容易地通过应用确定劳斯 -赫尔维茨稳定判据24的特点（4）或通过使用时域仿真方程Matlab / Simulink的。最大积分控制器增益值K*我为一个给定的比例控制器增益KP的范围=0.1 - 1.0列于表1。请注意，收益将用于分析和模拟的Ki但应比K*我为无延迟系统是稳定的。4.1理论结果对于理论分析，比例控

18、制器的值收益选择的KP=0.1-1.0范围内，积分控制器的增益KI值的选择，要延迟自由励磁系统将是稳定的，他们也将内只有一个正实存在的地区根2多项式K（10）。对于这些PI控制器的范围收益，延迟保证金*使用表达式的计算（13）。图4说明的变化延迟至KP利润率为两种不同的价值观KI，KI=0.5秒1，0.65s- 1，而图。 5显示的变化两个不同的值与Ki延迟保证金的KP，KP= 0.5，0.7。它是从图清晰。 4，效果延迟保证金的比例增益有两种倾向。延迟保证金增加比例增加增益时的比例增益较小，而降低比例增益较大。图5表明，延迟利润率的下降积分增益增加。励磁系统是渐近稳定的增益，延迟对区域内在于

19、以下曲线。这些曲线定义的Hopf的位置PI控制器的参数空间的分岔2515。 图4至KP的最大延迟时间的变化各种PI控制器增益值的延迟保证金完整的理论结果列于表2附录B可以轻松完成类似的观察PI控制器增益变化的延迟保证金。请注意，延迟的利润率不KI和KP，无延迟的系统还不稳定的数值计算。相应的位置标记（*）表2。 Itmust alsomentioned这里横截条件（15）（重新渠务署蟿> 0）是满意KI和KP的所有值蟿鈭computed.Table14.2与理论结果的验证基于Matlab / SimulinkMatlab / Simulink的是用来验证的理论成果延迟保证金。励磁系统的S

20、imulink模型提出图。图2给出。 6。请注意，传递函数Simulink模块是用来模拟放大器，励磁机，发电机，和传感器。测量/沟通在反馈路径的延迟，加工过程中的延迟前馈路径和PI控制器是使用建模运输延迟块和PI控制器的Simulink块，分别。对于任何给定的延迟和系统参数，我们可以得到一个阶跃输入的系统响应。箱VT和范围，输出电压数据的获取和波形后了一步输入。提出在延迟保证金的理论成果附录B表2，将验证使用的时域模拟。作说明用途，我们选择的PI控制器收益KP=0.7，KI= 0.8 S - 1。从表2，针对这些收益，延迟保证金*=0.1554s。仿真结果这个延迟值如图。 7。它是明确的，持续

21、的振荡发生验证的边际稳定预测由理论。当时间延迟小于延迟保证金，预计将是稳定的励磁系统。图8显示了这样的仿真结果为=0.14s。同样，当延迟时间大于延迟保证金，系统将有越来越不稳定的振荡说明操作，如图所示。 9=0.17s。5结论 在本文中，发电机励磁控制的稳定性系统的分析中存在不可避免的拖延观察在反馈和前馈部分系统。确定条件的方法时滞依赖和时滞独立稳定性和在时滞依赖的情况下计算延迟利润率提出。使用Matlab / Simulink的时域模拟计算延迟利润率验证。这里必须提及，该方法可以很容易地适用于稳定的估计和其他线性时不变（LTI）时间延迟延迟增长率计算在未来，一个稳定，将被添加到励磁将追究制

22、度，对延迟保证金的影响。此外，提出的方法将被应用到延误电力系统的负载频率控制。附录A附录B参考文献：1. Saadat H (1999) Power system analysis. McGraw-Hill Inc,New York2. Kundur P (1994) Power system stability and control. McGraw-Hill Inc, New York3. Schaefer RC, Kiyong K (2001) Excitation control of the Synchronousgenerator. IEEE Ind Appl Mag 2:3743

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