同步发电机励磁调节系统分析自控论文

自动控制理论论 文题 目：同步发电机励磁调节系统分析院 系：水利水电学院 专 业：电力系统及其自动化 班 级：指导学生_. . . .目录摘要IABSTRACTII1.绪论31.1课题的目的及意义31.2 励磁调节器的发展31.3本论文的主要内容32.相关知识介绍22.1 励磁系统的传递函数22.2 系统响应及其分析43系统的定性分析63.1 稳定性分析63.2 能控性分析63.3 能观性分析74系统的定量分析84.1 串联校正4.2 输出反馈校正极点配置5总结10参考文献11附录一：12附录二：12附录三：13附录五14附录六14. .摘要同步发电机的运行与它的空载电动势值得大小有关,而的值是发电机励磁电流的函数,改变励磁电流可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。因此,对同步发电机的励磁进行控制,是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。 对控制系统的基本要求可以概括为两点：首先,系统必须是稳定的；其次,具有良好的动态性能和稳态精度。稳定是控制系统能够正常工作的基本前提,而动态品质和稳态精度是对控制系统动,静态性能优劣的评价。在单输入单输出系统中,动态品质指的是系统输出响应的快速性和超调量；而稳态精度则常用输出响应的稳态误差的大小来衡量。本论文主要对同步发电机系统中的各个环节进行分析简化,列出励磁自动控制系统各单元的传递函数,抽象出整体的传递函数,在此基础上,分析了系统的可控性,可观性,稳定性,并在此系统中,加入了校正环节,分析了校正装置的传递函数,并且验证了校正后系统的稳定性和动态性能的各个参数。关键词：同步发电机,励磁系统,自动控制AbstractThe operation of the synchronous generator with its no-load emf is worth about size, and the value of the current generator excitation function, change exciter current can affect the synchronous generator power system in the run characteristics. Therefore, the synchronous generator excitation control, to the operation of the generator is one of the important contents of the control The basic requirements for the control system can be summarized as two points: first, the system must be stable; Second, good dynamic performance and steady precision. Stability is a control system can work normally basic premise, and the dynamic quality and stable precision is for the control system to move, and static performance quality evaluation. In the single input and single output system, the dynamic quality refers to the response of the system output efficiency and overshoot; And steady precision is common response of the size of the steady-state error of the measure. This thesis mainly for synchronous generator system of each link simplified analysis, list the excitation automatic control system the transfer function of each unit, abstract out the general transfer function, on this basis, the analysis of system control, considerable sex, stability, and on this system, joined the correction link, analysis the transfer function of the adjustment device, and verified the system stability and correction all parameters of the dynamic performance. Keywords: synchronous generators, excitation system, automatic control. .第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义近年来,随着电力系统的发展,大机组的出现,要求励磁调节器具有更高的技术经济指标、更加完善的控制功能。早期的机电型调节器、电磁型调节器、半导体调节器都越来越不能适应当今同步发电机励磁自动调节系统的发展。目前,由于大规模继承电路和微机调节器已成为今后的发展方向。优良的励磁调节系统有能提高系统的静稳定储备,防止励磁过分降低,提高机电保护灵敏度,快速灭磁等功能,能较好地使电力系统在稳定状态下运行并有较强的抗干扰能力。1.2励磁调节器的发展励磁调节器是励磁控制系统的智能部件,它是根据发电机端电压和电流的变化对机组励磁产生校正作用的装置,用来在正常情况和故障情况下励磁的自动调节。早期的调节器为振动型和变阻器型,都具有机械部件,称为机电型调节器。由于它不能连续调节,响应速度慢,并有死区,早已被淘汰。上世纪30年代以来,磁放大器出现后,电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型调节器。由于磁放大器具有时滞性,调节速度慢,但可靠性高,因此半导体调节器调节速度比较快。近年来,随着电力系统的发展,大机组的出现,要求调节器具有更高的技术经济指标、更完善的控制功能。目前,由于大规模继承电路和微机技术的迅猛发展,由硬件和软件组成的微机调节器已成为今后的发展方向。1.3本论文的主要内容励磁调节系统的主要任务可分为：1保持发电机在运行中电压的稳定。2在并列运行中,调节无功功率的分配。3提高同步发电机并列运行的稳定性。本论文主要分析同步发电机系统的的动静态性能,并在此基础上对其动静态性能指标进行了校正。本文包括5章,分别是以下主要内容：第一章：绪论。本章主要讨论了本课题研究的目的及意义,本论文的书写思路等问题。第二章：本章主要对该同步发电机励磁调节系统进行了建立数学模型,阐述系统原理,给出单输入-单输出模式的传递函数、状态方程以及输出方程。 第三章：本章主要对该系统进行了定性分析。包括系统的稳定性和能控性、能观性,是本论文的主要章节。第四章：本章主要针对系统进行了定量分析。包括动态性能指标和静态性能指标,对该系统进行输出反馈校正极点配置,及串联校正,是本论文的主要章节。第五章：结论。本章通过以上五章的介绍,给出了最终的结论和说明。第二章 建立数学模型2.1 励磁系统的传递函数在本文中,用励磁系统传递函数模型来等效实现系统,所建立的模型虽然不能在个方面表达实际的元件,但却可以描述其输入、输出特性,达到对整个系统进行仿真的目的。在分析励磁自动控制系统的动态特性及其对电力系统稳定性影响的过程中,应先列出励磁自动控制系统各单元的传递函数,应用 自动控制理论课程中所讲的方法进行分析。下图2-1是典型的励磁控制系统结构框图。 图 2-1 典型的励磁调节系统结构框图励磁机有直流励磁机和交流励磁机两类。在本论文主要讨论直流励磁机,在讨论过程中,假设它们的转速为恒定。根据自动装置课程中所学的知识可知,一 直流他励励磁机的传递函数根据电力系统自动装置课程所学知识可知,直流他励励磁机的传递函数为下式： 其中 式中 一般假定为常数在上式中,表示励磁机的饱和系数；N是键链；为气隙特性的斜率；K是常数；是励磁机励磁绕组的电阻。二 励磁调节器各单元传递函数1电压测量比较单元的传递函数式中 电压比例系数 电压测量回路的时间常数2综合放大单元的传递函数式中 电压放大系数；放大器的时间函数。 功率放大单元传递函数三 同步发电机的传递函数发电机的放大倍数；时间常数。四 励磁控制系统传递函数 求得励磁控制系统个单元传递函数后,可组成励磁系统的传递函数框图,如下图2-2所示：图2-2 励磁控制系统的传递函数框图本次系统分析采用他励直流励磁机励磁控制系统。 励磁控制系统参数为：带入以上参数,得系统的开环传递函数为：取 由此可得系统闭环传递函数为：2.2 系统响应及其分析动态响应指的是一个稳定系统在过渡过程中的状态和输出的行为,所谓过渡过程,是指系统在外力作用下从一个稳态转移到另一个稳态的过程。在控制过程中,把阶跃信号当作对系统性能考验最为严重的输入信号,若系统对该类输入信号的响应良好,则系统对其它信号的响应一般也是良好的。以下为动态性能的几个参数：1 上升时间：输出响应从零上升,第一次达到稳态值所需要的时间,它反映了系统的快速性。2 峰值时间：输出响应从零上升至峰值是的时间。3 调整时间：输出响应到达并停留在误差带内所需的最小时间,它反映系统过渡过程的快慢。输出的误差带范围一般规定为其稳定值得或。4 超调量：若输出峰值为,稳态值为,则定义=本次分析所选用的系统的阶跃响应曲线和根轨迹图见附录一二. .第三章 系统的定性分析 3.1稳定性分析稳定性指的是系统处于平衡状态下,受到扰动之后,系统自由运动的性质。由上述分析可知,系统的闭环传递函数为： 其特征方程为：将s=jw带入D中有解得w=6.27 K=1042所以当K1024时系统是稳定的。也可选用根轨迹方法对系统的稳定性进行判定。matlab图见附件一由matlab图可知,当随着开环增益的提高,系统的闭环极点进入右半平面,系统变得不稳定。3.2 能控性分析取K=200其状态方程为：其能控性矩阵为：用matlab工具计算得：rank S=3所以系统是能控的计算得：rank v =3 所以系统是能观的。.3.3 能观性分析计算得：rank v =3 所以系统是能观的。. .第四章 系统的定量分析4.1串联校正本次要求校正后系统在单位阶跃输入响应下,超调量 调整时间 ,上升时间尽量小。由动态性能指标 , 借用标准二阶系统计算公式可得：采用串联校正：在上述中已经计算出了期望主导极点的位置为： 校正框图如下所示：假设校正环节的传递函数为：选择参数时,可以使G的零点对消固有部分的最大时间常数即取 即 这样系统的开环传递函数为：要使系统的根轨迹经过期望极点：根据根轨迹的相角条件有：由此解得1/T=0.2 T=5由幅值条件得： 所以：所以增加串联校正后开环传递函数为：校正后的阶跃响应图和根轨迹图见附录二,三由根轨迹图可知：随着开环增益提高其跟轨迹变化趋向转入右半平面,使系统失去稳定,为了改善系统的稳定性,再增加一对开环零点-0.5+j1.32和-0.5-j1.32,使根轨迹右移,有利于系统的稳定性。 加入后的开环传递函数为：其阶跃响应和根轨迹图见附录四,五4.2输出反馈校正极点配置系统的开环状态方程为：由于系统是能控的,可通过状态反馈配置其闭环极点于期望位置上,令状态反馈为：于是状态反馈的系数矩阵为：其特征方程为：=由期望极点所确定的特征方程为：比较上述两个特征方程,使它们对应项的系数相等,可有：. .第五章 结论1 通过串入校正装置,改变主导极点的位置的方法,可以使系统的动态性能变好,但是零点位置也会对系统的性能产生影响,在校正过程中,要注意。2在系统中加入零点,可以改变系统的稳定性。参考文献matlab在电气工程中的应用.李维波.中国电力出版社；电力系统自动装置原理.杨冠城 .中国电力出版社;现代同步发电机励磁系统设计及应用.李继成.中国电力出版社;自动控制理论基础.戴忠达.清华大学出版社;电力系统自动装置.张瑛 赵芳 李全意.中国电力出版社;. .附录一：附录二：附录三：附录四附录五附录六. .