一种基于模糊滑模的同步发电机励磁控制方法与流程

本发明涉及一种基于模糊滑模的同步发电机励磁控制方法。

背景技术：

电力的发展与国民经济密切相关，确保大型电网的安全对国民经济稳定运行有着举足轻重的影响。大型电网一般由若干台并列运行的发电机组构成，发电机组与电网运行的安全性与控制性能相互影响、相互制约，而发电机励磁系统是联系发电机组与电网的最重要的纽带。因此，对发电机励磁系统进行有效地控制，对整个电力系统的高品质、高可靠的稳定运行至关重要。

由于发电机励磁控制系统是一个具有时变性、多时滞环节且高度非线性的复杂控制系统，当系统的工况改变时，系统的动态特性会随之显著改变。目前，工业上常用的pid控制具有结构简单、稳健性好、容易实现等优点，但难以适应发电机受到急剧干扰下的复杂工况，一些先进的控制方法被引入到励磁控制中，但由于其依赖于精确的数学模型，很难实现发电机励磁系统的高质量控制。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种基于模糊滑模的同步发电机励磁控制方法，结合模糊控制和滑模控制的特点，提出一种模糊滑模控制器，采用指数趋近律，使系统在较快的时间内平稳到达滑模面，采用模糊控制实现滑模的切换控制，弱化系统的抖振现象。提高控制系统的参数自适应能力和鲁棒性，保证发电机系统优良的静态和动态响应能力。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于模糊滑模的同步发电机励磁控制方法，包括如下步骤：

步骤1、建立同步发电机励磁系统各单元简化模型、模糊滑模控制器模型，其中：

同步发电机励磁系统各单元简化模型包括同步发电机单元的数学模型、功率放大单元的数学模型和电压测量单元的数学模型；

模糊滑模控制器模型包括模糊控制部分和滑模变结构控制部分，模糊控制输出us和滑模变结构控制输出ueq叠加后输出；

步骤2、将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1作为滑模变结构控制部分的输入，将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1和同步发电机给定电压与实际机端电压的误差变化率作为模糊控制部分的输入；

步骤3、模糊控制输出us和滑模变结构控制输出ueq叠加后得到励磁电压uf；

步骤4、将励磁电压uf经过功率放大单元得到控制同步发电机的励磁电压uf；

步骤5、将uf作为同步发电机单元的输入，得到同步发电机实际输出电压ug，其中，将同步发电机实际输出电压ug作为电压测量单元的输入得到同步发电机机端反馈电压u。

优选，步骤1中：

将同步发电机单元的数学模型简化为一阶滞后环节，其传递函数gg(s)为：

式中：kg是同步发电机放大系数，t′d0是发电机时间常数。

将功率放大单元的数学模型简化为一阶惯性环节，其传递函数gp(s)为：

式中：kp是电压放大系数，tp是电压放大时间常数，uf是励磁电压，uf是功率放大后的同步发电机所需励磁电压。

将电压测量单元的数学模型简化为一阶惯性环节，其传递函数gu(s)为：

式中：ku是比例系数，tu是滤波回路时间常数。

优选，步骤1中，建立模糊滑模控制器模型包括如下步骤：

s01、确定模糊滑模控制器模型的输入：将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1作为滑模变结构控制部分的输入，将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1和同步发电机给定电压与实际机端电压的误差变化率作为模糊控制部分的输入；

s02、设计积分滑模面；

s03、选取积分初始值；

s04、设计指数趋近律；

s05、设计滑模控制量；

s06、得到模糊滑模控制器。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用积分滑模面，减小了系统的抖振现象；

2、本发明控制方法在趋近运动段采用指数趋近律，使系统快速到达切换面，且接近滑模面时以一个较小的速度，也可以有效地减小抖振现象；

3、本发明采用模糊控制和滑模控制相结合的控制方法，加快系统的响应时间，提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力，提高发电机励磁控制的稳态与动态性能。

附图说明

图1是本发明一种基于模糊滑模的同步发电机励磁控制方法的结构框图；

图2是本发明控制方法和单纯滑模控制对系统受到3％阶跃扰动先下后上的电压仿真对比曲线图；

图3是本发明控制方法和单纯滑模控制对线路三相短路延迟切除的电压仿真对比曲线图；

图中：u0—同步发电机的给定电压；u—同步发电机的机端反馈电压；ug—同步发电机的输出电压；uf—励磁电压；uf—控制同步发电机的励磁电压；e1—同步发电机的给定电压与实际机端电压的误差；—同步发电机给定电压与实际机端电压的误差变化率；us—滑模切换控制输出；ueq—滑模等效控制输出；fc—模糊控制；smc—滑模变结构控制。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种基于模糊滑模的同步发电机励磁控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、建立同步发电机励磁系统各单元简化模型、模糊滑模控制器模型，其中：

同步发电机励磁系统各单元简化模型包括同步发电机单元的数学模型、功率放大单元的数学模型和电压测量单元的数学模型；

模糊滑模控制器模型包括模糊控制部分和滑模变结构控制部分，模糊控制输出us和滑模变结构控制输出ueq叠加后输出；

步骤2、将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1作为滑模变结构控制部分的输入，将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1和同步发电机给定电压与实际机端电压的误差变化率作为模糊控制部分的输入；

步骤3、模糊控制输出us和滑模变结构控制输出ueq叠加后得到励磁电压uf；

步骤4、将励磁电压uf经过功率放大单元得到控制同步发电机的励磁电压uf；

步骤5、将uf作为同步发电机单元的输入，得到同步发电机实际输出电压ug，其中，将同步发电机实际输出电压ug作为电压测量单元的输入得到同步发电机机端反馈电压u。

模糊滑模控制器将滑模变结构控制smc和模糊控制fc相结合，将滑模变结构控制smc作为前向通道控制，得到滑模等效控制输出ueq。采用积分滑模面，减小了系统的抖振现象。同时采用指数趋近律，使系统快速到达切换面，且接近滑模面时以一个较小的速度，也可以有效地减小抖振现象。通过模糊控制fc实现滑模切换控制us，将同步发电机给定电压与实际机端电压的误差e1及其变化率作为模糊控制fc的输入，通过模糊推理、模糊规则和反模糊化得到模糊控制fc的输出，实现滑模切换控制输出us。

下面进行详细介绍。

本实施例选取常用的发电机励磁控制系统，以励磁系统动态特性为基础，各单元简化模型如下：

忽略发电机磁路饱和现象，将同步发电机单元的数学模型简化为一阶滞后环节，其传递函数gg(s)为：

式中：kg是同步发电机放大系数，t′d0是发电机时间常数。

励磁调节器输出的控制信号uf经过功率放大单元得到满足发电机输入要求的输出信号uf，可以将功率放大单元的数学模型简化为一阶惯性环节，其传递函数gp(s)为：

式中：kp是电压放大系数，tp是电压放大时间常数，uf是励磁电压，uf是功率放大后的同步发电机所需励磁电压。

将电压测量单元的数学模型简化为一阶惯性环节，其传递函数gu(s)为：

式中：ku是比例系数，tu是滤波回路时间常数。

建立模糊滑模控制器模型包括如下步骤：

s01、确定模糊滑模控制器模型的输入：将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1作为滑模变结构控制部分的输入，将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1和同步发电机给定电压与实际机端电压的误差变化率作为模糊控制部分的输入。

模糊滑模控制器模型的输入包括e1和e2：

u0为同步发电机的给定电压；u为同步发电机的机端反馈电压。

对上述的状态变量求导可得：

其中：

s02、设计积分滑模面σ：

σ＝e1+ce2

c为积分常数，c＞0。

求导可得：

s03、选取积分初始值i0为：

式中：x0为x1(τ)的初始状态；x1(τ)为系统τ时刻状态。

s04、设计指数趋近律：为了使系统的动态品质更佳，采用指数趋近律法来设计控制器：

式中：ξ＞0、k＞0且都是常数，sgn(σ)是关于σ的符号函数。

s05、设计滑模控制量，优选，采用等效控制法来减小切换控制量的幅值，设计滑模控制量u为：

u＝ueq+us

式中，ueq为滑模等效控制部分，us为滑模切换控制部分。

确定滑模控制量的等效控制部分。系统在时所需要的控制量就是滑模等效控制部分ueq，用来控制发电机励磁控制系统的确定部分，则：

为了使系统状态趋向滑模面，滑模切换控制部分us通过高频切换控制，可以保证状态沿着滑模面滑向稳定点，并使系统具有很强的鲁棒性。其表达式为：

us＝-ξsgn(σ)

s06、得到模糊滑模控制器为：

可通过lyapunov函数证明系统的稳定性，取lyapunov函数为：求导得：将式代入可得：

因为ξ＞0、k＞0，成立，系统在控制器的作用下是稳定的。

优选，滑模切换控制部分us通过模糊控制实现，其步骤如下：

s11、确定模糊控制器的输入：将同步发电机机端反馈电压u与给定电压u0的误差e1和同步发电机给定电压与实际机端电压的误差变化率作为模糊控制部分的输入。

s12、确定模糊控制的模糊集：

σ＝{nbnmnszopspmpb}

us＝{nbnmnszopspmpb}

其中，nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb分别表示：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。

s13、确定模糊控制的模糊推理：

s14、设计模糊规则，如表1所示：

表1模糊控制规则表

s15、采用重心法：进行反模糊化，式中，μⁱ为第i条规则的隶属度；cⁱ为第i条规则输出的中心点。

s16、确定滑模控制量的滑模切换控制部分us，由滑模控制量的等效控制部分ueq和滑模控制量的滑模切换控制部分us确定系统励磁电压uf。

为了验证本算法的效果，进行了下述对比试验，同步发电机参数：kg＝1，t′d0＝8.6s，kp＝5.97，tp＝3.33ms，ku＝1，tu＝15ms。利用matlab/simulink进行仿真，在其他条件相同的情况下，对仿真结果从阶跃干扰和三相短路干扰等方面加以对比分析。

图2、3分别是同步发电机在小扰动(3％阶跃扰动)和大扰动(三相短路延迟切除)情况下，单纯滑模控制与模糊滑模控制的电压仿真曲线对比图，两种控制方式是在相同发电机参数条件下进行对比。从对比结果可以看出，单纯的采用滑模变结构控制时，系统超调量较大且稳定后存在抖振现象；而采用模糊滑模变结构控制算法，系统响应速度加快，鲁棒性较强且可以很好地抑制抖振。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用积分滑模面，减小了系统的抖振现象；

2、本发明控制方法在趋近运动段采用指数趋近律，使系统快速到达切换面，且接近滑模面时以一个较小的速度，也可以有效地减小抖振现象；

3、本发明采用模糊控制和滑模控制相结合的控制方法，加快系统的响应时间，提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力，提高发电机励磁控制的稳态与动态性能。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。