无刷同步发电机励磁系统设计及仿真

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1、无刷同步发电机励磁系统设计及仿真（中国神华煤制油化工有限公司榆林化工分公司719300）摘要：励磁系统是无刷同步发电机的重要组成部分，其性能对于发电机组乃至整个电力系统的运行效率和运行特性都具有决定性作用，一般来说，性能优良的励磁系统不仅能保证发电机安全稳定运行，还能保证电能质量以及电力系统静态、暂态稳定。木文首先对无刷同步发电机励磁系统的作用进行简要论述，并着重在常规PID控制的励磁系统的基础上对基于模糊PID控制和基于BP祌经网络PID控制的无刷同步发电机励磁系统的设计及仿真进行研究。关键词：无刷同步

2、发电机；励磁系统；模糊PID;BP神经网络；仿真无刷同步发电机只有改善电力系统稳定性的优良特性，而励磁系统在发挥无刷同步发电机的优良特性方面起着关键作用，可靠性高、性能优良且具有良好稳定性的励磁系统对于发电机组乃至整个电力系统的的安全运行起着非常重要的作用，因而在电机设计中的电磁设计占有重要地位。无刷励磁系统由于无碳刷和滑环，要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，所以其维护工作量较少，能承受高速旋转的离心力，且适合在危险的环境中运行，另外，由于没有接触部件的磨损，可延长电机绝缘寿命，是现代中小型电

3、机和大型无刷励磁系统首选励磁方式。木文将对基于模糊PID控制和基于BP祌经M络PID控制的无刷同步发电机励磁系统的设计及仿真进行研究。一、无刷同步发电机励磁系统的作用无论发电机机组或电力系统是在稳定状态下还是在固定状态下运行，无刷同步发电机的励磁系统都起着非常关键的作用。首先，在发电机正常运行工况下，励磁系统向发电机提供励磁电流，并且根据电力负载情况进行实时调节励磁电流，以将发电机端U电压维持在给定水平；其次，当机组并网运行时，无刷同步发电机的励磁系统合理分配机组间的无功功率；第三，改变励磁电流从而改变总

4、含有发电机空载电动势，以此来改善系统稳定性，提高有功功率的传输能力，扩大机组运行的稳定区域；当电力系统发生电路故障比如出现短吋低电压等情况,励磁系统可通过大幅增加励磁以提高电压，改善发电机运行条件，提高继电保护装置动作准确性，进而保证整个电力系统的暂态稳定性。二、基于模糊PID控制的无刷励磁同步发电机励磁系统的设计1.模糊PID励磁控制器设计常规PID控制器主要由给定输入与系统输出之间的误差及其微分、积分的线性组合来产生输出信号的，其结构简单，稳定性好，可靠性高，工作原理见图1。对于模糊PID励磁控制器的

5、设计，首先，确定设定输入输出和语言值，将两个输入、三个输出的基本论域都定义为［-3,3］，并采用三角形绿树函数将论域划分为7个模糊子集，得到负大（NB）、负中（NM）、负小（MS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）这七个语言变量，保证模糊论域所含元素个数式中为模糊语言变量个数的2倍，之后根据相关公式确定量化因子、输出变量的比例因子，并对量化因子和比例因子进行合理选择，以提高励磁控制器的优良程度。第二，采用Matlab仿真软件建立模糊控制器的隶属函数曲线，也可以通过FIS编辑器得到模糊控制

6、器各个参数的输出曲面，并建立模糊控制器模糊规则，得到针对常规PID控制器三个参数的模糊控制表。第三，模糊控制器通过模糊规则进行模糊推理，之后得到一个输出变量的模糊量，得出修正参数，此吋采用Mamdani模糊推理法来对PID的三个参数进行在线调整，使模糊量能够得以输出和控制最终得到基于模糊PID的无刷同步发电机励磁系统的控制输出：式中，μ（t）、e（t）——PID控制器的输出和输入;KpO、KiO、KdO——PID控制器初始参数；Kp、Ki、Kd——PID控制器实吋参数；Up、Ui、Ud输出的模糊变量

7、，Kup、Kui、Kud—一输出变量的比例因子。1.基于模糊PID控制的无刷同步发电机励磁控制器设计小扰动吋，为提高无刷同步发电机励磁系统的快速性，需对交流励磁机时间常数进行补偿，这主要是因为在无刷同步发电机励磁系统中，励磁绕组是通过吋间常数较大的交流励磁机来对发电机的转子绕组产生作用的。交流励磁机的励磁电感值远远低于同步发电机的励磁电感，建议添加并联反馈环节，以减少交流励磁机的惯性时间常数。新的传递函数为：四、系统仿真与结果分析Matlab仿真软件是当今国际控制界公认的标准计算软件，其数据类型和结构丰富

8、，且拥有更友善的面向对象、更精良快速的图形可视，更广博的数据分析资源，它使人们可能考虑到以往不得不做简化假设的非线性因素和随机因素等，可通过仿真来实现对非线性对系统动态影响的认知。本研究拟采用Matlab仿真软件建立无刷同步发电机励磁系统模型。1.建立仿真模型(1)建立无刷同步发电机模型。它是电力系统中非常重要的原件，是励磁系统控制的对象，同时也与励磁系统相互作用。为研究励磁系统的动态特性，需深入分析发电机的动态特性。建立无刷