CN104201954B - 船舶电力系统励磁电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶电力系统励磁电压调节方法，首先通过对船舶电力系统的调速系统、励磁调压系统、发电机和负载分别建立各个模块的数学模型。原动机调速系统模型采用传统PID调节，励磁电压调节模型根据船舶电力系统负载多少分为两种工况，搭建两个励磁电压调节模型和反馈环节模型，每个励磁电压调节模型对应一个模糊PID控制器。当输入运行工况变化时，根据负载投切信号，选择一个模糊PID控制器作为控制器，进行调压。

Description

船舶电力系统励磁电压调节方法

技术领域

本发明涉及电力系统的励磁电压调节技术领域，特别涉及一种基于多模型模糊PID控制的船舶电力系统励磁电压调节方法。

背景技术

船舶电力系统是一个独立的系统，其发电机组间具有较强的藕合性、时变性和非线性。然而由于负载是动态变化的，这会影响到电源输出的电压和频率的稳定性，从而影响船舶的安全稳定的运行。因此提高控制精度，确保船舶电力系统稳定地、持续地向船舶提供电力，这是保证船舶安全航行和船员生命安全的重要前提。

目前，调速装置和励磁调压装置的控制普遍采用传统PID控制方式。但负载、模型、参数的大范围变化以及非线性等因素的影响，使得传统PID控制方式难以满足控制要求。研究表明，人工智能控制，例如模糊控制、神经网络控制等，对船舶电力系统具有更好的控制效果。但随着船舶电站容量的增大，其负载的突加和突卸对系统的影响更大，同时还可能伴随着甩负荷、系统结构重构等情况发生。单纯的人工智能控制可能出现调整参数不适用重构后系统的情况，难以达到高精度、快响应等性能指标。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种船舶电力系统励磁电压调节方法。本发明通过以下技术方案实现：

一种船舶电力系统励磁电压调节方法，包括步骤：

S1、建立船舶电力系统的数学模型，包括同步发电机模型、原动机调速系统模型、励磁电压调节模型和负载模型；

S2、搭建原动机仿真模型，输入为额定转速和实际转速，输出为原动机输出功率；

S3、PID控制器控制原动机仿真模型空载运行，并调节PID控制器参数；

S4、搭建励磁调压仿真模型，输入为额定电压、正序电压和接地电压，输出为励磁电压；

S5、以船舶电力系统所带负载的多少为判断条件，分别搭建两个励磁电压调节模型和反馈环节模型；

S6、设计一模糊控制器，针对两个励磁电压调节模型和反馈环节模型选择不同PID控制器与模糊控制器结合，形成多模型模糊PID控制器；

S7、用正序电压大小来表示系统所带负载多少，当正序电压大于或等于361V时，选择第一励磁电压调节模型和对应的第一多模型模糊PID控制器；反之选择第二励磁电压调节模型和对应的第二多模型模糊PID控制器，进行调压。

较佳的，同步发电机模型为六阶模型，同步发电机为凸极电机。

较佳的，建立原动机调速系统模型包括：将船舶电力系统的调速系统分为原动机在内的若干部分，将原动机作为一个一阶惯性环节与一个纯滞后环节相串联的形式，针对双脉冲电子调速器进行建模。

较佳的，励磁电压调节模型为无刷同步发电机励磁调压模型，分为电压测量单元、调节单元、励磁机单元和反馈单元，电压测量单元包括正序电压通过滤波器。

较佳的，步骤S5包括：根据船舶电力系统带50％负载和满载两种工况，分别搭建了两个励磁机和反馈环节模型。

较佳的，还包括步骤：

S8、将原动机调速系统模型和励磁电压调节模型封装，接上同步发电机模型和负载模型，组成船舶电力系统仿真模型。

S9、船舶电力系统仿真模型输出为原动机输出功率、励磁电压、发电机机端实际电压及原动机实际转速，改变船舶电力系统仿真模型带负载情况，观察励磁电压和发电机端电压的变化。

较佳的，模糊控制器包括：

将同步发电机模型输出端电压偏差、同步发电机模型输出端电压偏差变化率作为PID控制器的输入变量，它们的论域分别为X＝[-76,76]与Y＝[-8,8]；模糊控制器的输出量为三个修正值：ΔKp、ΔKi、ΔKd，其论域分别为[-50,50]、[-10,10]、[-2,2]。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一，本发明结合了模糊控制和PID控制的优点，对模型精度要求降低。

第二，本发明可根据带载情况选择控制器，控制器的工作范围变宽。

第三，本发明的鲁棒性、控制精度有提高，能满足高精度、快响应的控制要求。

附图说明

图1所示的是本发明的原理图；

图2所示的是原动机调速系统原理图；

图3所示的是励磁调压系统输入电压测取方法；

图4所示的是本发明的模糊PID控制器原理图；

图5所示的是突加50％负载时，多模型模糊PID与单一模糊PID各系统参数变化示意图；

图6所示的是突卸50％负载时，多模型模糊PID与单一模糊PID各系统参数变化示意图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

参看图1，一种基于多模型模糊PID控制的船舶电力系统励磁电压调节方法，包括以下步骤：

S1：建立船舶电力系统的数学模型；

1)同步发电机模型

所用同步发电机为凸极电机，模型选用六阶模型。对同步发电机的六阶模型的八个方程同时进行拉氏变换，可得到如下结果：

U_d(s)＝E″_d(s)+X″_qi_q(s)-r_ai_d(s) (1)

U_q(s)＝E″_q(s)-X″_di_d(s)-r_ai_q(s) (2)

$E_d^{\′}\left(s\right)=\frac{-X_{qr}{E}_d^{\′\′}\left(s\right)}{T_{q0}^{\′}s+(1-X_{qr})}---\left(3\right)$

$E_d^{\′\′}\left(s\right)=\frac{1}{T_{q0}^{\′\′}s+1}\[E_d^{\′}\left(s\right)-(X_q^{\′}-X_q^{\′\′})i_q\left(s\right)\]---\left(4\right)$

$E_q^{\′}\left(s\right)=\frac{E_f\left(s\right)-X_{dr}{E}_q^{\′\′}\left(s\right)}{T_{d0}^{\′}s+(1-X_{dr})}---\left(5\right)$

$E_q^{\′\′}\left(s\right)=\frac{1}{T_{d0}^{\′\′}s+1}\[E_q^{\′}\left(s\right)-(X_d^{\′}-X_d^{\′\′})i_d\left(s\right)\]---\left(6\right)$

$\mathrm{\ω}\left(s\right)=\frac{T_{m}s-\[E_d^{\′\′}\left(s\right)i_d+E_q^{\′\′}\left(s\right)i_q-(X_d^{\′\′}-X_q^{\′\′})i_d{i}_q\]}{T_{j}s}---\left(7\right)$

$Deta\left(s\right)=\frac{1}{s}\left(\mathrm{\ω}\right(s)-1)---\left(8\right)$

式中：

以下是d轴各参数的含义(q轴参数与此类似，略写)。X_d：d轴同步电抗；X′_d：d轴暂态电抗；X″_d：d轴次暂态电抗；T′_d0：d轴开路暂态时间常数；T″_d0：d轴开路次暂态时间常数；E′_d：d轴暂态电动势；E″_d：d轴次暂态电动势；i_d：d轴等效电流；E_f：定子励磁电动势；T_m：原动机加于电机轴的机械力矩；T_j：机组惯性时间常数；ω：转子机械角速度；Deta：q轴领先同步旋转坐标系实轴x的角度。

2)原动机及调速系统模型

图2所示的是原动机调速系统原理图，针对双脉冲电子调速器进行建模，将船舶电力系统的调速系统分为：速度控制器、执行机构、原动机(柴油机)、转速反馈环节、发电机几个重要部分，将柴油机近似地看做一个一阶惯性环节与一个纯滞后环节相串联的形式，具体模型如式(9)所示：

$G_{diesel}\left(s\right)=\frac{1}{T_{d}s+T_g}{e}^{-\mathrm{\τ}s}---\left(9\right)$

其中，T_d为柴油机加速时间常数，T_g为在柴油机与负载联合工作时侯的自稳系数，τ为纯滞后环节的滞后时间。

3)励磁调压系统模型

图3所示的是励磁调压系统输入电压测取方法，采用无刷同步发电机励磁调压系统，系统分为电压测量、调节单元、励磁机和反馈单元。电压测量单元由正序电压通过滤波器组成，滤波器的模型为：

$G\left(s\right)=\frac{1}{T_{r}s+1}---\left(10\right)$

根据船舶电力系统带50％负载和满载两种工况，分别搭建了两个励磁机和反馈环节模型。当电力系统带50％负载时，对应的励磁机和反馈单元模型分别如式(11)和式(12)所示：

$G_{\mathrm{ex}citer}\left(s\right)=\frac{1}{0.5s+1}---\left(11\right)$

$G\left(s\right)=\frac{0.001s}{0.1s+1}---\left(12\right)$

当电力系统满载时，对应的励磁机和反馈环节模型分别如式(13)和式(14)所示：

$G_{exciter}^{\′}\left(s\right)=\frac{1}{0.1s+1}---\left(13\right)$

$G^{\′}\left(s\right)=\frac{0.001s}{0.1s+1}\·\frac{1}{0.001s+1}---\left(14\right)$

4)负载模型

运用静态负载进行仿真研究，选用负载RLC模块，其中容性阻抗为零。共用四个负载模型，单一负载占额定负载的25％，分为两种类型，每种类型各两个负载：一种编号为A、B，功率因数为0.8，负载参数为：线电压Vn＝380V，频率fn＝60Hz，有功功率P＝45760W，感性负载无功功率QL＝34320Var；另一种编号为C、D，功率因数为0.4，线电压Vn＝380V，频率fn＝60Hz，有功功率P＝24340W，感性负载无功功率QL＝55740Var。

S2：搭建原动机仿真模型，输入为额定转速和实际转速，输出为原动机输出功率；

S3：使原动机空载运行，调节PID控制器参数；

S4：搭建励磁调压仿真模型，输入为额定电压、正序电压和接地电压，输出为励磁电压；

S5：以系统所带负载的多少为判断条件，分别搭建两个励磁机和反馈环节模型；

S6：设计一个模糊控制器。计算量化因子和比例因子，设计控制规则，针对两个模型选择不同PID控制器与模糊控制器结合，形成多模型模糊PID控制器。

模糊PID控制器设计：其原理图如图4所示。将发电机输出端电压偏差e、发电机输出端电压偏差变化率ec作为控制器输入变量，设其模糊语言变量分别为E、EC，它们的论域分别为X＝[-76,76]与Y＝[-8,8]；模糊控制器输出量为PID三个参数的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd，与之对应的模糊语言变量分别为Kp、Ki、Kd，其论域分别为[-50,50]、[-10,10]、[-2,2]。

相应的模糊子集论域为：

输入变量E、EC为：{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}

输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd为：

{-10,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7,+8,+9,+10}

由此可知：

量化因子

比例因子

模糊子集中元素NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。该系统为两个输入量(e，ec)和三个输出量(ΔKp，ΔKi，ΔKd)的模糊控制系统，共有49条规则。输出变量ΔKp、ΔKi和ΔKd的隶属度函数曲线均采用梯形、S型及Z形隶属度函数曲线相结合的方式。ΔKp，ΔKi，ΔKd的控制规则如表1、2、3所示，表1为Kp模糊规则表，表2为Ki模糊控制表，表3为Kd模糊控制表。

表1

表2

表3

由此，可得模糊PID控制器为

$u_i\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)dt+K_d\frac{de\left(t\right)}{dt}---\left(15\right)$

S7：用正序电压大小来表示系统所带负载多少，当正序电压大于或等于361V时，选择第一个励磁机模型和对应的模糊PID控制器1；反之选择第二个励磁机模型和对应的模糊PID控制器2；

S8：将原动机调速系统和励磁调压系统封装，接上同步发电机模型和负载模型，组成简单船舶电力系统仿真模型；

S9：系统输出为原动机输出功率、励磁电压、发电机机端实际电压及原动机实际转速，改变系统带负载情况，观察励磁电压和发电机端电压的变化。

本发明采用传统PID控制器控制原动机调速系统，其参数KP、KI和KD分别为50，3和1.5。根据不同的工况，分别搭建两个励磁调压模型，每个模型对应设计一个模糊PID控制器。运行工况分为：带50％负载运行和满载运行，记为A1、A2。A1工况下PID控制器参数KP、KI和KD分别为50，2和12，A2工况下PID控制器参数KP、KI和KD分别为52，4和10。用MATLAB软件进行仿真实验。

1)突加负载

系统最初空载运行，在10s时接入A、B负载(50％负载运行)，待系统稳定后，于20s时接入C、D负载(满载运行)。仿真实验结果如图5所示。

结果表明：当从空载工况到带50％负载工况，多模型模糊PID控制器在励磁电压和线电压控制上超调量更小，调整时间更短。当从50％负载工况到满载工况，多模型模糊PID控制器在励磁电压和线电压的控制方面，超调量和调整时间有所增加，但仍较单模型模糊PID更优。

2)突卸负荷

系统最初空载运行，在10s时接入四个负载(满载运行)，待系统稳定后，于20s时卸下C、D负载(带50％负载运行)。仿真实验结果如图6所示。

结果表明：突卸50％负载时，多模型模糊PID控制器在励磁电压和线电压的控制方面，超调量和调整时间都比单模型模糊PID控制器小，控制更精确快速。

综上，多模型模糊PID控制在抗负载影响方面优于单一的模糊PID控制，面对船舶电力系统多变的工况，前者能减缓解决突加或突卸负载对发电机端电压的影响，可以满足更快、更精细的控制要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种船舶电力系统励磁电压调节方法，其特征在于，包括步骤：

S1、建立船舶电力系统的数学模型，包括同步发电机模型、原动机调速系统模型、励磁电压调节模型和负载模型；

S2、搭建原动机仿真模型，输入为额定转速和实际转速，输出为原动机输出功率；

S3、PID控制器控制原动机仿真模型空载运行，并调节PID控制器参数；

S4、搭建励磁调压仿真模型，输入为额定电压、正序电压和接地电压，输出为励磁电压；

S5、以船舶电力系统所带负载的多少为判断条件，分别搭建两个励磁电压调节模型和反馈环节模型；

S6、设计一模糊控制器，针对两个励磁电压调节模型和反馈环节模型选择不同PID控制器与所述模糊控制器结合，形成多模型模糊PID控制器；

S7、用正序电压大小来表示系统所带负载多少，当正序电压大于或等于361V时，选择第一励磁电压调节模型和对应的第一多模型模糊PID控制器；反之选择第二励磁电压调节模型和对应的第二多模型模糊PID控制器，进行调压。

2.根据权利要求1所述的船舶电力系统励磁电压调节方法，其特征在于，所述同步发电机模型为六阶模型，同步发电机为凸极电机。

3.根据权利要求1所述的船舶电力系统励磁电压调节方法，其特征在于，建立所述原动机调速系统模型包括：将船舶电力系统的调速系统分为原动机在内的若干部分，将原动机作为一个一阶惯性环节与一个纯滞后环节相串联的形式，针对双脉冲电子调速器进行建模。

4.根据权利要求1所述的船舶电力系统励磁电压调节方法，其特征在于，所述励磁电压调节模型为无刷同步发电机励磁调压模型，分为电压测量单元、调节单元、励磁机单元和反馈单元，所述电压测量单元包括正序电压通过滤波器。

5.根据权利要求1所述的船舶电力系统励磁电压调节方法，其特征在于，步骤S5包括：根据船舶电力系统带50％负载和满载两种工况，分别搭建了两个励磁机和反馈环节模型。

6.根据权利要求1所述的船舶电力系统励磁电压调节方法，其特征在于，还包括步骤：

S8、将原动机调速系统模型和励磁电压调节模型封装，接上同步发电机模型和负载模型，组成船舶电力系统仿真模型；

S9、船舶电力系统仿真模型输出为原动机输出功率、励磁电压、发电机机端实际电压及原动机实际转速，改变船舶电力系统仿真模型带负载情况，观察励磁电压和发电机端电压的变化。

7.根据权利要求1所述的船舶电力系统励磁电压调节方法，其特征在于，所述模糊控制器包括：

将同步发电机模型输出端电压偏差、同步发电机模型输出端电压偏差变化率作为所述PID控制器的输入变量，它们的论域分别为X＝[-76,76]与Y＝[-8,8]；所述模糊控制器的输出量为三个修正值：ΔKp、ΔKi、ΔKd，其论域分别为[-50,50]、[-10,10]、[-2,2]。