CN105929682B

CN105929682B - 汽轮发电机组综合控制系统

Info

Publication number: CN105929682B
Application number: CN201610343763.5A
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 皮志锋; 张兰勇
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2036-05-23
Also published as: CN105929682A

Abstract

本发明属于电机控制技术领域，提供一种汽轮发电机组综合控制系统，该系统包括比例积分微分综合控制器，执行器，汽轮机，发电机和励磁机；比例积分微分综合控制器、执行器和汽轮机依次连接，汽轮机的输出轴与发电机的转子连接，汽轮机反馈输出轴的实际转速至比例积分微分综合控制器，比例积分微分综合控制器、励磁机和发电机依次连接，发电机输出电压至负载，并反馈输出电压至比例积分微分综合控制器；比例积分微分综合控制器用于根据获取的目标转速和实际转速，发送转速控制指令至执行器，根据获取的目标电压和输出电压，发送电压控制指令至励磁机，本发明提供的汽轮发电机组综合控制系统，能够提高船舶电力系统的稳定性。

Description

汽轮发电机组综合控制系统

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种汽轮发电机组综合控制系统。

背景技术

船舶是一种能航行航或停泊于水域进行运输或作业的交通工具，船舶电力系统的稳定性备受人们关注，也是各科研人员研究的重点课题。船舶电力系统的稳定性主要取决于船舶电站汽轮发电机组转速和电压的响应特性。目前，汽轮发电机组励磁系统和调速系统本身已大大改善，发电机励磁控制和汽轮机转速控制不同步问题得到一定程度的改善，船舶电力系统稳定性能得到部分提高。但是，励磁控制器和速度控制器大部分仍然采用经典的单输入单输出的控制方法，各自单独控制，使发电机组的电压控制和速度控制处于相互割裂的状态，控制效果大大削弱，汽轮发电机组不能快速适应给定电压、给定转速或负载的变化，汽轮发电机组的稳定性能，如超调量、调节时间，远远不能满足用户的预计要求，并且降低了汽轮发电机组控制系统的精度。

如何提高船舶电力系统的稳定性，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种汽轮发电机组综合控制系统，能够提高船舶电力系统的稳定性。

本发明提供一种汽轮发电机组综合控制系统，该系统包括比例积分微分综合控制器，执行器，汽轮机，发电机和励磁机；比例积分微分综合控制器、执行器和汽轮机依次连接，汽轮机的输出轴与发电机的转子连接，汽轮机反馈输出轴的实际转速至比例积分微分综合控制器，比例积分微分综合控制器用于根据获取的目标转速和实际转速，发送转速控制指令至执行器，执行器根据转速控制指令调整汽轮机的实际转速达到目标转速；比例积分微分综合控制器、励磁机和发电机依次连接，发电机输出电压至负载，并反馈输出电压至比例积分微分综合控制器；比例积分微分综合控制器用于根据获取的目标电压和输出电压，发送电压控制指令至励磁机，所述励磁机根据电压控制指令控制发电机的输出电压达到目标电压。

进一步地，比例积分微分综合控制器包括转速比例积分微分控制器和电压比例积分微分控制器，转速比例积分微分控制器与执行器连接，用于根据获取的目标转速和汽轮机反馈的实际转速，发送转速控制指令至执行器；电压比例积分微分控制器与励磁机连接，用于根据获取的目标电压和发电机反馈的输出电压，发送电压控制指令至励磁机。

基于上述任意汽轮发电机组综合控制系统实施例，进一步地，励磁机根据电压控制指令调整发电机的输出电压达到目标电压，具体包括：根据电压控制指令，励磁机将输出电势发送至发电机，输出电势用于控制交轴超瞬变电势，发电机包括定子控制单元，定子控制单元的输入量包括输出轴的转速和所述交轴超瞬变电势，采用如下公式，控制输出至负载的直轴输出电压和交轴输出电压，

U_d＝-R_dI_d+ωX"_qI_q+ωE"_d

U_q＝-R_qI_q-ωX"_dI_d+ωE"_q

其中，U_d为发电机的直轴输出电压，I_d为发电机的直轴输出电流，R_d为发电机的直轴绕组电阻，U_q为发电机的交轴输出电压，I_q为发电机的交轴输出电流，R_q为发电机的交轴绕组电阻，E"_d为发电机的直轴超瞬变电势，E"_q为发电机的交轴超瞬变电势，ω为输出轴的转速。

进一步地，发电机还包括电磁控制单元，电磁控制单元检测励磁机的输出电势，发送交轴超瞬变电势至定子控制单元，电磁控制单元采用的具体公式如下：

其中，T_d0为直轴的同步时间常数，T″_d0为直轴的超变时间常数，T″_q0为交轴的超变时间常数，E'_q为发电机的交轴瞬变电势，E"_q为发电机的交轴超瞬变电势，E"_d为发电机的直轴超瞬变电势，E_fd为励磁机的输出电势，X_d为直轴同步电抗，X'_d为直轴瞬变电抗，X"_d为直轴超瞬变电抗，I_d为直轴输出电流，I_q为交轴输出电流，c为比例系数。

进一步地，励磁机的输入量为电压比例积分微分控制器的电压控制指令u(s)，输出量为输出电势E_fd(s)，励磁机的传递函数符合如下公式：

其中，K₂为励磁机的增益，T₂为励磁机的时间常数。

进一步地，执行器根据转速控制指令调整汽轮机的实际转速达到目标转速，具体包括：执行器根据转速控制指令调整汽轮机发送至转子控制单元的高压缸机械功率，发电机还包括转子控制单元，转子控制单元的输入量包括总机械功率和直轴与交轴的有功功率，采用如下公式，调整实际转速达到目标转速，总机械功率包括高压缸机械功率，

其中，U_d为直轴输出电压，I_d为直轴输出电流，U_q为交轴输出电压，I_q为交轴输出电流，P_e为直轴和交轴的有功功率，P_e(t)为直轴和交轴的瞬时功率，T为交流电的周期，D为阻尼系数，H为转动惯量，ω₀初始转速，ω(t)转子控制单元输出的转速，P_m(t)为总机械功率。

进一步地，执行器根据转速控制指令调整汽轮机发送至转子控制单元的高压缸机械功率，具体包括；执行器的输入量为转速控制指令，汽轮机的输出量为高压缸机械功率，执行器和汽轮机采用如下公式进行控制：

其中，u₁(s)为执行器的输入量，P_H(s)为汽轮机的输出量。

进一步地，转子控制单元还接收中低压缸机械功率，转子控制单元接收的总机械功率，具体根据如下公式确定：

P_m＝P_H+P_ML

其中，P_H为高压缸机械功率，P_ML为中低压缸机械功率。

本发明汽轮发电机组综合控制系统，采用比例积分微分综合控制器，对转速和电压进行综合控制，接收给定的目标电压和目标转速，保证汽轮发电机组综合控制系统的稳定性，在负载突然加大或变小时，实际转速和输出电压会发生变化，并反馈至比例积分微分综合控制器，比例积分微分综合控制器根据反馈的电压和目标电压，或反馈的转速和目标转速发送控制信息，调整汽轮发电机组综合控制系统的工作状态，使汽轮发电机组综合控制系统快速恢复稳定的状态，保证系统稳定性。因此，本发明汽轮发电机组综合控制系统能够提高稳定性和精度，快速适应负载变化，得到理想的调节时间和超调量。

附图说明

图1是本发明提供的一个汽轮发电机组综合控制系统结构图；

图2是本发明提供的另一个汽轮发电机组综合控制系统结构图；

图3是本发明提供的一个调速系统SIMULINK仿真模型图；

图4是本发明提供的一个调压系统SIMULINK仿真模型图；

图5是本发明提供的一个汽轮发电机组综合控制系统SIMULINK仿真模型图；

图6是本发明提供的一个调速系统仿真波形图；

图7是本发明提供的一个调压系统仿真波形图；

图8本发明提供的一个汽轮发电机组综合控制系统突加突减负载情况下电压输出波形；

图9本发明提供的一个汽轮发电机组综合控制系统突加突减负载情况下转速输出波形。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本实施例提供一种汽轮发电机组综合控制系统，结合图1，该系统包括比例积分微分综合控制器，执行器2，汽轮机3，发电机4和励磁机5；该比例积分微分综合控制器即为PID综合控制器1，PID综合控制器1、执行器2和汽轮机3依次连接，汽轮机3的输出轴与发电机4的转子连接，汽轮机3反馈输出轴的实际转速至PID综合控制器1，PID综合控制器1用于根据获取的目标转速和实际转速，发送转速控制指令至执行器2，执行器2根据转速控制指令调整汽轮机3的实际转速达到目标转速；PID综合控制器1、励磁机5和发电机4依次连接，发电机4输出电压至负载，并反馈输出电压至PID综合控制器1；PID综合控制器1用于根据获取的目标电压和输出电压，发送电压控制指令至励磁机5，励磁机5根据电压控制指令控制发电机4的输出电压达到目标电压。

本实施例汽轮发电机组综合控制系统，采用综合PID控制器，对转速和电压进行综合控制，接收给定的目标电压和目标转速，保证汽轮发电机组综合控制系统的稳定性，在负载突然加大或变小时，实际转速和输出电压会发生变化，并反馈至综合PID控制器，综合PID控制器根据反馈的电压和目标电压，或反馈的转速和目标转速发送控制指令，调整汽轮发电机组综合控制系统的工作状态，使汽轮发电机组综合控制系统快速恢复稳定的状态，保证系统稳定性。因此，本实施例汽轮发电机组综合控制系统能够提高稳定性和精度，快速适应负载变化，得到理想的调节时间和超调量。

优选地，比例积分微分控制器包括转速比例积分微分控制器和电压比例积分微分控制器，即PID综合控制器1包括转速PID控制器11和电压PID控制器12，结合图2，转速PID控制器与执行器连接，用于根据获取的目标转速和汽轮机反馈的实际转速，发送转速控制指令至执行器；电压PID控制器与励磁机连接，用于根据获取的目标电压和发电机反馈的输出电压，发送电压控制指令至励磁机。本实施例汽轮发电机组综合控制系统综合考虑转速和电压两种因素，在负载变化时，如负载加大，实际转速和输出电压会降低，为使该汽轮发电机组综合控制系统的电压和转速保持稳定，转速PID控制器根据反馈的实际转速和目标转速，发送给执行器相应的转速控制指令，以调节实际转速，电压PID控制器根据反馈的实际电压和目标电压，发送给励磁机相应的电压控制指令，以调节输出电压，摒弃以往的转速和电压单独控制的方式，以提高该汽轮发电机组综合控制系统的稳定性。

基于上述任意汽轮发电机组综合控制系统实施例，输出电压会受到励磁机的控制，同时转速的变化会影响电压的大小，具体地，励磁机根据电压控制指令调整发电机的输出电压达到目标电压，具体包括：根据电压控制指令，励磁机将输出电势发送至发电机，输出电势用于控制交轴超瞬变电势，发电机包括定子控制单元，定子控制单元的输入量包括输出轴的转速和交轴超瞬变电势，采用如下公式，控制输出至负载的直轴输出电压和交轴输出电压，

U_d＝-R_dI_d+ωX"_qI_q+ωE"_d

U_q＝-R_qI_q-ωX"_dI_d+ωE"_q

其中，U_d为发电机的直轴输出电压，I_d为发电机的直轴输出电流，R_d为发电机的直轴绕组电阻，U_q为发电机的交轴输出电压，I_q为发电机的交轴输出电流，R_q为发电机的交轴绕组电阻，E"_d为发电机的直轴超瞬变电势，E"_q为发电机的交轴超瞬变电势，ω为输出轴的转速。定子控制单元根据接收的输出轴的转速和交轴超瞬变电势，调整输出电压。直轴输出电压和交轴输出电压传输至负载，为负载提供能量，也为发电机反馈的输出电压。在明确定子控制单元的输入与输出的关系，基于上述计算公式，PID综合控制器在接收到实际转速和输出电压时，更方便快捷的确定出相应的控制指令，发送至励磁机或执行器，以调节输出电压至目标电压，缩短调节时间，降低系统超调量。

由上述公式可知，本实施例汽轮发电机组综合控制系统的输出电压受转速的影响，还受交轴超瞬变电势的影响，交轴超瞬变电势由电磁控制单元控制输出，具体地，发电机还包括电磁控制单元，电磁控制单元检测励磁机的输出电势，发送交轴超瞬变电势至定子控制单元，电磁控制单元采用的具体公式如下：

其中，T_d0为直轴的同步时间常数，T″_d0为直轴的超变时间常数，T″_q0为交轴的超变时间常数，E'_q为发电机的交轴瞬变电势，E"_q为发电机的交轴超瞬变电势，E"_d为发电机的直轴超瞬变电势，E_fd为励磁机的输出电势，X_d为直轴同步电抗，X'_d为直轴瞬变电抗，X"_d为直轴超瞬变电抗，I_d为直轴输出电流，I_q为交轴输出电流，c为比例系数，具体表示形式为X_l为定子的绕组漏电抗。

具体地，励磁机以电压PID控制器的电压控制信息为输入量，发电机的额定电压为380V，额定电流为2300A，额定容量为1500KVA；功率因数为0.8，额定转速为1500r/min；额定频率为工频50Hz；励磁机的增益为K₂＝8.9，时间常数T₂＝2.2，额定励磁电流为7.7A，额定励磁电压为83V。发电机的阻抗参数统一采用阻尼系数形式，定子绕组电阻R＝0.010Ω；定子绕组漏电抗X_l＝0.0987；直轴同步电抗X_d＝3.17；交轴同步电抗X_q＝3.17；直轴瞬变电抗X′_d＝0.245Ω；直轴超瞬变电抗X″_d＝0.15Ω；交轴超瞬变电抗X″_q＝0.176Ω；励磁绕组电阻R_f＝0.00437Ω；励磁绕组电抗X_ff＝3.22Ω；对应时间常数为T_d0＝2.34s，T′_d0＝0.181s，T″_d0＝0.0226s。具体仿真模型图示如图4所示，其中图中的PID为电压PID控制器12，励磁机的输入量为电压比例积分微分控制器的电压控制指令u(s)，输出量为输出电势E_fd(s)，励磁机的传递函数符合如下公式：

其中，K₂为励磁机的增益，T₂为励磁机的时间常数。上述各个计算公式，综合考虑各部分的影响因素，方便快捷地明确各个部分的工作状态及传输的物理量的大小，基于上述各个部分的控制计算放，便于PID综合控制器快速获取控制指令。负载7在静负荷时，符合如下公式：

基于上述任意汽轮发电机组综合控制系统实施例，具体地，汽轮机的输出轴与发电机的转子连接，汽轮机的输出轴的转速和发电机的转子的转速相同，执行器根据转速控制指令调整汽轮机的实际转速达到目标转速，具体包括：执行器根据转速控制指令调整汽轮机发送至转子控制单元的高压缸机械功率，发电机还包括转子控制单元，转子控制单元的输入量包括总机械功率和直轴与交轴的有功功率，采用如下公式，调整实际转速达到目标转速，总机械功率包括高压缸机械功率，

其中，U_d为直轴输出电压，I_d为直轴输出电流，U_q为交轴输出电压，I_q为交轴输出电流，P_e为直轴和交轴的有功功率，P_e(t)为直轴和交轴的瞬时功率，T为交流电的周期，D为阻尼系数，H为转动惯量，ω₀初始转速，ω(t)为实际转速，P_m(t)为总机械功率。

转子控制单元接收的总机械功率包括高压缸机械功率和中低压缸机械功率，具体地，总机械功率由如下公式确定：

P_m＝P_H+P_ML

其中，P_H为高压缸机械功率，P_ML为中低压缸机械功率。其中高压缸机械功率为执行器和汽轮机综合控制获得的，具体地，执行器接收转速PID控制器的转速控制信息，汽轮机的输出轴输出高压缸机械功率至发电机的转子控制单元，发电机的额定功率为P_N＝1500kw，额定转速为n＝1500r/min，额定电压U_N＝400V，阻尼系数D＝5；转子的转动惯量H＝8s，高压缸功率分配系数C_H约为0.3，中压缸功率分配系数C_M约为0.4，低压缸功率分配系数C_H约为0.3，且中、低压缸等效功率分配系数C_ML＝C_ML＝C_M+C_L＝0.7，高压和中压调节汽门油动机的时间常数T_Hg和T_Mg皆较小，约为0.2s，高压缸的时间常数T_H和中低压缸的时间常数T_ML的数值也较小，约为0.2s，且由于T_HΣ＝T_H+T_Hg及T_MΣ＝T_ML+T_Mg，则有T_HΣ＝0.4s。具体仿真模型图示如图3所示，其中图中的PID为转速PID控制器，执行器和汽轮机共同实现模型6的作用，基于上述各个参数，执行器的输入量为转速控制指令，汽轮机的输出量为高压缸机械功率，执行器和汽轮机采用如下公式进行控制：

其中，u₁(s)为执行器的输入量，P_H(s)为汽轮机的输出量。

对调速系统进行SIMULINK仿真，获得如图3所示的仿真模型图，对该调速系统进行突加给定转速进行仿真，获得转速输出波形，如图6所示，转速上升，转速经过4.1s后达到稳定，最大偏差值为1.022，则可得到突加给定时转速超调量为σ％＝[(1.022-1)/1]*100％＝2.2％，调节时间为T_s＝4.7s。对调压系统进行SIMULINK仿真，获得如图4所示的仿真模型图，对该调压系统进行突加给定电压进行仿真，获得电压输出波形，如图7所示，电压上升，经过4.3s后电压恢复到稳定状态，其最大偏差值为1.027，则可得到突加给定时电压超调量为σ％＝[(1.027-1)/1]*100％＝2.7％，调节时间为T_s＝4.3s。

对本实施例汽轮发电机组综合控制系统进行SIMULINK仿真，获得如图5所示的仿真模型图，对该汽轮发电机组综合控制系统进行突加负载或突减负载进行仿真，获得转速输出波形，如图8所示，在20秒时，系统突加负载，转速下降，经过4.4s后恢复到稳定，其最大偏差为0.968，则突加负载时，转速超调量为σ％＝[(1-0.978)/1]*100％＝2.2％，调节时间为T_s＝4.1s；而在30秒时系统突减负载，转速突然上升，经过4.7s后恢复到稳定状态，其最大偏差值为1.018，则可得突减负载时，转速超调量为σ％＝[(1.018-1)/1]*100％＝1.8％，调节时间为T_s＝4.7s。

对该汽轮发电机组综合控制系统进行突加负载或突减负载进行仿真，获得电压输出波形，如图9所示，在20秒时，系统突加负载，电压下降，经过3.5s后恢复稳定，其最大偏差为0.945，则突加负载时，电压超调量为σ％＝[(1-0.945)/1]*100％＝5.5％，调节时间为T_s＝3.5s；而在30秒时系统突减负载，电压突然上升，经过3.2s后恢复到稳定状态，其最大偏差值为1.047，则可得突减负载时，电压超调量为σ％＝[(1.047-1)/1]*100％＝4.7％，调节时间为T_s＝3.2s。

通过仿真可以看出，综合控制系统能够较快地适应给定和负载的变化。超调和调节时间都能达到系统设计的要求。本实施例汽轮发电机组综合控制系统可以较优良地完成系统突加给定以及突加、突减负载的典型工况，有效的抑制参数变化对系统带来的影响。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims

1.一种汽轮发电机组综合控制系统，其特征在于，包括：

比例积分微分综合控制器，执行器，汽轮机，发电机和励磁机；

所述比例积分微分综合控制器、所述执行器和所述汽轮机依次连接，所述汽轮机的输出轴与所述发电机的转子连接，所述汽轮机反馈所述输出轴的实际转速至所述比例积分微分综合控制器，所述比例积分微分综合控制器根据所述汽轮机输出轴的目标转速和获取的输出轴实际转速，发送转速控制指令至所述执行器，所述执行器根据所述转速控制指令调整所述汽轮机的实际转速达到目标转速；

所述比例积分微分综合控制器、所述励磁机和所述发电机依次连接，所述发电机输出电压至负载，并反馈输出电压至所述比例积分微分综合控制器；所述比例积分微分综合控制器根据所述发电机的目标电压和获取的所述发电机的实际输出电压，发送电压控制指令至所述励磁机，根据所述电压控制指令，所述励磁机将输出电势发送至所述发电机，所述励磁机的所述输出电势用于控制所述发电机的交轴超瞬变电势，所述发电机包括定子控制单元，所述定子控制单元的输入量包括所述汽轮机输出轴的转速和所述发电机的所述交轴超瞬变电势，采用如下公式，控制输出至所述负载的直轴输出电压和交轴输出电压，

U_d＝-R_dI_d+ωX″_qI_q+ωE"_d

U_q＝-R_qI_q-ωX″_dI_d+ωE″_q

其中，U_d为发电机的直轴输出电压，I_d为发电机的直轴输出电流，R_d为发电机的直轴绕组电阻，U_q为发电机的交轴输出电压，I_q为发电机的交轴输出电流，R_q为发电机的交轴绕组电阻，E″_d为发电机的直轴超瞬变电势，E″_q为发电机的交轴超瞬变电势，ω为所述输出轴的转速，

所述发电机还包括电磁控制单元，所述电磁控制单元检测所述励磁机的输出电势，发送所述交轴超瞬变电势至所述定子控制单元，所述电磁控制单元采用的具体公式如下：

其中，T_d0为直轴的同步时间常数，T″_d0为直轴的超变时间常数，T″_q0为交轴的超变时间常数，E'_q为发电机的交轴瞬变电势，E″_q为发电机的交轴超瞬变电势，E"_d为发电机的直轴超瞬变电势，E_fd为励磁机的输出电势，X_d为直轴同步电抗，X'_d为直轴瞬变电抗，X″_d为直轴超瞬变电抗，I_d为直轴输出电流，I_q为交轴输出电流，c为比例系数。

2.根据权利要求1所述汽轮发电机组综合控制系统，其特征在于，

所述比例积分微分综合控制器包括转速比例积分微分控制器和电压比例积分微分控制器，

所述转速比例积分微分控制器与所述执行器连接，根据所述汽轮机输出轴的目标转速和获取的输出轴实际转速，发送转速控制指令至所述执行器；

所述电压比例积分微分控制器与所述励磁机连接，用于根据获取的所述目标电压和所述发电机反馈的输出电压，发送电压控制指令至所述励磁机。

3.根据权利要求1所述汽轮发电机组综合控制系统，其特征在于，

所述励磁机的输入量为所述电压比例积分微分控制器的电压控制指令u(s)，输出量为所述输出电势E_fd(s)，所述励磁机的传递函数符合如下公式：

其中，K₂为励磁机的增益，T₂为励磁机的时间常数。

4.根据权利要求3所述汽轮发电机组综合控制系统，其特征在于，

所述执行器根据转速控制指令调整汽轮机的实际转速达到目标转速，具体包括：

所述执行器根据转速控制指令调整汽轮机发送至转子控制单元的高压缸机械功率，所述发电机还包括所述转子控制单元，所述转子控制单元的输入量包括总机械功率和所述发电机直轴与交轴的有功功率，采用如下公式，调整所述汽轮机实际转速达到目标转速，所述总机械功率包括所述高压缸机械功率，

5.根据权利要求4所述汽轮发电机组综合控制系统，其特征在于，

所述执行器根据转速控制指令调整汽轮机发送至转子控制单元的高压缸机械功率，具体包括：所述执行器的输入量为所述汽轮机转速控制指令，所述汽轮机的输出量为高压缸机械功率，所述执行器和所述汽轮机采用如下公式进行控制：

其中，u₁(s)为执行器的输入量，P_H(s)为汽轮机的输出量。

6.根据权利要求4所述汽轮发电机组综合控制系统，其特征在于，

所述转子控制单元还接收中低压缸机械功率，所述转子控制单元接收的总机械功率，具体根据如下公式确定：

P_m＝P_H+P_ML

其中，P_H为高压缸机械功率，P_ML为中低压缸机械功率。