CN113676093B - 一种基于开环控制的发电机起励方法 - Google Patents

Abstract

一种基于开环控制的发电机起励方法，发电机起励过程步骤为：步骤一、发电机起励全过程励磁调节器在恒控制角运行方式；步骤二、以机端电压的目标电压设定值的50%和95%为界，分别采取最小控制角、插值控制角、额定空载角进行起励控制；步骤三、机端电压爬升到95%之后，励磁调节器以积分状态量设置为领偏差输入时的额定空载控制角作为闭环控制。通过在起励过程中采取恒控制角的开环控制方式，按照50%目标给定值和95%目标给定值设定励磁调节器输出控制角的控制策略，起励过程中发电机机端电压升值目标值时接近无超调，且能够显著减小振荡，适合在大型发电机的起励过程中实施。

Description

一种基于开环控制的发电机起励方法

技术领域

本发明涉及发电机自动控制领域，具体涉及一种基于开环控制的发电机起励方法。

背景技术

发电机起励流程是在发电机进入空转状态后建立发电机定子电压的过程，国标GBT7409.3-2007要求发电机起励过程中调节时间不超过10秒，振荡次数不超过3次，电压超调不超过额定电压的15％。

起励流程绝大部分是将机端电压提升到额定电压，也有一小部分为了快速并网将机端电压提升到系统电压目标值。在励磁调节器试验模式下，起励可能采用励磁电流控制方式，将励磁电流提升到预设值。励磁调节器试验模式下电压方式起励的设定值也可能不是额定机端电压值，而是设置在发电机额定电压范围内的任意值，励磁调节器试验模式下的起励流程对超调及振荡次数等性能指标不做考核。

额定工况是指发电机组在额定转速，额定频率和额定电压，且未并网带负载时的状态。励磁系统在额定工况下的控制角一般称为额定空载控制角。大部分发电机的额定空载控制角在74°～85°之间。

PID控制是励磁系统的典型控制方式，一般可分为并联PID和串联PID，如图1中所示分别为并联PID和串联PID的传递函数。

图1给出了简化的励磁系统PID控制的传递函数，其中V是发电机机端电压瞬时值，Ref是给定值。图1-a中K_P是放大倍数，K_I是积分系数，K_D是微分系数。在程序中的实现方法如下：

ΔV_k+1＝Ref_k+1-V_k+1

U_P＝K_P·ΔV_k+1

U_I＝U_I+K_I·ΔV_k+1

U_D＝K_D·(ΔV_k+1-ΔV_k)

U＝U_P+U_I+U_D

α＝arccos(U)

其中ΔV_k+1是当前电压与给定值的偏差，ΔV_k是上一个控制周期的电压与给定值的偏差，Ref_k+1是当前电压给定值，U_P是比例控制量，U_I是积分控制量，U_D是微分控制量，U是PID控制量，α是整流桥控制角。

图1-b中T₁₁、T₁₂作为积分环节，T₁₃、T₁₄作为微分环节，K是增益，在控制程序中通过离散化实现。

输入信号：

ΔV_k+1＝Ref_k+1-V_k+1

其中ΔV_k+1是当前电压偏差值，V_k+1是当前电压测量值，Ref_k+1是当前电压给定值。

积分环节：

其中Δt是控制周期，ΔV_k是上一个控制周期的电压偏差值；u_k+1是当前计算得到的积分环节中间状态量，u_k是上一个控制周期得到的积分环节中间状态量；y_k+1是积分环节输出值。

微分环节：

其中Δt是控制周期，y_k是上一个控制周期的积分环节输出值；u’_k+1是当前计算得到的微分环节中间状态量，u’_k是上一个控制周期得到的微分环节中间状态量；y’_k+1是微分环节输出值。

输出控制量：

U＝K·y'_k+1

其中U是PID控制计算得到的控制量，K是PID控制增益，y’_k+1是微分环节输出值。

控制量转换为励磁调节器输出的整流桥控制角：

α＝arccos(U)

各励磁设备制造厂家的起励方法不尽相同，例如可通过多次阶跃将发电机机端电压抬升到额定值附近，但是在起励过程中，要求在规定时间内达到额定电压，振荡次数不超过3次，电压超调不超过额定电压的15％，这几个标准参数本身之间存在矛盾关系，作为闭环控制，控制超调范围比较简单，但是无论是并联PID还是串联PID，其控制策略比较难得同时保证振荡次数和启动时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于开环控制的发电机起励方法，起励是采取开环的设定起励策略，减小发电机起励过程中极端电压产生的超调和振荡。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于开环控制的发电机起励方法，发电机起励过程步骤为：

步骤一、发电机起励全过程励磁调节器在恒控制角运行方式调节励磁电流的输出；

步骤二、当发电机机端电压瞬时值低于50％的目标给定值时设置励磁调节器输出控制角为允许的最小控制角；在发电机机端电压抬升到给定值的95％目标给定值后设置为励磁调节器输出额定空载控制角；在发电机机端电压处于50％-95％的目标给定值之间时，励磁调节器输出在最小控制角和额定空载控制角范围之间经过插值计算的整流控制角；

步骤三、起励过程中发电机机端电压爬升到95％目标给定值后，忽略微分环节，励磁调节器PID控制输出积分状态量设置为零偏差输入时的额定空载控制角，励磁调节器转为基于恒机端电压运行方式的闭环控制，此时将励磁调节器给定值设置为目标给定值，完成起励过程。

上述的步骤二中，当发电机机端电压处于50％-95％的目标给定值之间时，采用电压与角度的函数曲线差值方法计算当前电压下励磁调节器输出相对应的控制角，具体插值公式如下：

其中：α是当前励磁调节器控制角，α₀是发电机额定空载控制角，αmin是励磁调节器最小控制角，Ref是起励设定值，V是当前发电机机端电压测量值。

优选的方案中，上述的步骤二中，对于未知额定空载控制角的发电机，当发电机机端电压抬升到给定值的95％目标给定值后，控制角设定为80°。

上述的步骤三中，起励过程中发电机机端电压爬升到95％目标给定值后，假定发电机额定空载条件下的额定空载控制角为α₀，对于并联PID，设置积分控制量为：

U_I＝cosα₀

其中U_I是采用并联PID时的控制量积分值,α₀是额定空载控制角；

对于串联PID，设置积分环节中间状态量：

其中，u_k是积分环节中间状态量；α₀是额定空载控制角；T₁₁、T₁₂是串联PID的积分环节,T₁₁<T₁₂；K是比例环节增益。

本发明提供的一种基于开环控制的发电机起励方法，通过在起励过程中采取恒控制角的开环控制方式，按照50％目标给定值和95％目标给定值设定励磁调节器输出控制角的控制策略，起励过程中发电机机端电压升值目标值时接近无超调，且能够显著减小振荡，适合在大型发电机的起励过程中实施。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明发电机并联PID和串联PID的传递函数图；

图2为起励过程中电压-角度关系图；

图3为按照本发明的起励控制策略发电机起励时发电机机端电压V和控制角波形图；

图4为按照本发明的起励控制策略发电机起励的全函数波形图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

一种基于开环控制的发电机起励方法，发电机起励过程步骤为：

步骤一、发电机起励全过程励磁调节器在恒控制角运行方式调节励磁电流的输出；

步骤二、当发电机机端电压瞬时值低于50％的目标给定值时设置励磁调节器输出控制角为允许的最小控制角；在发电机机端电压抬升到给定值的95％目标给定值后设置为励磁调节器输出额定空载控制角；在发电机机端电压处于50％-95％的目标给定值之间时，励磁调节器输出在最小控制角和额定空载控制角范围之间经过插值计算的整流控制角；

步骤三、起励过程中发电机机端电压爬升到95％目标给定值后，忽略微分环节，励磁调节器PID控制输出积分状态量设置为零偏差输入时的额定空载控制角，励磁调节器转为基于恒机端电压运行方式的闭环控制，此时将励磁调节器给定值设置为目标给定值，完成起励过程。

上述的步骤二中，当发电机机端电压处于50％-95％的目标给定值之间时，采用电压与角度的函数曲线差值方法计算当前电压下励磁调节器输出相对应的控制角，具体插值公式如下：

其中：α是当前励磁调节器控制角，α₀是发电机额定空载控制角，αmin是励磁调节器最小控制角，Ref是起励设定值，V是当前发电机机端电压测量值。

如图2中所示，在起励过程中，当机端电压小于50％的目标设定值时，采用励磁调节器最小控制角αmin，当机端电压在50％-95％的目标设定值时，控制角为特定斜率，斜率值为当机端电压超过95％后，控制角采取发电机额定空载控制角α₀。

优选的方案中，上述的步骤二中，对于未知额定空载控制角的发电机，当发电机机端电压抬升到给定值的95％目标给定值后，控制角设定为80°。

经过统计发电机额定空载条件下，励磁调节器输出的控制角在74°～85°之间，对于一台未知空载额定角的发电机，可以先设定80°作为发电机额定空载控制角，可以在不确定精确的发电机额定空载控制角也可成功完成发电机的起励建压，首先选取一个较小的发电机额定空载控制角在机端电压超调略大的情况下完成发电机起励流程，待起励到发电机空载额定电压后即可获得精确的额定空载控制角。

上述的步骤三中，起励过程中发电机机端电压爬升到95％目标给定值后，假定发电机额定空载条件下的额定空载控制角为α₀，对于并联PID，设置积分控制量为：

U_I＝cosα₀

其中U_I是采用并联PID时的控制量积分值,α₀是额定空载控制角；

对于串联PID，设置积分环节中间状态量：

其中，u_k是积分环节中间状态量；α₀是额定空载控制角；T₁₁、T₁₂是串联PID的积分环节,T₁₁<T₁₂；K是比例环节增益；

励磁调节器转入恒机端电压运行方式的闭环控制后，积分环节与当前励磁调节器控制输出匹配，发电机机端电压产生的扰动很小，实现了起励过程发电机机端电压接近无超调、无振荡。

如图3所示，起励流程开始前励磁系统未输出，控制角为120°；起励流程开始后因为发电机机端电压低于0.5Vn，控制角减小为15°；6S以前发电机机端电压低于0.5Vn时维持在这一个角度；在起励时间6S-7.5S内，机端电压从50％上升到95％，控制角按照设定曲线上升，发电机电压在0.5Vn～0.95Vn之间时根据电压在最小角度与空载角之间插值，控制角变化趋势与发电机机端电压一致；在起励时间7.5S以后，机端电压超过95％，控制角为励磁调节器额定空载控制角80°，机端电压V稳定在100％，整个过程起励过程历时8S，未发生超调和振荡。

本方法首先精确确认了当前发电机空载运行工况下机端电压达到额定时励磁调节器输出控制角α₀，通过电压与角度的函数曲线差值方法计算当前电压下励磁调节器输出相对应的控制角，控制发电机机端电压在零起升压过程中按照设定的曲线平稳升压，当机端电压达到0.95Vn时，调节器PID控制输出积分状态量设置为零偏差输入时的额定空载控制角α₀，实现了发电机机端电压递升到额定电压值，励磁调节器完成起励流程转入恒机端电压控制方式，此时发电机机端电压值V和调节器控制值ref之间几乎无偏差，调节器PID控制中的积分状态量对应零偏差输入时的额定空载控制角α₀，调节器控制角维持额定空载控制角α₀运行，励磁调节器实现了开环控制平稳过渡到闭环控制的转换，实现了发电机起励过程无超调。

Claims (3)

1.一种基于开环控制的发电机起励方法，其特征在于，发电机起励过程步骤为：

步骤一、发电机起励全过程励磁调节器在恒控制角运行方式调节励磁电流的输出；

步骤二、当发电机机端电压瞬时值低于50％的目标给定值时设置励磁调节器输出控制角为允许的最小控制角；在发电机机端电压抬升到给定值的95％目标给定值后设置为励磁调节器输出额定空载控制角；在发电机机端电压处于50％-95％的目标给定值之间时，励磁调节器输出在最小控制角和额定空载控制角范围之间经过插值计算的整流控制角；

步骤三、起励过程中发电机机端电压爬升到95％目标给定值后，忽略微分环节，励磁调节器PID控制输出积分状态量设置为零偏差输入时的额定空载控制角，励磁调节器转为基于恒机端电压运行方式的闭环控制，此时将励磁调节器给定值设置为目标给定值，完成起励过程；

所述的步骤二中，当发电机机端电压处于50％-95％的目标给定值之间时，采用电压与角度的函数曲线差值方法计算当前电压下励磁调节器输出相对应的控制角，具体插值公式如下：

其中：α是当前励磁调节器控制角，α₀是发电机额定空载控制角，αmin是励磁调节器最小控制角，Ref是起励设定值，V是当前发电机机端电压测量值。

2.根据权利要求1所述的一种基于开环控制的发电机起励方法，其特征在于，所述的步骤二中，对于未知额定空载控制角的发电机，当发电机机端电压抬升到给定值的95％目标给定值后，控制角设定为80°。

3.根据权利要求1所述的一种基于开环控制的发电机起励方法，其特征在于，所述的步骤三中，起励过程中发电机机端电压爬升到95％目标给定值后，假定发电机额定空载条件下的额定空载控制角为α₀，对于并联PID，设置积分控制量为：

U_I＝cosα₀

U_I是采用并联PID时的控制量积分值,α₀是额定空载控制角；

对于串联PID，设置积分环节中间状态量：

其中，u_k是积分环节中间状态量；α₀是额定空载控制角；T₁₁、T₁₂是串联PID的积分环节,T₁₁<T₁₂；K是比例环节增益。