线性最优励磁控制器设计学士学位论文.doc

题 目 线性最优励磁控制器设计毕 业 设 计(论文)院 系电力工程系专业班级电自023班学生姓名指导教师年六月华北电力大学毕业设计(论文)评定表学生姓名专业及班级毕业设计(论文)题目指导教师评语建议成绩 指导教师签字 年 月 日评阅人意见评阅人签字 年 月 日答辩小组成员签字姓 名职 称单 位答辩小组评语组长签字 年 月 日答辩委员会结论总评成绩:答辩委员会主任签字 年 月 日毕业设计(论文)起止时间： 年 月 日至 月 日毕业设计(论文)答辩时间： 年 月 日华 北 电 力 大 学毕业设计(论文)任务书所在院系 电力工程系 专业班号 电自023 学生姓名 指导教师签名 审批人签字 毕业设计(论文)题目 线性最优励磁控制器设计 年 月 日一、毕业设计(论文)主要内容1. 掌握励磁控制的原理和方法；2. 掌握Matlab语言程序设计的方法和仿真软件的使用方法；3. 掌握线性最优控制理论；4. 设计线性最优励磁控制器；5. 编制相应程序；6. 给出仿真结果；7. 撰写论文。二、基本要求1. 学习、掌握线性最优控制相关理论；2. 掌握励磁控制的原理和方法；3. 掌握Matlab语言程序设计方法和仿真软件使用；4. 完成论文。三、设计(论文)进度序号设计项目名称完成时间备注1查阅资料第8周2撰写开题报告第9周3总体方案设计第10-11周4编程、调试第12-15周5撰写论文与准备答辩第16-18周6设计(论文)完成时间： 2006年 6月 23日设计(论文)答辩时间： 2006年 月 日四、参考资料及文献1 商国才.电力系统自动化.天津大学出版社,19992 卢强,王仲鸿,韩英铎.输电系统最优控制.科学出版社,1982.103 姜玉宪等.控制系统仿真.北航出版社,19984 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计.国防工业出版社,20015 商国才.发电机励磁控制系统数字仿真.华电教材科,19896 熊光楞等.控制系统仿真与模型处理.科学出版社,19937 韩璞,朱希彦.自动控制系统数学仿真.中国电力出版社,19968 黄道平.MATLAB与控制系统的数学仿真及CAD.化学工业出版社,20049 欧阳黎明.MATLAB程序设计与应用.高等教育出版社,200210 陈在平.控制系统计算机仿真与CAD MATLAB语言应用.天津大学出版社,200111 吴天明.MATLAB电力系统设计与分析.国防工业出版社,2004五、附录华北电力大学本科毕业设计（论文）线性最优励磁控制器设计摘要同步发电机励磁系统的研究对提高电力系统的电压质量和经济运行具有重要的理论意义和现实意义。本文以线性最优励磁控制器的设计为主线。首先综述了同步发电机励磁系统控制方式的发展过程，接着介绍了最优控制理论，尤其是线性最优控制理论这一分支，随后介绍控制系统最优控制规律的海米尔登庞特亚金方程的推导过程，在此基础上进一步推导出线性定常系统在采用二次型性能指标情况下的最优化条件，进而得出最优控制系统的设计方法和步骤。然后建立单机无穷大系统数学模型，按照前述的设计方法得到最优反馈增益，以最优控制理论为基础，以机端电压、发电机的有功功率和机端频率为状态量，以机组励磁电压为控制量，搭建线性最优励磁控制器（LOEC），并在SIMULINK下将其用于单机无穷大系统进行仿真实验。仿真结果表明，该励磁控制器满足同步发电机和电力系统的运行要求。关键词：励磁控制，线性最优控制，发电机，状态空间方程，SIMULINK Linear Optimal Excitation Controller DesignABSTRACTThe research about excitation system of electric generator has very important theoretic and realistic meaning to improve the voltage quality and economical running level. This thesis focuses on the design of the linear optimal excitation controller. First, the development process of synchronization generator excitation control manner is summarized, and then the basic idea of optimal control, especially linear optimal control is introduced. The H-P equation which determined the law of normal closed control system is also presented. Based on the theory introduced before, the optimal condition is given, with LQ index for linear time-invariant control system. Then the means and steps to design linear optimal controller is developed.After that a state-space equation model of one machine-infinite bus system is set up. By the means introduced before, based on the optimal control theory, a linear optimal excitation controller is designed; it takes active power output, generator terminal voltage and frequency as state variables and the excitation voltage as control variable. Its used to one machine-infinite bus system carry on the simulation experiment under SIMULINK. The results obtained from the emulation show that the excitation controller meets the running needs of the synchronous generators and power system.Keywords: excitation controller, linear optimal control, generator, state-space equation, SIMULINK.目 录摘要IABSTRACTII1诸论111励磁系统概述1111同步发电机励磁系统的任务1112对励磁系统的基本要求212最优控制的发展与研究现状2121最优控制理论的基本思想与常用方法3122最优控制理论的基本内容3123最优控制理论的研究现状313励磁控制理论及其发展4131古典励磁控制阶段4132线性多变量励磁控制阶段5133非线性多变量励磁控制阶段5134励磁控制方式的发展方向52最优控制理论721引言722二次型性能指标723最优化原理汉密尔顿庞特亚金方程824线性最优控制系统设计原理93线性最优励磁控制器的设计1331引言1332系统数学模型1333在MATLAB环境下计算最优反馈增益154线性最优励磁控制器的仿真实现1741 SIMULINK仿真环境介绍1742线性最优最优控制器的模型1743 单机无穷大系统的仿真模型1844 仿真结果分析19总结20致谢21参考文献22附录A23附录B29华北电力大学本科毕业设计（论文）1绪论11励磁系统概述同步发电机的运行特性与它的空载电动势密切相关1，而空载电动势又是发电机励磁电流的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性，进而影响电力系统的运行情况。励磁系统是电力系统的重要组成部分，其性能的好坏和运行的可靠性，直接影响同步发电机系统的供电质量及其运行的可靠性和稳定性。因此，对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机运行施加控制的重要内容之一。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并列运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机电压降低将导致电力系统稳定水平下降，甚至导致系统崩溃。因此，当系统发生故障时，要求发电机的励磁系统迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电力系统的安全稳定运行方面起着十分重要的作用。图1-1 励磁系统结构框图同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两部分构成2，如图1-1所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成一个反馈控制系统。111同步发电机励磁系统的任务在电力系统正常运行或发生故障时，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可有效地提高系统的技术指标。根据运行方面的要求，励磁控制系统应该承担以下任务3：1) 电压控制。电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就相应的变化。随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平。励磁系统担负着维持电压水平的主要任务。2) 无功功率的分配。在单机无穷大系统中，调节机组的励磁电流就可以改变发电机无功功率；在实际系统中，发电厂输出的无功电流与其母线电压水平有关，改变其中一台发电机的励磁电流不但将影响发电机电压和无功功率，而且也将影响与之并联运行机组的无功功率。3) 提高同步发电机并联运行的稳定性。电力系统在运行时随时都可能收到各种干扰，在干扰之后，发电机组能够恢复到原来运行状态或者过渡到新的运行状态，则称系统是稳定的。其主要标志是在过程结束后，同步发电机仍能维持或恢复同步。在分析电力系统的稳定性问题时，不论是静态稳定还是暂态稳定，在数学模型表达式中总含有发电机的空载电动势，而空载电动势与励磁电流密切相关。由此可见，励磁系统可以通过改变励磁电流从而改变空载电动势来改善系统稳定性。4) 改善电力系统的运行条件。当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，励磁系统可以发挥其调节作用，大幅度地增加励磁以提高系统电压，从而改善系统运行条件。5) 水轮发电机组要求强行减磁。当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不采取迅速降低发电机的励磁电流的措施，则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度。所以此时要求励磁系统能实现强行减磁。112对励磁系统的基本要求励磁系统是由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成的，为了充分发挥它们的作用，完成发电机励磁自动控制系统的各项任务，对励磁功率单元和励磁调节器性能分别提出了如下要求3。对励磁调节器而言，其主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应的控制信号，经放大后控制励磁单元以得到所要求的发电机励磁电流。所以对它的要求如下：1) 系统正常运行时，励磁调节器应能反映出发电机端电压高低以维持发电机电压在给定水平。通常认为，自动励磁调节器应能保证同步发电机端电压静差率：半导体型的为1，电磁型的为1，那么就意味着对控制能量的限制给予了更大一些的重视。同样，若在矩阵中，有意识地将对应于某一状态量xi的元素qi的值增大，则意味着对状态量xi在过渡过程中的行为给予了更多一些的重视。这就是称、权矩阵的缘由。式(24)就是控制系统二次型性能指标的典型形式。23最优化原理海米尔登庞特亚金方程海米尔登庞特亚金方程(简称H-P方程)是决定一般的闭环控制系统最优控制规律的方程，解H-P方程组即可得到最优控制规律。设有控制系统，其状态方程为： (25)这里广义速度函数f(X,U)可能是线性的也可能是非线性的，所给的性能指标泛函为 (26)为了使控制系统达到最优化，则要求性能指标泛函达到极小值，即要求 (27)上式中，泛函J的宗量函数(t)及U(t)分别为状态向量及控制向量。现在总是归结为：求满足状态方程(25)的泛函J为极小值的必要条件。这是一个典型的求解具有约束条件(即状态方程)的变分问题。引入n维拉格朗日乘子函数向量(t)和一个标量函数海米尔登函数：得到所给出的性能指标泛函J达到极小值的必要条件 (28)称式(28)为海米尔登庞特亚金方程(简称H-P方程)，它是线性的或非线性的控制系统最优化条件的一般表达式。24线性最优控制系统设计原理本节将进一步推导出线性时变的或定常的控制系统在采用二次型性能指标情况下的最优化条件，并给出线性最优控制系统的设计方法和步骤。线性系统状态空间方程的一般形式为 (29)如果在上式中，A、B是常系数矩阵，那么所研究的系统为线性定常系统。式中X(t)为n维状态变量，A(t)为nn阶状态系数矩阵，B(t)为nr阶控制系数矩阵，U(t)为r阶控制向量。若r=1，则B(t)为n维列向量。系统的性能指标采用二次型性能指标为 (210)现在我们的目标就是，求使得指标泛函J达到极小值的控制规律，即最优控制规律。函数为根据H-P方程，可以得出对应线性系统的最优化条件为 (211) (212) (213)由式(212)可以得到最优控制规律*应满足