非线性励磁控制器设计.doc
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1、题 目 非线性励磁控制器设计毕 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)
2、题目 非线性励磁控制器设计 年 月 日一、毕业设计(论文)主要内容1、查阅文献,撰写文献综述和开题报告。2、翻译一篇相关外文文献。3、设计非线性励磁控制器。4、搭建非线性励磁控制器的仿真模型并进行仿真。 5、对仿真结果进行分析并改进所涉及的励磁控制器。6、撰写论文。二、基本要求1、查阅文献数量达到15篇,文献综述字数不少于2000字。2、学习、掌握电力系统励磁控制的相关理论。3、掌握Matlab语言程序设计方法和仿真软件使用。4、掌握非线性理论在发电机励磁系统中的应用。5、设计的励磁控制器必须达到较好的控制效果。6、完成不少于3000字的外文文献翻译。7、按要求完成论文的书写并参加答辩。三、设
3、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 6月 24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,1999 2 卢强,孙元章.电力系统非线性控制.科学出版社,1993 3 姜玉宪等.控制系统仿真.北航出版社,1998 4 欧阳黎明.MATLAB控制系统设计.国防工业出版社,2001 5 商国才.发电机励磁控制系统数字仿真.华电教材科,1989 6 熊光楞等.控制系统仿真
4、与模型处理.科学出版社,1993 7 韩璞,朱希彦.自动控制系统数字仿真.中国电力出版社,1996 8 黄道平.MATLAB与控制系统的数字仿真及CAD.化学工业出版社,2004 9 欧阳黎明.MATLAB程序设计与应用高等教育出版社,2002 10 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,2001 11 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)摘 要电力系统的稳定运行对国民经济建设有十分重要的意义,而改善与提高电力系统稳定性的关键在于控制。发电机励磁控制可以稳定机端电压、分配无功、提高电力系统
5、的稳定性,在电力系统控制中占有很重要的地位。然而由于电力系统是非线性的动态大系统,并存在各种不确定因素,所以已有的各种励磁控制方法还存在着不同的局限性。因此,为了寻求更优控制性能,改进和完善非线性励磁控制方法就具有重要的理论和实践意义。有关这方面的研究已经取得了丰硕的成果,但仍有许多问题有待于解决。本文阐述了励磁系统的结构、组成和控制方式的演变和非线性理论的基本理论;介绍了目前流行的各种非线性励磁控制设计方案。运用微分几何法设计了一种非线性励磁控制器。运用MATLAB中的Simulink通过搭建单机无穷大系统模型进行仿真。计算机仿真结果表明这种励磁控制器既能够提高电压精度,又能够提高电力系统抗
6、干扰的能力,具有非常好的控制效果。 关键词:励磁控制,非线性系统,微分几何法AbstractIt is very important to the stable operation of the electric power system for the national economy, but the key lie in control to improve and enhance the electric power system stable. The generator excitation control can stabilize the generator end volta
7、ge, divide the reactive power and raise the electric power system stability, so it is very important in the electric power system control. However the power system is a big nonlinear dynamic system, and has various indetermination factors, so many control methods have already exist a lots of limit.
8、Therefore, in order to looking for more excellent methods, so it contains important theories and practical meaning to improve and perfect the nonlinear excitation control method. The research about this aspect has already obtained a plenteous result, but still has many problems to resolve.This paper
9、 elaborates the structure and constitute of the excitation system and the development of the control method, and the basic theories of nonlinear theories. This paper introduces various nonlinear excitation control design spread currently too. Made use of a differential calculus method to design a ki
10、nd of nonlinear excitation controller. I imitate the model pass to build a single machine- infinite bus system model in the Simulink of MATLAB .The calculator imitates a true result to express this kind of excitation controller since it can raise the voltage accuracy, and improve the stability of th
11、e electric power system after anti- interference, it have very nice control result. Key word: excitation control; nonlinear system; differential calculus methodII华北电力大学本科毕业设计(论文)目录摘要 IAbstract II1 引言 111 课题的提出 112 国内外发展现状 113 本文研究的工作 22 发电机励磁系统 321 发电机励磁系统介绍 3211 发电机励磁系统的概念 3212 发电机励磁自动控制系统的基本构成 321
12、3 发电机励磁系统的发展 3214 励磁系统的主要任务 4215 对励磁系统的基本要求 422 发电机励磁控制方式 4221 单变量控制 4222 多变量控制 5223 非线性控制 5224 智能控制 5225 励磁控制方式的比较 63 非线性理论 731 概述 732 非线性励磁控制所用的数学方法8321 非线性基本概念 8322 非线性基本理论 104非线性励磁控制器设计 1341 概述1342 非线性励磁的发展历程1343 常见非线性控制设计方案14431 微分几何方法14432 反馈无源性控制方案14433 滑模变结构控制理论15434 高增益观测器15435 Backstepping
13、 方法15 44 非线性励磁控制器设计15441 同步发电机转子运动方程 16442 同步发电机输出功率方程 18443 同步发电机电磁动态方程 17444 同步坐标系下的非线性励磁控制规律 185 非线性励磁控制器的MATLAB 仿真 2051 仿真环境2052 仿真模型20 53 结论22致谢24参考文献25附录A 26附录B 32华北电力大学本科毕业设计(论文)1 引言11 课题的提出电力是国民经济的命脉,随着我国工农业生产的不断发展,电力工业也取得了迅猛发展,电力系统的规模越来越大,网络结构日趋复杂。这种大电力系统在取得较大技术经济效益的同时,也使得电力系统的安全稳定性问题变得更为严峻
14、。世界上很多大电力系统都曾发生过因局部系统故障导致全系统瓦解的重大停电故。例如1977年7月,美国纽约电网系统瓦解,造成纽约全市停电25小时,影响900万户居民的供电,据保守估计,这次停电所带来的直接和间接经济损失约3.5亿美元;1978年12月法国电网瓦解,造成法国本土四分之三的地区停电,其经济损失至少与50年经济调度工作取得的经济效益相当;而2003年8月发生在美国东北部和加拿大部分地区的大面积停电事故,最长停电时间达到4天,严重影响了当地的航空和陆路交通、正常的科研、生产和居民生活,造成了每天多达300亿美元的经济损失近20年来,我国各大电力系统和一些省网的稳定性遭到破坏的事故也时有发生
15、:1972年7月华中电网、1973年7月东北电网、1989年1月华东电网、1990年2月电网、1990年7月西北电网、1994年5月南方电网都曾发生过大的停电事故。这种大电网的稳定性一旦遭到破坏造成的损失无疑是灾难性的1。因此,研究如何提高与改善电力系统的安全稳定性,是电力系统运行与控制中首要的问题。 提高电力系统稳定性的技术出路在于控制。目前,普遍应用于提高电力系统稳定性的主要措施大致有发电机励磁控制、静态电压控制、电气制动控制、快速汽门控制以及快速切机切负荷控制等。其中,发电机励磁控制是改善电力系统稳定性的一项既有效又经济的措施。它不仅节约投资、而且在正常运行中能够起到其他措施起不到的减小
16、电压波动及频率波动、改善动态品质以及提高系统抗干扰能力的作用23!12 国内外发展现状发电机励磁方式在70年代以前为单变量反馈方式(比例式控制方式,PID方式),反馈量为电压偏差。70年代,美国GE公司在电压偏差外再增一个辅助反馈变量的控制方式,这个辅助反馈量可以是发电机转速偏差。,发电机频率偏差f或发电机有功功率偏差P。,为双输入控制系统,即PSS。80年代的线性最优励磁控制(LOEC)采用电压偏差,转速(或频率)偏差以及有功功率偏差作反馈变量。各反馈变量的增益系数是“线性二次型黎卡梯LQR问题”的解。以上方式对提高小干扰稳定性有显著效果。电力系统是非线性动态系统,但上述常规励磁控制方式,附
17、加PSS控制方式与线性最优控制方式的设计方法都是将电力系统非线性状态方程在某一特定运行方式下近似线性化。这种在某一特定状态X0下被近似线性化的数学模型只是在实际运行状态十分接近X0时才较准确。即当实际状态偏离X0较远时,近似线性化的数学模型不能正确表述实际控制系统,需要用非线性系统控制理论与方法设计电力系统控制器。控制理论及其应用是单变量多变量,线性非线性这样的发展趋势。13 本文研究的工作传统的励磁控制器是基于某一平衡点附近近似线性化模型来设计的。由于力系统是强非线性系统,当系统状态发生较大变化时,这些控制器的效果难以令人满意。本文应用非线性系统理论中的微分几何法实施励磁控制,达到改善系统稳
18、定性和提高电压精度的目的。本文主要内容如下:1)对励磁方式及励磁控制方式发展与现状进行概述。2)传统的励磁方式对电力系统这样一个非线性系统的控制有很大局限性,因此本文讨论了非线性励磁控制,阐述非线性的基本概念和理论,介绍设计非线性励磁控制器常用的方法。通过设计非线性励磁控制器来研究其控制效果。3)用MATLAB仿真观察分析控制效果。2 发电机励磁系统21 发电机励磁系统介绍211 发电机励磁系统的概念同步发电机是将旋转形式的机械功率转换为三相电功率的机器设备。为完成这一转换,它本身需要一个直流磁场,产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流,又称为转子电流。在电力系统中专门为同步发电机供应
19、励磁电流的有关机械设备,称为同步发电机的励磁系统。同步发电机的励磁电流是电力系统无功功率的主要来源,所以发电机励磁系统的特性对电力系统运行的作用,无论是正常情况还是在事故情况下都是十分重要的。为了改善励磁系统的运行特性,提高其反事故能力,必须在励磁系统中增加必要的自动控制与自动调节设备,该设备就是励磁控制器。212 发电机励磁自动控制系统的基本结构同步发电机的励磁系统包括励磁功率单元和励磁控制器两个部分4,整个励磁控制系统则由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机构成,如图21所示: 图21励磁控制系统框图励磁功率单元主要负责向同步发电机转子提供励磁电流,实质上它是一个发电机专用的可控直流电源。
20、励磁控制器通过检测同步发电机的电压、电流、功率、转速等状态量,按指定的控制规律对励磁功率单元发出控制信号,控制励磁功率单元的输出,实现对励磁系统的控制功能。控制器最基本的功能就是调节同步发电机的机端电压和无功功率。213 发电机励磁系统的发展发电机励磁系统经历了一个由初级到高级的发展历程。早期,由于整流设备不能输出很大的直流供发电机励磁,发电机只好配用直流励磁机。而那时半导体尚未诞生或尚未成熟,直流励磁机所配用的励磁调节器也只能是电磁式励磁调节器。随着半导体技术逐渐成熟,人们把它引入了发电机励磁系统之中,诞生了半导体励磁调节器。半导体励磁调节器与直流励磁机和交流励磁机配用就诞生了半导体直流励磁
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