发电机多目标非线性抗扰励磁控制方法及装置技术领域
本发明涉及一种发电机的多目标非线性抗扰励磁控制方法及以该控制方法
为软件核心的硬件控制装置，属电机自动控制技术领域。
背景技术
发电机励磁控制的主要作用在于：调节发电机端电压在给定值处运行；合理
分配并联运行的发电机间的无功负荷；在系统受到扰动时，提高发电机并联运行
的稳定性。随着电力系统联网规模的不断扩大，特别在远距离输电并且联系薄弱
的电力系统中，当线路输送功率较大时，往往会出现并联运行的不稳定问题，传
统的PID式励磁调节器已不能很快地解决上述出现的问题。大量研究表明，改进
励磁控制方法是提高电力系统运行稳定性的经济而又有效的主要措施之一，因而
已出现有多种改进的励磁控制方法，如线性最优励磁控制(LOEC)，非线性励磁
控制(NEC)等，其中非线性励磁控制为较优化和先进的控制方法。但现有的
非线性励磁控制方法都是按单目标设计方法进行设计的，因此常易出现发电机
动、静态性能难以两全的情况，即提高运行稳定性和保证调压精度这两项功能很
难同时得到改善，有的甚至出现发电机端电压随其输入的机械功率变化而偏移给
定运行点的情况。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对上述现有技术存在的不足而提出了一种发电
机的多目标非线性抗扰励磁控制方法及装置，它在明显提高发电机并联运行稳定
性的同时，仍能准确保证发电机端电压的调压精度，从而多元、有效地控制系统
的动、静态性能。
本发明为解决上述提出的问题所采用的励磁控制方法技术方案为：首先从发
电机采集相电压ua、ub、uc和相电流ia、ib、ic信号，送入A/D转换器进行采样，
采样完成后，将这些数据从A/D的暂存器中读到CPU中按16点傅氏采样算法
计算出发电机的相电压实部UGaR、UGbR、UGcR和虚部UGaI、UGbI、UGcI幅值，以
及相电流实部IGaR、IGbR、IGcR和虚部IGaI、IGbI、IGcI幅值，将所有通道的采样数
据计算完后，再进一步计算出QG、UG、UGd、UGq、ΔUG、Δω、
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和δ，然
后计算出多目标非线性抗扰励磁控制律，根据励磁控制律计算结果UE进一步计
算出三相全控整流器中可控制硅的控制角α、再最后确定可控硅触发脉冲信号的
发出时间，给出微处理器定时器的定时值Na，即完成对发电机的非线性动态励磁
控制工作的一个周期。
上述方案中，发电机相电压实部UGaR、UGbR、UGcR的计算公式为：
U GxR = 1 8 [ u x 4 - u x 12 + ( u x 1 + u x 7 - u x 9 - u x 15 ) sin π 8 ]]>
+ ( u x 2 + u x 6 - u x 10 - u x 14 ) sin π 4 ]]>
+ ( u x 3 + u x 5 - u x 11 - u x 13 ) sin 3 π 8 ] ]]>
相电压虚部UGaI、UGbI、UGcI的计算公式为：
U GxI = 1 8 [ u x 0 - u x 8 + ( u x 1 - u x 7 - u x 9 + u x 15 ) cos π 8 ]]>
+ ( u x 2 - u x 6 - u x 10 + i x 14 ) cos π 4 ]]>
+ ( u x 3 - u x 5 - u x 11 + u x 13 ) cos 3 π 8 ] ]]>
相电流实部IGaR、IGbR、IGcR的计算公式为：
I GXR = 1 8 [ i x 1 - i x 12 + ( i x 1 + i x 7 - i x 9 - i x 15 ) sin π 8 ]]>
+ ( i x 2 + i x 6 - i x 10 - i x 14 ) sin π 4 ]]>
+ ( i x 3 + i x 5 - i x 11 - i x 13 ) sin 3 π 8 ] ]]>
相电流虚部IGaI、IGbI、IGCI的计算公式为：
I GXI = 1 8 [ i x 0 - i x 8 + ( i x 1 + i x 7 - i x 9 - i x 15 ) cos π 8 ]]>
+ ( i x 2 - i x 6 - i x 10 + i x 14 ) cos π 4 ]]>
+ ( i x 3 - i x 5 - i x 11 + i x 13 ) cos 3 π 8 ] ]]>
上述各式中x分别取a、b、c，ux0～Ux15为各相电压采样值，ix0～ix15为各
相电流采样值；
多目标非线性抗扰励磁控制律的公式为：
U E = ( K 1 Q G U G + U G ) + ( K 2 sin δ - K 3 U Gd U Gq cos δ ) Δω + K 4 U G U Gq ( - k 1 Δ U G - k 2 Δω - k 3 Δ ω · ) ]]>
式中K1、K2、K3、K4、k1、k2、k3均为常数，可在实数范围内取值，通常的
取值范围为：K1＝1.2～2.2，K2＝0.56～33.25，K3＝1.1～40.89，K4＝2.06～42.75，k1，k2，k3由
线性最优计算方法确定，QG为发电机三相无功功率，UG为发电机端相电压幅值，
UGd为发电机端相电压直轴分量幅值，UGq为发电机端相电压交轴分量幅值，δ
为发电机功角，Δω为发电机转子角速度偏差，
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为发电机转子角加速度偏差。
其中功角δ的采集方法见图6：在发电机转子q轴上的某位置(如图中A点)
钻孔，并安装转速测量装置。首先测出钻孔位置与发电机空载电压UG0的相位差
θ0(若钻孔位置能准确打在q轴上，则θ0接近于0)，待发电机带负荷后测出钻
孔位置与发电机负载电压UG的相位差θ1，则发电机的功角可计算得δ＝θ1-θ0。
测量功角时需配合发电机输出功率的方向检测，以判断功角的方向。
控制律计算完成后，按下式计算出三相全控整流器中可控硅的控制角α：
α＝cos-1(Eqe/1.35U1)。
式中：U1为加到全控整流器上的交流电压的线电压有效值。控制角α计算
出后，就可确定可控硅触发脉冲信号的发出时间，下式中直接给出了微处理器定
时器的定时值Na：
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式中：T为同步信号周期，fd为定时器频率。
本发明的励磁控制装置的技术方案为：由数据采集电路、微处理器电路和控
制脉冲输出电路组成，不同之处在于在数据采集电路中采用高性能的八通道四路
同步采样A/D转换器U20，微处理器电路中CPU采用高性能的数字信号处理器
(DSP)U1并带程序存贮器，程序存贮器存贮有多目标非线性抗扰励磁控制律
编程。
本发明励磁控制装置的工作过程为：在发电机运行时，通过数据采集电路，
采集发电机电压、电流信号，送入A/D转换器，并将转换得的数据存入存贮器
中，待数字信号处理器(DSP)发出读取信号时，将数据传入DSP中进行处理，
并根据多目标非线性抗励磁控制律计算式计算出当时发电机所需的励磁电压
UE，随着发电机运行工况的变化，计算出的所需励磁电压UE也将发生变化。依
此计算的出控制角α及可控硅触发脉冲(Uga1、Ugc2、Ugb3、Uga4、Ugc5、Ugb6)的发
出时间Na也随之变化，从而控制三相全控整流器输出的直流励磁电压发生变化，
达到调节发电机端电压和改善发电机运行稳定性的目的。
本发明的积极效果在于：1、能多元、有效地撑控发电机励磁控制系统的动、
静态性能，使得系统动、静态性能更易于把握，解决了以往非线性励磁控制方法
中所存在的对系统的动、静态性能难以把握，顾此失彼的问题。2.能在明显提高
发电机并联运行稳定性的同时，仍能准确保证发电机端电压的调压精度，能在整
个稳定运行区域内有效地抑制机组机械功率变化对机端电压的扰动，准确地维持
发电机端电压在给定值上运行，保证系统具有良好的静态性能。3、能控制发电
机在运行过程中具有优良的动态性能，能有效抑制系统振荡，提高电力系统运行
的稳定性，明显提高输电线路的稳定极限功率，从而充分挖掘和利用线路的输送
能力。4、在该控制方法中具有明确的调压措施，使得稳定控制和调压控制有机
地融合在一个控制律中。而在控制律中包含有明确的调压措施并非是每一种励磁
控制设计方案都能做到的。5、在进行多目标的确定过程中注重使所设计的非线
性抗扰励磁控制方法简明实用，易于实现电力系统的多机组分散协调控制，易于
在工业中实施。6、多目标非线性抗励磁控制方法由于与Δδ无关，从而使该控
制方法成为一个真正与设计运行点无关的非线性励磁控制方法。
附图说明
图1为本发明励磁控制装置与发电机的连接关系示意图。
图2为本发明励磁控制装置的电路框图。
图3为本发明励磁控制装置中数据采集电路原理图。
图4为本发明励磁控制装置中微处理器电路原理图。
图5为本发明励磁控制装置中控制脉冲输出电路原理图。
图6为本发明功角δ的采集方法示意图。
图7、图8分别为本发明一个实施例中多目标非线性抗扰励磁控制结果波形
图和PID励磁控制结果波形图。
图9、图10分别为本发明另一个实施例中多目标非线性抗扰励磁控制结果波
形图和PID励磁控制结果波形图。
具体实施方式
下面结合附图1-5首先说明本发明励磁控制装置的实施例，主要由数据采集
电路、微处理器电路和控制脉冲输出电路，以及人机交互设备包括显示器、健盘
组成，如图2所示，数据采集电路如图3所示，包括滤波电路和A/D转换器，
滤波电路由R45-R60、C1-C16、Z1-Z16共八套组成，用于滤除所采集的发电机
电压、电流信号中的高次谐浪和高频随机干扰信号，A/D转换器由U20(MAX125)
和C25-C29、C38、C39、R109以及A/D转换器晶振X2构成，U20的单路转换
时间为3μs，允许双极性±5V输入，数据和控制总线直接与微处理器相接，A/D
转换器接收前级滤波后的信号，将模拟信号转变为数字信号，然后送入微处理器
的贮存器U4中，以备使用，A/D转换器能实现四路同步采样，可有效提高信号
采样精度；微处理器电路如图4所示，包括有数字信号处理器(DSP)U1，上电
复位芯片U2，E2PORM存贮器U3，数据存贮器U4，以及晶体振荡器X1，排阻
RP1、拔位开关S1，U1内部带有16K×16bit的Flash型程序存贮器，选用型号
为TMS320F240；控制脉冲输出电路如图5所示，包括：三极管N1-N6，脉冲变
压器T1-T6，二极管DM1-DM8，发光二极管L1-L6，电阻RM3-RM14，电容
C31-C36，组成六路脉冲信号放大电路，分别用于有序地触发三相全控整流电路
中的六个可控硅，以改变其导通状态，达到改变发电机励磁电压大小的目的，其
中三极管用于脉冲放大，脉冲变压器用于放大和转递脉冲信号，同时进行电气隔
离，二极管和电阻用于三极管关断时，泄放脉冲变压器电感线圈中的能量，二极
管用于防止三相全控整流器中的瞬间干扰信号反带入微处理器，电容可防止瞬间
干扰造成脉冲误触发。本发明的装置使用时，如图1所示，其前级数据采集电路
的输入端与发电机输出端的电流互感器LH和电压互感器YH相接，以便动态采
集所需的信号，其后级的控制脉冲输出电路的输出端与可控硅的控制极相接，以
控制其触发角，从而调控发电机的励磁电压。LBY为励磁变压器，LBL为励磁
变流器，用于为发电机提供励磁功率源。
本发明励磁控制方法的实施例结合附图7、8、9、10进一步介绍如下：
将本发明的装置在一台实验用发电机上进行了实时控制实验，实验中模型的
建立是以一台125MW水轮发电机组经变压器升压后通过单回220KV输电线路
向系统供电为参考原型。实验模型参数如下表：
参数名称
参数值
参数名称
参数值
参数名称
参数值
发电机容量
Se(KVA)
3.47
发电机转速
n(rpm)
1500
直轴暂态电抗
Xd’(pu)
0.127
发电机有功
Pe(KW)
3.038
慢性时间常数
T；(s)
7.71
直轴次暂态电抗
Xd”(pu)
0.073
发电机电压
Ufe(V)
230
暂态时间常数
Tdi(s)
5.75
交数同步电抗
Xq(pu)
0.165
变压器电压
Ute(V)
800
直轴同步电抗
Xd(pu)
0.676
交轴次暂态电抗
Xq”(pu)
0.08
实验方案选取如下：
[方案1]：系统初始运行点：有功0.46(pu)，功率因数0.95滞后。扰动：输
入机械功率拢动ΔPm＝0.23(pu)。
[方案2]：系统初始运行点：有功0.69(pu)，功率因数0.8滞后。扰动：三相对
地短路，经tr＝0.36秒后切除。
实验结果分析：
为了进行对比，每个实验方案也同时对PID式的励磁控制方法进行，实验结
果见图7、8和图9、10图中物理量曲线从上至下的排列分别为：A相电流IGa，A
相电压UGa，励磁电压UE，有功功率PG。
方案1的实验结果见图7、8。图7为多目标非线性抗扰励磁控制结果波形图，
图8为PID励磁控制结果波形图。对比图7和图8可以清晰地看出多目标非线性
抗扰励磁控制方法平息振荡的能力明显优于PID励磁控制方法。在多目标非线性
抗扰励磁控制律的作用下，扰动引起的机组振荡只经一个波峰后就已平息，而在
PID励磁控制律的作用下，振荡需经8-9个周期才渐趋平缓。另外，还可看到在
多目标非线性抗扰励磁控制律的作用下，尽管发电机有功功率增加了，但机端电
压不会发生偏移。
方案2的实验结果见图9、10。图9为多目标非线性抗扰励磁控制结果波形
图，图10为PID励磁控制结果波形图。对比图9和图10也可看到，多目标非线
性抗扰励磁控制方法在大扰动的情况下平息振荡的能力，同样远远优于PID励磁
控制方法。在多目标非线性抗扰励磁控制律的作用下，短路故障引起的机组振荡
经3秒在右就被平息，而在PID励磁控制律的作用下，短路切除6秒后各运行状
态的波动仍未平息。
结论：多目标非线性抗扰励磁控制方法能大大提高电力系统的稳定运行能
力，且在发电机有功发生变化时，仍能精确地维持发电机端电压在给定值上运行。