摘要：励磁系统作为调节系统电压并控制无功功率分配的重要元件，其特性对电力系统的电压稳定有着重要的影响。在IEEEAC5 A励磁系统模型基础上设计了PID控制器，并采用PSO算法整定PID控制器的参数，以改善励磁系统的调节特性。基于电力系统全数字实时仿真装置中的电磁暂态仿真程序ETSDAC对励磁系统进行自定义建模，从电压角度分析PID控制器的引入对系统稳定性的影响。

    在电力市场化的大背景下，受经济、环境等条件的制约，电力系统的运行状态越来越接近其安全稳定运行极限。电力系统给社会带来便利和经济效益的同时，也产生了一些影响系统安全和稳定运行的问题，其中电压稳定问题变得日益突出。同时，我国新能源发电的发展，也对系统电压稳定性产生了新的不确定影响。
    励磁控制系统作为向发电机提供励磁功率、调节系统电压并控制无功功率分配的控制系统的主要组成部分，对系统的稳定运行有很大影响。本文首先利用MAT-LAB进行PSO算法编程，理论计算PID最佳参数，然后基于中国电力科学研究院开发的电力系统全数字实时仿真装置ADPSS中的电磁暂态仿真程序ETSDAC自定义搭建励磁系统和三发电机系统模型，理论和仿真分析励磁系统对电力系统电压稳定性的影响。

    1 励磁系统及其控制器介绍
    1.1励磁系统数学模型
    励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器组成。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，如图1所示。励磁系统通过调节励磁电流控制发电机励磁绕组的励磁电压，从而达到维持发电机机端电压在给定水平的目的。励磁系统还有控制无功功率分配，提高同步发电机并联运行稳定性、改善电力系统运行条件等任务。

    1.2基于PSO算法的PID控制器设计
    PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单控制算法。它将实际输出量与给定值的偏差，按比例、积分和微分环节，通过线性组合构成控制量，实现对被控对象的控制。PID控制规律为：

    式中，u（t）为控制器的输出；e（t）＝r（t）-y（t），是给定值与被控对象输出值的差值即偏差信号，是控制器的输入。
    传统上是运用试测法来得到PID控制器的参数，但是很大程度依靠人工经验，工作量大且结果不精确。本文运用粒子群算法优化来得到PID控制器的参数。其中编码采用的是对Kp、KI、KD进行实时编码，为获得满意的过度过程动态特性，采用ITAE（误差绝对值时间积分性能指标）作为参数选择的最小目标函数。为防止控制量过大，在目标函数中加入控制输入的平方项。参数选取的最优指标为：

    式中e（t）为系统误差；u（t）为控制器输出；tu为上升时间；ω1、ω2、ω3为权值。
    为了避免超调，采用了惩罚功能，即一旦产生超调就将超调量作为最优指标的一项，此时最优指标为：

    1.3励磁系统对电压稳定的影响
    发电机和其励磁系统所构成的闭环系统称为励磁控制系统，它是一个典型的反馈调节控制系统。当发电机正常运行时，由励磁系统供给额定励磁电压电流；当发电机机端电压发生变化时，电压检测单元测量到的信号与给定的参考电压相比较，得出的电压偏差信号会发生相应的变化，再经过综合放大单元的放大作用，形成控制信号作用于励磁单元以改变其输出电压和电流，从而实现对励磁电压和电流的调节，达到自动调节发电机电压的目的。
    为分析励磁系统对电力系统稳定性的影响，本文采用阶跃信号模拟发电机的空载起励过程，分析附加PID控制器的励磁系统对电力系统电压稳定的影响；并将该模型应用于多机系统，分析其对多机系统电压稳定的影响。

[1] [2] [3]  下一页