基于智能優(yōu)化算法的同步發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)方法
【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術領域，特別涉及單機對無窮大電網(wǎng) 的單個同步發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器設計領域。
【背景技術】：
[0002] 勵磁系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機的重要組成部分，是給發(fā)電機提供轉(zhuǎn)子直流勵 磁電流的一種自動裝置。自動電壓調(diào)節(jié)器，也稱為自動勵磁調(diào)節(jié)器，是勵磁系統(tǒng)的控制器， 也是勵磁系統(tǒng)的核心關鍵部分，通過調(diào)節(jié)勵磁功率裝置中的勵磁電流保證發(fā)電機輸出電壓 的平穩(wěn)性。
[0003] 自動電壓調(diào)節(jié)器通過反饋同步發(fā)電機的運行狀態(tài)信號，采用電壓調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)，驅(qū) 動功率放大元件，改變作用在發(fā)電機上的感應電動勢，從而改變發(fā)電機的機端電壓，如圖1 所示。目前，廣泛采用的自動電壓調(diào)節(jié)器是通過反饋發(fā)電機機端電壓，采用PID控制方法進 行設計的。此方法設計的自動電壓調(diào)節(jié)器在實際應用時需要根據(jù)同步發(fā)電機的模型參數(shù)， 通過反復手動調(diào)試，最終確定PID控制參數(shù)，這一設計過程繁瑣且效率低下，得到的PID控 制參數(shù)往往只能保證同步發(fā)電機機端電壓調(diào)節(jié)滿足性能要求，并不能夠?qū)崿F(xiàn)機端電壓調(diào)節(jié) 性能最優(yōu)的目標。因此，發(fā)明一種能夠?qū)崿F(xiàn)機端電壓調(diào)節(jié)性能最優(yōu)化，并且設計過程可以采 用算法實現(xiàn)自動化的設計方法迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明的目的是提高同步發(fā)電機機端電壓自動調(diào)節(jié)器的性能，通過調(diào)節(jié)器設計實 現(xiàn)調(diào)節(jié)性能最優(yōu)化，通過軟件算法實現(xiàn)自動電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)的自動尋優(yōu)，避免手動調(diào)試自 動電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)的繁瑣工作。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：基于智能優(yōu)化算法的同步發(fā)電機自動 電壓調(diào)節(jié)方法，該方法包括如下步驟：
[0006] 1)建立同步發(fā)電機系統(tǒng)模型為

[0013] Ef=kcu (1-g)
[0014] 其中，δ是發(fā)電機的功率角，ω是發(fā)電機角速度，cos是同步電機角速度，v= ω_ω$發(fā)電機的相對速度，是機械輸入功率，是發(fā)電機產(chǎn)生的電功率，Pa=Pe-P"^ 加速功率，Η是單位慣性系數(shù)，E'q是瞬時感應電動勢，Eq是感應電動勢，Ef是勵磁繞組等效 感應電動勢，Τ'dc]是瞬時開環(huán)電路時間常數(shù)，VT是發(fā)電機機端電壓，￥；3是電網(wǎng)的電壓，k。是 勵磁放大器的增益，u是發(fā)電機勵磁放大器的輸入，χτ是變壓器的阻抗，1,是(1軸的阻抗， X'd是d軸的瞬時阻抗，X^是傳輸線的阻抗，Xad是勵磁繞組和定子繞組間的互漏抗；
[0015] 2)選取δ作為同步發(fā)電機系統(tǒng)模型（1)的"平坦輸出變量"F，所謂某個系統(tǒng)的 "平坦輸出變量"是指該系統(tǒng)的狀態(tài)變量和控制輸入可以表達為"平坦輸出變量"及其各階 導數(shù)的非線性函數(shù)；將同步發(fā)電機系統(tǒng)模型的狀態(tài)變量和控制輸入表示為
[0020] 3)記Xl=F、=F、\ =v ，將同步發(fā)電機系統(tǒng)模型表示為如下的線 性系統(tǒng)模型
[0022] 4)針對線性系統(tǒng)模型（3)，設計如下形式的控制器
[0024] 其中，kp0(i= 1，2,3)可使多項式
[0025]sS+k^+k^s+k^ 0
[0026]胡爾維茨（Hurwitz)穩(wěn)定；且有
[0028] 5)將控制器式（4)代入同步電壓系統(tǒng)模型式（2)，得到同步發(fā)電機系統(tǒng)的自動電 壓調(diào)節(jié)器公式如下
[0030] 其中，kpk2,匕等為待優(yōu)化的自動電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)；
[0031]6)選取自動電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化的性能指標函數(shù)f(x)，其中X為待優(yōu)化參數(shù)向 量，也即X=[ki，k2,k3]T，函數(shù)的選擇可以根據(jù)實際工程需求確定，例如選取電壓調(diào)節(jié)過程 中控制能量消耗最少作為最優(yōu)性能指標；
[0032] 7)采用和聲搜索算法，進行自動電壓調(diào)節(jié)器式（5)的參數(shù)自動尋優(yōu)，該算法通過 類比音樂和最優(yōu)化問題的相似性，將求解優(yōu)化問題的過程，模擬為樂師創(chuàng)作音樂的過程，樂 師優(yōu)化算法通過記憶反復調(diào)整樂隊中各樂器的音調(diào)，更新和聲記憶庫，即待優(yōu)化變量的解 集，最終得到美妙的和聲即最優(yōu)解，為應用該算法，首先需要選定算法的主要參數(shù)，包括和 聲庫規(guī)模HMS、和聲庫取值概率HMCR、音調(diào)調(diào)節(jié)概率PAR和音調(diào)調(diào)節(jié)帶寬bw、迭代次數(shù)Μ;
[0033] 8)根據(jù)待優(yōu)化的變量VkjPk3的取值范圍，記其為Xi。令Ν表示待尋優(yōu)變量的 個數(shù)，初始化和聲記憶庫，采用隨機數(shù)生成算法，得到HMS組和聲，并記為O^x2,…，xHMS)， 將相應的和聲記憶庫表示為
[0035] 9)令迭代計數(shù)器j= 1，計算和聲記憶庫中所有和聲對應的目標函數(shù)值，記為 f(Xi),f(x2), ···,f(xN);
[0036] 10)采用以下的方式生成一個新的和聲：(a)在和聲記憶庫中選取后，按照一定的 概率進行音調(diào)微調(diào)；(b)在和聲庫以外，通過隨機生成算法在取值范圍內(nèi)，進行隨機選擇； 首先，采用隨機數(shù)生成算法產(chǎn)生一個隨機概率A，如果ri<HMCR，則從和聲記憶庫式（6)中 的選擇一個作為Xl'，并按照一定的概率（取值在[0，1]區(qū)間內(nèi)的高斯隨機數(shù)） 對其進行變量微調(diào)，調(diào)整算法為
[0038] 其中，PAR是微調(diào)概率，bw是微調(diào)帶寬，rand是微調(diào)概率系數(shù)，randl為米用隨機 數(shù)算法產(chǎn)生的隨機數(shù)，如果則采用隨機生成算法，在^允許的范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生 一個作為χ/，其它待尋優(yōu)變量Χι~XN的處理方式與Χι相同，不再贅述；通過這一步驟，得 到產(chǎn)生的新和聲X'；
[0039]11)針對X'計算目標函數(shù)值，得到f(x'），記fmin= ，f(x2)，…，f(xN))， 與其對應的和聲為Xi，如果f(x'）>fmin，則用x'替換Xi，得到新的和聲記憶庫；
[0040] 12)判斷和聲記憶庫中各個和聲所對應的目標函數(shù)值差異是否滿足誤差范圍，若 滿足誤差范圍則轉(zhuǎn)步驟14)，否則轉(zhuǎn)入下一步，判斷目標函數(shù)值差異的函數(shù)為
[0041] f2-,fN)
[0042] 具體形式根據(jù)需要確定；
[0043] 13)判斷j是否大于最大迭代次數(shù)M，如果大于，則轉(zhuǎn)入下一步，否則，令迭代次數(shù) j=j+Ι，轉(zhuǎn)入步驟10);
[0044] 14)停止進行優(yōu)化計算，輸出和聲記憶庫中的目標函數(shù)最大的和聲作為參數(shù)尋優(yōu) 問題的最優(yōu)解決方案。
[0045] 工作原理：
[0046]同步發(fā)電機系統(tǒng)模型為一個三階非線性模型，通過選取發(fā)電機的功率角作為"平 坦輸出"，可以將非線性模型變換為采用"平坦輸出"表示的線性模型，從而簡化了自動電壓 調(diào)節(jié)器的設計模型；基于得到的線性模型，可以很方便的采用有限時間收斂控制方法，設計 自動電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)同步發(fā)電機系統(tǒng)的機端電壓，從而實現(xiàn)在有限時間內(nèi)將同步發(fā)電機電 壓調(diào)節(jié)至期望值的目的；自動電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以采用和聲搜索優(yōu)化算法進行優(yōu)化，從 而提高同步發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器設計的自動化程度，避免了采用傳統(tǒng)PID控制方法設計 自動電壓調(diào)節(jié)器時需要反復手動調(diào)整PID參數(shù)、效率低下的問題。
[0047] 技術效果：
[0048] 本發(fā)明與傳統(tǒng)的自動電壓調(diào)節(jié)器設計方法的區(qū)別在于引入了微分平坦方法對自 動電壓調(diào)節(jié)器模型進行了線性化，并基于和聲搜索算法對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行尋優(yōu)。以往自動 電壓調(diào)節(jié)器設計時，通常采用小偏差線性化理論對設計模型進行線性化，存在模型線性化 的偏差，而本發(fā)明采用微分平坦方法，可以直接通過非線性變換，將非線性模型轉(zhuǎn)化為線性 模型，不存在模型轉(zhuǎn)化誤差，從而可以提供系統(tǒng)模型描述的精度；以往自動電壓調(diào)節(jié)器設計 方法通常采用試湊的方式確定PID控制器的參數(shù)，這種試湊的方法往往需要耗費設計人員 幾天的時間才能獲得合適的參數(shù)，而本發(fā)明引入了和聲搜索算法，可以提高這一過程的自 動化程度，使設計者無需手動調(diào)節(jié)的繁瑣過程，即可獲得最終的控制器參數(shù)，只需要幾個小 時即可優(yōu)化得到最終的結(jié)果。
【附圖說明】：
[0049] 圖1 :自動電壓調(diào)節(jié)器原理圖
[0050] 圖2 :發(fā)電機機端電壓變化圖
【具體實施方式】：
[0051] 以某發(fā)電機的自動電壓調(diào)節(jié)器設計為例，說明本發(fā)明的【具體實施方式】。其勵磁系 統(tǒng)的功率整流裝置采用三相可控硅整流電路，形式如圖1所示，圖中需要設計的是自動電 壓調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)，具體的實施方式為：
[0052] 1)通過分析可知，圖1中的同步發(fā)電機系統(tǒng)模型為
[0059]Ef=kcu (7-g)
[0060] 其中，c〇s= 314. 159,H= 8. 0s，Τ' do= 6. 9,kc= 1. 0,xT= 0· 127,xd= 1. 863， x' d= 0. 257,xL