勵磁系統的基本功能是提供同步發電機磁場繞組之直流電源，同時勵磁控制系統可以藉由控制場電流來達成發電機端電壓輸出與無效功\\率潮流等控制，進而改善電力系統之暫態穩定度。
本文係於一部300MW無刷式燃煤機組，將其運轉四十年之磁放大器式(Type WMA MAG-A-STAT )自動電壓調整器( AVR)，更新為以可程式控制器(PLC)為核心之數位型複聯式(Redundancy)系統，因更新後為確認其勵磁系統模型及動態響應特性以利於電力系統之穩定度問題之後續研究。於現今非常普及之MATLAB/SIMULINK軟體上建立其發電機勵磁系統模型並進行動態響應特性模擬。除了希望藉由在個人電腦進行有效率及準確的之模擬測試，驗證模組之可行性外；亦以粒子群演算法（Particle Swarm Optimization,PSO）應用於尋找AVR控制器參數設定值之全域最佳解。因此本論文之主要貢獻是建立可靠有效之勵磁系統模型及動態響應特性以提供電力系統電網規畫及調度。

The fundamental character of excitation system is to provide the direct-current power for field windings for synchronous generators. Excitation control system controls the generator output voltage and reactive power by varying the field winding’s currents. Therefore, it can improve the transient stability of power system.
The thesis proposed a process for modeling and simulation on a brushless coal-fired unit, since the 40 years-old magnetic amplifier (Type WMA MAG-A-STAT) Automatic Voltage Regulator (AVR) was replaced by a Programmable Logical Controller based digital redundancy system, for the purpose to verify the excitation system model and dynamic response gains in the future power system study. To establish the generator excitation system and simulations on a popular software program MATLAB/SIMULINK, we wish to manipulate the effective and precise simulation test on a personal-computer and apply Particle Swarm Optimization (PSO) to find the global optimal solution for AVR controller settings. This thesis contributes in building a reliable excitation system model with dynamic response figures for power system network planning and dispatch.

目錄

摘要…………………………………………………………….....……..Ⅰ
Abstract………………………………………………………..…………Ⅱ
目錄............................................................................................................Ⅲ
圖目錄………………………………………………………...…….........Ⅵ
表目錄………………………………………….……..…………….........XI

第一章 緒論……………………………………………………………..1

1-1 研究背景與動機…..…………………………….………....1
1-2 研究目的與方法…………………………………...……....2
1-3 論文內容概述……………………………………….......…4

第二章 勵磁系統概論………………………………….………….........6

2-1 前言……...……………………………………………....…6
2-2 勵磁機和自動電壓調整器理論概述……………...….…...6
2-2-1勵磁機的概述……………………………….....…...10
2-2-2自動電壓調整器概述……………………….....…...13
2-2-3放大器………………….………. ………….........…16
2-3 數位式電壓調整器……………………...…………………24
2-3-1數位式電壓調整器硬體架構及模組……….........…24
2-3-2數位控制器設計演算原理………………….....…....29
2-3-3複聯式電壓調整器………………………………….30

第三章 研究方法與模型之建立………………..……………………....32

3-1 前言………….……….……………………………...…......32
3-2 自動電壓調整器模型..……………………..............……...32
3-2-1控制元件功能介紹…………………….………........33
3-2-2交流勵磁系統模型………………….......….…….....36
3-2-3直流勵磁系統模型……….………….………….......41
3-2-4靜態勵磁系統模型…………...………………..........44
3-3 勵磁系統模型建立程序概論…………………..……..……49
3-3-1 模型使用元件及特性…...…………..……..…..……51
3-3-2 模型建立程序………………………...………..……52
3-4 粒子群演算法………………………….………..……….....57
3-4-1 粒子群演算法概念…...…………..………..…..……58
3-4-1粒子群演算法的數學模式…...…………….…..……59
第四章 小訊號步階響應及實測繪圖………………..………...……....61

4-1 前言…………………………………………..………...…...61
4-2 勵磁系統標稱響應(Nominal Response)…........................61
4-3 勵磁系統步階響應(Step Response)………..……..….….63
4-4 勵磁系統性能評量指標……………….…………..……….66
4-5勵磁系統響應實測繪圖…………..………………..…….....67
4-6勵磁系統響應模型驗證…………..………………..…….....70
第五章 勵磁系統模擬測試與最佳化參數………..……………….…. ..77

5-1 前言……………………………………..……..……..…….77
5-2 相位落後補償控制器之模擬與測試比較....….…………..77
5-3 比例-積分-微分(PID)補償控制器之模擬與測試比較…...83
5-3-1 測試條件…...…………..……….………..…..….83
5-3-2 測試1…...…………………….….………..…..….83
5-3-3 測試2…...………….…………………………..…84
5-3-4 測試3…...………….………..………………...….86
5-3-5 模擬測試總結…...………….………..………..….89


第六章 結論與未來展望…………………………………..…….......... 91

6-1 結論…………………………………….....…………….... 91
6-2 未來展望………………………………...……………….. 92

參考文獻……………………………………...……………….……….. 94

圖目錄

圖1-1 勵磁控制系統圖........................................................................3
圖2-1 自動回授控制系統之基本元件................................................6
圖2-2 勵磁系統電壓反應....................................................................8
圖2-3 無刷式勵磁機示意圖…………..…………………………....11
圖2-4 橋式整流器三段工作區域圖…………………………..…....12
圖2-5 靜態勵磁機示意圖………………………………….…...…..13
圖2-6 定功率因數相位關係圖……………………………………..14
圖2-7 定無效電力相位關係圖……………………………….…….15
圖2-8 整流方式和電壓波形圖……………………………………..16
圖2-9 可飽和電抗器圖……………………………………………..17
圖2-10 自飽和電抗器圖……………………………………………..18
圖2-11 磁放大器特性圖……………………………..………..……..19
圖2-12 推挽放大器的特性圖………………………..………..……..20
圖2-13 Class A推挽式放大器之動作圖……………..………..…….20
圖2-14 相位控制器區分示意圖……………………………....……..21
圖2-15 三相六脈波橋式整流器圖…………………………....……..22
圖2-16 電感性負載輸出波形圖……………………………....……..23
圖2-17 數位式電壓調整器硬體架構圖……………………………..25
圖2-18 電壓調整器PLC控制架構圖………………………………..26
圖2-19 連續函式圖編輯器…………………….…………………….27
圖2-20 N次IIR式數位濾波器方塊圖……………………….……..30
圖2-21 複聯式控制器硬體架構圖…………………………………..31
圖3-1 自動電壓調整器計算模型方塊圖………..……………...….33
圖3-2 具有飽和限制之積分器圖……………….…………….........33
圖3-3 無飽和限制之積分器圖……..…………………..............…..34
圖3-4 具有飽和限制之時間延遲元件圖..........................................34
圖3-5 無飽和限制之時間延遲元件圖..............................................35
圖3-6 具有飽和限制之相位落後補償器圖......................................35
圖3-7 無飽和限制之相位落後補償器圖..........................................36
圖3-8 交流勵磁系統AC1A模型控制方塊圖..................................37
圖3-9 交流勵磁系統AC2A模型實際架構圖..................................38
圖3-10 交流勵磁系統AC2A模型控制方塊圖..................................39
圖3-11 交流勵磁系統AC3A模型實際架構圖..................................40
圖3-12 交流勵磁系統AC3A模型控制方塊圖..................................40
圖3-13 直流勵磁系統DC1A模型實際架構圖..................................41
圖3-14 直流勵磁系統DC1A模型控制方塊圖……………..……....42
圖3-15 直流勵磁系統DC2A模型實際架構圖………….....…..…...42
圖3-16 直流勵磁系統DC2A模型控制方塊圖…………….…....….43
圖3-17 直流勵磁系統DC3A模型實際架構圖…………….….…....43
圖3-18 直流勵磁系統DC3A模型控制方塊圖..…………….….…..44
圖3-19 靜態勵磁系統ST1A模型實際架構圖………………….…..45
圖3-20 靜態勵磁系統ST1A模型控制方塊圖………………….…..46
圖3-21 靜態勵磁系統ST2A模型實際架構圖……………….……..46
圖3-22 靜態勵磁系統ST2A模型控制方塊圖………………….…..47
圖3-23 靜態勵磁系統ST3A模型實際架構圖………………….…..48
圖3-24 靜態勵磁系統ST3A模型控制方塊圖……………….……..48
圖3-25 更新為數位式自動電壓調整器勵磁系統圖………….….…50
圖3-26 自動電壓調整器數學模型方塊圖……………………….….50
圖3-27 以相位落後補償器為控制元件之勵磁系統控制方塊圖…..53
圖3-28 勵磁機(SCR Bridge) 近似對照表模組方塊圖………...….53
圖3-29 發電機(含主勵磁機) 對照表模組及增益器方塊圖………54
圖3-30 實際波形儲存圖轉換函數及增益器方塊圖………………..54
圖3-31 發電機無載開路之實際量測波形儲存圖…………….….…55
圖3-32 PID補償後系統方塊圖……………………………….….….56
圖3-33 PID補償後勵磁系統程式模型圖………………….….….…56
圖3-34 PID控制器架構圖…………………………….………….….57
圖3-35 PID控制器數學模型圖……………………………….….….57
圖3-36 粒子群演算法的概念圖……………………………….….…58
圖3-37 加入PSO演算法之PID控制系統圖…..…………….….…59
圖4-1 勵磁系統標稱響應圖……………………………………......62
圖4-2　步階輸入之回授控制系統典型暫態響應圖…………………64
圖4-3 開迴路勵磁控制系統(發電機開路)典型頻率響應圖…..…65
圖4-4 閉迴路勵磁控制系統(發電機開路)典型頻率響應圖……..65
圖4-5 (a) 手動電壓調整器(MVR) 控制模式動態響應圖……….…..68
圖4-5 (b) AVR 控制模式輸入2％步階信號動態響應圖……….......68
圖4-5 (c) AVR 模式輸入2％步階信號有PI補償器動態響應圖….69
圖4-5 (d) AVR 模式輸入5％步階信號有PI上升動態響應圖…….69
圖4-5 (e) AVR 模式輸入5％步階信號有PI下降動態響應圖…….70
圖4-6 手動電壓調整器(MVR) 模式動態響應模擬圖圖…………..71
圖4-7 MVR控制模式發電機動態響應模擬比較圖……..……..…...72
圖4-8 MVR控制模式勵磁機動態響應模擬比較圖………………...72
圖4-9 AVR控制模式0.1V輸入動態響應模擬圖……....…….…..73
圖4-10 電壓調整器控制器模型圖………………...……..…….…..74
圖4-11 AVR控制模式控制器動態響應模擬比較圖………....…...74
圖4-12 勵磁機模型………………………..………...……..…..…...75
圖4-13 AVR控制模式勵磁機動態響應模擬比較圖……………...75
圖4-14 發電機模型圖…………………..………...………..…..…...76
圖4-15 AVR控制模式發電機動態響應模擬比較………...…..…..76
圖5-1 勵磁機(SCR Bridge)轉換函數近似對照表……….….........78
圖5-2 發電機轉換函數近似對照表……………………………......79
圖5-3 控制器動態響應波形圖(0.1V步階及相位落後補償器)….79
圖5-4 勵磁機動態響應波形圖(0.1V步階及相位落後補償器)….80
圖 5-5 發電機動態響應波形圖(0.1V步階及相位落後補償器)…..80
圖5-6 控制器動態響應波形圖(0.25V步階及相位落後補償器) …81
圖5-7 勵磁機動態響應波形圖(0.25V步階及相位落後補償器)….82
圖5-8 發電機動態響應波形圖(0.25V步階及相位落後補償器)….82
圖5-9 發電機動態響應波形圖(2%步階電壓)……………….……..84
圖5-10 發電機動態響應波形圖(5%步階電壓)……………….........85
圖5-11 發電機動態響應波形圖(5%步階電壓)…………………….87
圖5-12 發電機動態響應波形圖(2%步階電壓)…………………….87
圖5-13 粒子群演算法的演化過程……………………..….………...88
圖5-14 PID最佳參數的演化過程……………………..….…….…...89


表目錄

表4-1 優良的回授控制系統響應之性能評量指標範圍值……….66
表4-2 勵磁控制系統對小訊號動態響應之各項性能評量期望範圍值……………………………………………………………67
表5-1 2％步階電壓比較表………………………………....…..….83
表5-2 以表5-1最佳參數值測試的比較表………………………..84
表5-3 5％步階電壓比較表...............................................................85
表5-4 以表5-3最佳參數值測試的比較表………………..………86
表5-5 2%與5%步階電壓比較表……………………………………...86
表5-6 粒子群演算法在三種測試最佳PID參數比較表………….89

參 考 文 獻

[1] 周鵬程，“遺傳演算法原理與應用-活用Matlab”，全華科技圖書股份有限公司，中華民國九十四年十二月。
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