Optimierung von Regler-Parameter für Synchronmaschine

Optimierung von Regler-Parameter für Synchronmaschine

Henry Gretener - Preisträger

Problemstellung
Der Entwurf einer robusten Regelung für das Erregersystem einer Synchronmaschine ist eine zentrale Aufgabe in Energiesystemen. Die klassischen Regler wie PID oder Lead-Lag gelten als robust und zuverlässig. Das mathematische Konzept der «Fractional order controller» könnte sich jedoch als besseren Ansatz auszeichnen. Aufgrund der fünf Freiheitsgrade (siehe Abb.1) eines FOC Reglers gegenüber der drei Freiheitsgrade eines PID Reglers ist es sehr gut möglich, dass mit dem neuen Ansatz beispielsweise Regelstreckenveränderungen besser in den Entwurfsprozess miteinbezogen werden können. Die Möglichkeitserweiterung eines FOC Reglers ist in Abb.2 symbolisch ersichtlich. Der FOC Ansatz gilt es in der Thesis zu untersuchen und ein eigenes Optimierungsverfahren für solche Regler herzuleiten.

Lösungskonzept
Als Lösungskonzept versucht man nicht nur den neuen FOC Ansatz anzuwenden, sondern auch eine neue Betrachtungsweise auf die Optimierung des FOC Spannungsreglers einzuführen. Im konventionellen Regler Entwurf wird nur die Statorspannungs-Sprungantwort optimiert. Jedoch soll bei der Optimierung des Spannungsreglers auch die Wirkleistungsschwingung als Optimierungsgrösse aufgefasst werden. Dies aufgrund dessen, dass Wirkleistungsschwingungen die Synchronmaschine mechanisch belasten. Weiter soll der FOC Regler auf einem analytischen Modell aufbauen und anschliessend numerisch optimiert werden, um ein möglichst globales Optimum zu finden.

Realisierung
Als Basis wurde ein FOC Regler gemäss Ziegler Nichols berechnet. Die Hochoptimierung der FOC Koeffizienten erfolgte im linearen Netzmodell gemäss Heffron Phillips. Diese Optimierung realisierte man mit einem genetischen, zweistufigen Verfahren, welches den Regler gemäss einer entwickelten Fitnessfunktion optimiert. Um die Realitätsnähe des linearen Netzes zu beweisen, wurden die Testsimulationen auch im nicht linearen Netz durchgeführt.

Ergebnisse
Aus dem Optimierungsverfahren resultierte ein FOC Regler, welcher im Vergleich zum besten PID Regler die Wirkleistungsschwingungs-Amplitude mehr als halbierte, bei gleichen Statorspannungs-Sprungantwort Bedingungen (siehe Abb.3). Zudem konnte bei einer Netzimpedanz-Erhöhung eine höhere Wirkleistungsschwingungs-Dämpfung erzielt werden als im Nennbetrieb. Parallel entwickelte man eine Benutzersoftware, welche es einem Entwickler ermöglicht, einen FOC Regler spezifisch auf ein Netz und eine Synchronmaschine auszulegen.

Studienbetreuer Dr. Valerijs Knazkins
Preisstifter Hochschule Luzern, Institut für Elektrotechnik

Struktur eines «Fractional order Controller» im Laplace-Bereich
Designbereichserweiterung durch FOC Konzept
Wirkleistungs-Sprungantwort auf 3% Stator-Spannungssprung im Nennbetrieb bei einer Netzimpedanz von 0.25 pu (lineare Simulation)

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