基于matlab的同步發(fā)電機(jī)組建模與仿真

1、基于matlab的同步發(fā)電機(jī)組建模與仿真基于matlab的同步發(fā)電機(jī)組建模與仿真I基于 MATLAB 的同步發(fā)電機(jī)組建模與仿真摘要 隨著電網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，電力系統(tǒng)的運(yùn)行也隨之越來(lái)越復(fù)雜。同步發(fā)電機(jī)及其控 制系統(tǒng)作為電源是電力系統(tǒng)中的重要 組成部分，其性能對(duì)電力系統(tǒng)有著極大的影響，直 接關(guān)系 到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了使電力系統(tǒng)安全而經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，我們必須對(duì)同步發(fā)電 機(jī)組特性進(jìn)行深入的研究。而同步發(fā)電機(jī)組運(yùn)行是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，其動(dòng)態(tài)特性 隨著機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)而不斷變化，所以建立機(jī)組的模型并 進(jìn)行仿真研究是掌握發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，評(píng)價(jià)其各個(gè)控制系統(tǒng)性能的有效手段，并且對(duì)工作人員的培訓(xùn)和研究將起到很 大的

2、作用。同步發(fā)電機(jī)組模型的建立將涉及到機(jī)組的機(jī)理分析，有利 于從理論建模中引生新的設(shè)計(jì)方法，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文將對(duì)同步發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，利用 MATLAB/Simulink 搭建同步發(fā)電機(jī)組的 仿真模型，建立單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，最后對(duì)模型進(jìn)行仿真，并分析仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)；MATLAB/Simulink ;仿真；同步發(fā)電機(jī)組華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要 IISYNCHRONOUS GENERATOR UNIT MODELING AND SIMULATION BASED ON MATLAB Abstract With the en

3、largement of the power grid scale, the operation of the power system is becoming more and more complex. As supply unit of the system, synchronous generator and its control system plays an important part in the power system. Their performance also imposes great influence to the power system and has a

4、 direct connection with the power system stability. In order to ensure the safe and economic operation of the power system, we shall do a profound research on the synchronous generator unit characteristics. However, the operation of the synchronous generator unit is a extremely complex process. Its

5、dynamic characteristics are subject to the changing states of the unit operation. Therefore, it is efficient to build a unit model and do simulations research to acquire the dynamic characteristics of the unit, and evaluate the performance of each control system. This will also play a great role in

6、the staff training and researches. The building of the synchronous generator unit model will involve the mechanic analysis of the unit, do favor to deduce new designing methods from theoretical model buildingand provide theoretical basis to the optimization design. In this paper the mathematical mod

7、el of the synchronous generator and its excitation system, speed regulating system will be researched; the simulation model of synchronous generator unit will be built based on MATLAB/Simulink; a single-unit infinite system will be established; finally simulate the model and verify the accuracy of t

8、he model. Key Words: Power System; Single-unit Infinite System; MATLAB/Simulink; Simulation; Synchronous Generator Unit華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄i目 錄摘要? ?Abstract?I?I?論 ? 景和意義? ?電力系統(tǒng)仿真發(fā)展現(xiàn)狀 ?1.3 本課題所完成的主要工作?1?4? 2.1同步發(fā) 電機(jī)數(shù)學(xué)模型?1?2.1.1同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)建模概述?2.1.2同 步 發(fā) 電 機(jī) 基?4?2.1.3 同 步發(fā) 電機(jī)三 階模型?4?2.1.4 ?7?.2勵(lì) 磁 系 統(tǒng) 數(shù) 學(xué) 模

9、 型?做?2出1同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)概述 ?勿？伺？1 步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 ?宓？?？?？?？?？1? ?1我?. 3.1同步發(fā)電機(jī)組調(diào)速控制系統(tǒng)概述 ?2?2?1?3?然？ a J，I £.于 MATLAB 同 步發(fā) 電機(jī)組仿真?T2?3>?1MATLAB ?3.1.1?2?MATLAB/Simulink?13>?3?1?2?S?ulink 庫(kù)模塊? ?13 3.2 同步發(fā)電機(jī)組仿真的初值計(jì)算?71?3>：3?1同 步 發(fā) 電 機(jī) 組 仿 真 模 型?153.3.1 同 步 發(fā) 電 機(jī) 模 型? ?6?3.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型?

10、3笈3?硒婚?？?？電 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 仿 真 模 型?俯？?？2?1系 統(tǒng) 仿 真 及 結(jié) 果 分 析?3.4.1穩(wěn) 定 運(yùn) 行?1 ?9?4?系統(tǒng)電壓突增或突降 ?1?203.4.3 增加勵(lì)磁系統(tǒng)給定電壓?13.4.4 增加調(diào)速系統(tǒng)給定功率? 3華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄 ii 3.4.5三相突?24? 4結(jié) 論 與 展 望? ?26?卷 ? ?27?致 ? ?28?察?W?W?k設(shè)計(jì)（論 文）1 1緒論1.1課題背景和意義 隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電網(wǎng)電壓等級(jí)的不斷升高，電力系統(tǒng)規(guī) 劃、 運(yùn)行和控制的復(fù)雜性亦日益增加。同步發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的重要組

11、成部分，其性能對(duì)電力系統(tǒng)有著極大的影響，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定為了使電力系統(tǒng)安全而經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，我們必須對(duì)同步發(fā)電機(jī)組特性進(jìn)行深入的研究。而同步發(fā)電機(jī)組運(yùn)行是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，其動(dòng)態(tài)特性隨著機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)而不斷變化，所以建立機(jī)組的模型并進(jìn)行仿真研究是掌握發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，評(píng)價(jià)其各個(gè)控制系 統(tǒng) 性能的有效手段，并且對(duì)工作人員的培訓(xùn)和研究將起到 很大的作用。同步發(fā)電機(jī)組模型 的建立將涉及到機(jī)組的機(jī)理分析，有利于從理論建模中引生新的設(shè)計(jì)方法，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。1.2電力系統(tǒng)仿真發(fā)展現(xiàn)狀自20世紀(jì)40年代以來(lái)，用計(jì)算機(jī)方法去研究系統(tǒng)的特性成為科學(xué)發(fā)展的時(shí)尚。仿 真技術(shù)是一門多學(xué)科綜合的

12、應(yīng)用技術(shù)科學(xué)，也是一門近年來(lái)發(fā)展迅速的新興學(xué)科。仿真就是建立系統(tǒng)的模型（數(shù)學(xué)模型、物理效應(yīng)模型或數(shù)學(xué)一物理效應(yīng)模型）并在模型上進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)1。隨著電力系統(tǒng)發(fā)展的越來(lái)越龐大，電力系統(tǒng)的運(yùn)行也隨之越來(lái)越復(fù)雜，并且計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)由于其精度高、改變參數(shù)方便、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的物理仿真系統(tǒng)2 o電力系統(tǒng)數(shù)字仿真是在計(jì)算機(jī)上為電力系統(tǒng)的物理過(guò)程 建立數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法求解，以進(jìn)行仿真研究的過(guò)程。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真因具有不受原型系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜 性限制，能保證被研究系統(tǒng)的安全性，且具有良好的經(jīng)濟(jì)性、 方便性等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)各個(gè)領(lǐng)域中已獲得了廣泛應(yīng)用

13、。目前，電力系統(tǒng)的仿真技術(shù)可以總結(jié)歸納如下3:1）電力系統(tǒng)離線仿真技術(shù)：電力系統(tǒng)離線仿真是在數(shù)字計(jì)算機(jī)上為電力系統(tǒng)的物理過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法求解，以進(jìn)行仿真研究的過(guò)程。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，往 往忽略一些次要的因素，因而常常是一個(gè)簡(jiǎn)化的模型。目前，電力系統(tǒng)離線仿真軟件，對(duì)不同的動(dòng)態(tài)過(guò)程采用不同的仿真方法，主要有電磁暫態(tài)過(guò)程仿真、機(jī)電暫態(tài)過(guò)程 仿真 和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真 3種。2）電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)：電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)大概經(jīng)歷了三個(gè)歷史階段，基于相似理論的以實(shí)際旋轉(zhuǎn)電機(jī)為代表的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真系統(tǒng)、數(shù)?；旌鲜綄?shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。我國(guó)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的發(fā)展歷程基本跟蹤了國(guó)

14、際上電力 系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真發(fā)展不同階段的最新技術(shù)。在同步發(fā)電機(jī)的建模與仿真研究方面，使用的仿真工具 有多種。它們?cè)诮⑼桨l(fā) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）2電機(jī)模型的方法上各有不同，在研究同步發(fā)電機(jī)不同問(wèn)題上也是各有側(cè)重與優(yōu)勢(shì)。目前，關(guān)于同步發(fā)電機(jī)組的常用仿真軟件可以總結(jié)如下：1) Saber仿真軟件4 Saber具有很大的通用模型庫(kù)和較為精確的具體型號(hào)的器件模型，采取的是組合仿真方式。在Saber軟件平臺(tái)上對(duì)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模和仿真既簡(jiǎn)捷又有效。Saber建模分兩個(gè)步驟：首先編寫器件的模板，它是用Mast語(yǔ)言編寫的源程序，用于 描述器件的工作性能； 然后利用Saber提供的Symbol E

15、dit 為第一步編寫的器件畫由元件圖，在該圖屬性列表中填入primitive為模板名，實(shí)現(xiàn)該圖與模板的連接。在建立同步發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型時(shí)，由于不要求電機(jī)方程的解析解，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型就采用實(shí)際的電機(jī)模型，電壓與磁鏈方程不必進(jìn)行坐標(biāo)變換。2) Maxwell 2D 仿真軟件5隨著計(jì)算機(jī)在數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域 的廣泛應(yīng)用，尤其是有限元法分析在電磁場(chǎng)中的應(yīng)用，采用電磁場(chǎng)方法精確計(jì)算電機(jī)的動(dòng)態(tài)問(wèn)題已成為可能。利用ANSOFT公司的 Maxwell 2D 軟件提供的二維有限 元仿真環(huán)境建立的同步發(fā)電機(jī)的二維有限元模型，可以直觀 地看到 電機(jī)磁場(chǎng)的分布情況。選擇氣隙中的一個(gè)點(diǎn)，可以計(jì)算氣隙的磁密，并以表格形 式記錄

16、 下來(lái)；可以看到靜態(tài)下 B6與Ff的曲線；可以得到 電機(jī)的空載特性。3) PSPICE仿真軟件6 SPICE是世界著名的模擬電路 仿真標(biāo)準(zhǔn)工具，PSPICE是MicroSim公司當(dāng)今眾多 SPICE 不同分支中的一種，是用在PC機(jī)上作電子線路設(shè)計(jì)模擬和 仿真的軟件包。PSPICE 5.0的特點(diǎn)是能夠針對(duì)具體的電路模型，采取相 應(yīng)的無(wú)源器件、有源器件和電源模型進(jìn)行描述，然后作由包括直流分析、交流分析和瞬態(tài)分析等相應(yīng)的分析。因此，利 用PSPICE 5.0對(duì)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行數(shù)字仿真，研究其數(shù)學(xué)模型，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PSPICE電路模型，獲得發(fā)電機(jī)三相短路數(shù)據(jù)，解決了由于同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及 與之相

17、 應(yīng)的數(shù)學(xué)模型所具有的獨(dú)特復(fù)雜性，電氣設(shè)計(jì)人員一直為三相短路精確仿真問(wèn)題所困擾的問(wèn)題。PSPICE是根據(jù)電路輸入文件完成相應(yīng)的模擬，也就是通 過(guò)PSPICE的編程來(lái)描述 同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)同 步發(fā)電機(jī)的建模。4) DSP(TMSF240)仿真軟件7基于 DSP(TMSF240)的 同步發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是系統(tǒng)集檢測(cè)、分析、報(bào)警于一體，并可以方便地進(jìn)行同步發(fā)電機(jī)的多種工況下的過(guò)渡過(guò)程和 動(dòng)態(tài)行為的實(shí)時(shí)仿真。它能取 代現(xiàn)實(shí)中的同步發(fā)電機(jī)組與待測(cè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，從而檢測(cè)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器性能。在建模與仿真的實(shí)現(xiàn)方法上，該系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)軟硬件，采 用主從CPU結(jié)構(gòu)，由主控 模塊、仿真計(jì)算核心

18、模塊、 輸入 輸出模塊和定時(shí)中斷模塊組成軟件部分。1.3本課題所完成的主要工作本文是對(duì)同步發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模與仿真，并分析所建模型的正確性。本課題是在研 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3究同步發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，研究單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的狀 態(tài)方程組及勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào) 速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，在 Matlab/Simulink 環(huán)境下搭建同步發(fā)電機(jī)組的單機(jī)對(duì)無(wú)窮大 系統(tǒng)，分析仿真結(jié)果。主要工作如下：1）在閱讀和研究國(guó)內(nèi)外關(guān)于發(fā)電機(jī)組建模和仿真的文獻(xiàn)基 礎(chǔ)上，結(jié)合同步發(fā)電機(jī)組特點(diǎn)，構(gòu)思由整體的同步發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)方案。2）研究同步發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，結(jié)合參考文獻(xiàn)，得由單 機(jī)對(duì)無(wú)窮大系統(tǒng)的狀態(tài)方程，以及勵(lì)磁系統(tǒng)

19、和調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。3）在 Matlab/Simulink 環(huán)境下，搭建單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)狀 態(tài)方程和勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng) 傳遞函數(shù)，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī) 組的仿真模型。4）研究仿真中的初始化問(wèn)題，對(duì)本課題的仿真模型相關(guān)變量進(jìn)行初始化計(jì)算，并對(duì)模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后進(jìn)行仿真，分析結(jié)果。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4 2同步發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型 2.1同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型2.1.1同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)建模概述 同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)非常重要的元件，它是一 種集旋轉(zhuǎn)與靜止、電磁變化和機(jī)械運(yùn)動(dòng)于一體，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能變換的元件，其動(dòng)態(tài)性能十分復(fù)雜，而其動(dòng)態(tài)性能 又對(duì) 全電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有極大的影響。建立的同步發(fā)電

20、機(jī)模型的類型、精度直接影響著暫態(tài)穩(wěn) 定數(shù)字仿真的效果，通常在建模之前，為了簡(jiǎn)化分析，一般均假設(shè)同步電機(jī)為理 想同步電機(jī)8。在分析電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定中，同步電機(jī)實(shí)用模型最重要的 簡(jiǎn)化假定是：忽 略定子繞組暫態(tài)過(guò)程，從而令定子電壓微分 方程中，這樣就把它化為代數(shù)方 0 dqpp程。另一假定是定子電壓方程中，從而使方程線性化。另外，對(duì)實(shí)際的同步電機(jī)還要1作必要的假定：1）電機(jī)磁鐵部分的磁導(dǎo)率為常數(shù)，既忽略磁滯、磁飽和的影響，也不計(jì) 渦流及集膚作用的影響。2）對(duì)縱軸及橫軸而言，電機(jī)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上是完全對(duì)稱的。3）定 子及轉(zhuǎn)子的槽及通風(fēng)溝等不影響電機(jī)轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子的 電感，即認(rèn)為電機(jī)的定子及轉(zhuǎn)子是光滑的。以上的

21、假定在大多數(shù)情況下都能滿足實(shí)際工程研究的需 要，下面給由的同步電機(jī) 基本方程基于上述假定9。2.1.2 同步發(fā)電機(jī)基本方程同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型在 abc坐標(biāo)下為8階模型。由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)和凸極效應(yīng)，造成發(fā)電機(jī)原始方程的系數(shù)是隨著轉(zhuǎn)子位置的角度 （也就是隨著時(shí)間）而改變的，這些 方程是屬于所謂的變系數(shù)微分方程，使得方程的求解非常 復(fù)雜困難，因此實(shí)際分析同步電機(jī)時(shí)很少采用abc坐標(biāo)。派克變換是最廣泛應(yīng)用的坐標(biāo)變換之一，可以將同步電機(jī) 含變系數(shù)的微分方 程 改造”成為常系數(shù)的微分方程。通過(guò)派克變換，可以在dq旋轉(zhuǎn)軸上分析研究電機(jī)的電磁現(xiàn)象，進(jìn)而能很好地適應(yīng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)與凸極效應(yīng)2。經(jīng)派克變換后得到的 dq0

22、坐標(biāo)下 同步發(fā)電機(jī)微分方程， 即派克方程（電壓方程、磁鏈方程），其中的電感參數(shù)均為定 值，從 而非常有利于同步電機(jī)動(dòng)態(tài)分析與計(jì)算。2.1.3 同步發(fā)電機(jī)三階模型在建立同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，詳簡(jiǎn)不同的數(shù)學(xué)模型 ，其主要區(qū)別在于電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組數(shù)10,如果轉(zhuǎn)子 D軸、Q軸各有兩個(gè)繞組，且每一個(gè) 轉(zhuǎn)子繞組有一個(gè)一階微分方程，那么則稱之為轉(zhuǎn)子四階模型，連同轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為兩階方程，則整個(gè)發(fā)電機(jī)方程組為 六階模型。如果轉(zhuǎn)子繞組數(shù)減少，則發(fā)電機(jī)方程組的階數(shù)也相應(yīng)減 少。不同階的模型，可 以在不同目的電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)字仿真中使用11。在實(shí)用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析中，當(dāng)計(jì)及勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)，最簡(jiǎn)單的模型就是三階模型，由于

23、它簡(jiǎn)單而又能計(jì)及勵(lì)磁系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)，因 此廣泛的應(yīng)用于精度要求不十分高，但仍需計(jì) 及勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的電力系統(tǒng)分析中。本文 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5中將只考慮機(jī)組f繞組的電磁暫態(tài)以及轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程 ，不考慮轉(zhuǎn)子阻尼 繞組的暫態(tài)過(guò)程，即 所建模型為三階模型。1）等效實(shí)用變量的定義：a）定子勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)Ef :（2-l）adfffX Eu rb）電機(jī)q軸空載電動(dòng)勢(shì) Eq（又稱Xd后面的電動(dòng)勢(shì)）：（2- 2） qad f EX i c）電機(jī)q軸瞬變 電動(dòng)勢(shì)（又稱X' d后面的電動(dòng)勢(shì)）：q E（2- 3） qad ffXEX2）置換用的變量表達(dá)式推導(dǎo)：因?yàn)?，所?0時(shí)浮血 （2-4） 0000

24、ad ffad fq f X EuX iE r由發(fā)電機(jī)基本電壓方程可得：（2-5） 000000qda qqd daq ur iEX ir i（其中,）000dd dad f X iX i由發(fā)電機(jī)基本磁鏈方程可知：（2-6） fad dff X iX i 將上式代入式（2-3）: （2-7） 2 adad qfad f ff XX EX i XX因?yàn)橐凰晕覀兛梢缘玫剑? ad dd f X XX X（2- 8）（） qqddd EEXXi根據(jù)式（2-5）和式（2-8）可得：(2- 9) OOOOqqd da q uEX ir i用相量圖可以表示，和之間的關(guān)系，如圖(2-1):0q u 0q

25、E 0q E華北電力大學(xué)本科畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)6qiV 1 GI GV d u d i d S)0( xq 00fq EEq u ddl X Oq E ddl X qd EGqljx 圖2-1，和之間的相量關(guān)系 0q u 0q E 0q E 3)定子 電壓方程：根據(jù)電壓、磁鏈方程(派克方程)，消去、，得到：d q(2-10) ddqa dq qa d upr iX ir i(2-11) qqda qqd da q upr i EX if i4)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電壓方程：根據(jù)電壓方程，兩邊同乘以，可得：ffiffupr 1 adfXr(2-12)ad ffqfXpEEr 因?yàn)? 所以：0 f ad

26、ad ffqd fffXXX ET rXrdoqfqdTEEE dt(2-13)fqddd EEXXi其中，為勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)。OfdfXTr 5)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：()memd qq dd HPPPii dtmqddqq qd PEX iiX ii華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)7 (2-14) mq qdqd q PE iXXi i(2-15)1 d dt若計(jì)及轉(zhuǎn)子的阻尼效應(yīng)，則式(2-12)可以修改為：(2-16)1 mq qdqd q d 1IDPE iXXi i dl其中，為發(fā)電機(jī)組阻尼系數(shù)。D式(2-13)、(2-14)和(2-15)即構(gòu)成同步發(fā)電機(jī)的三階模型。2.1.4 單機(jī)無(wú)窮大系

27、統(tǒng) 如圖2-2所示單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)： 同步發(fā)電機(jī)變壓器 T輸電線路L VtVs圖2-2單機(jī)-無(wú)窮大 系統(tǒng) 系統(tǒng)電壓為 Vs恒定不變，變壓器和線路電抗為。則可以求生：l X (2- 17)C0Sq$ddEViX(2-18) sin s q q V i X其中一；ddlXXX qqlXXX 將式(2-17)、(2-18)代入式(2-13),即得到單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的電壓 方程：(2-19)0 1 sin dd q fqqs dd XXdE EEEV dtTX電磁功率方程：eqdqdq PEXXiicos sin qs sqdq dq EV V EXX XX(2-2()2 sin2 sin 2 sdq s

28、 q dqd VXX V eXXX華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)8 2.2勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 2.2.1同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁 自動(dòng)控制系統(tǒng)概述供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的裝置稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，它由自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁功率單元組成。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分機(jī)電式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和計(jì)算機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁功率單元分為直流電源勵(lì)磁和交流電源勵(lì)磁。直流電源勵(lì)磁的電源為直流勵(lì)磁機(jī)。交流電源勵(lì)磁包括交流電源和整流器兩部分。隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器經(jīng)歷了電磁式、模擬半導(dǎo)體式和數(shù)字式等幾個(gè)發(fā)展階段。目前，電力系統(tǒng)中運(yùn)行的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器種類很多、類型各異，但就控制規(guī)律而言，絕大多數(shù)屬于

29、比例式調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組成一個(gè)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)一一發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)。為保 證同步電機(jī)的正常運(yùn)行，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)能夠穩(wěn)定地提 供同步電機(jī)從空載到滿載以及過(guò)載時(shí)所需的勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流的改變會(huì)引起機(jī)端電壓或無(wú)功功率的變化。勵(lì)磁自動(dòng)控制系 統(tǒng)按預(yù)定要求調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，起到如下作用：1）電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，維持發(fā)電機(jī)或系 統(tǒng)莫點(diǎn)電壓水平； 2）合理分配發(fā)電機(jī)間的無(wú)功負(fù)荷。發(fā)電機(jī)的無(wú)功負(fù)荷與勵(lì)磁電流有著密切的關(guān)系，勵(lì)磁電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)，要影響發(fā)電機(jī)間無(wú)功負(fù)荷的分配，所以對(duì)勵(lì) 磁系統(tǒng) 的調(diào)節(jié)特性有一定的要求；3）在電力系統(tǒng)發(fā)生短路 故障時(shí)，按規(guī)定的要求強(qiáng)行勵(lì)磁；4）提高電力系統(tǒng)靜穩(wěn)定極 限；5）加快

30、系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，改善系統(tǒng)工作條件。為了使自動(dòng)勵(lì) 磁控制系統(tǒng)充分發(fā)揮上述作用，裝置應(yīng)滿 足如下幾點(diǎn)基本要求：1）在正常情況下，能根 據(jù)機(jī)端電壓的變化自動(dòng)地改變勵(lì)磁 電流，維持發(fā)電機(jī)電壓值在給定水平；2）并列運(yùn)行發(fā) 電機(jī)上裝有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器時(shí)，應(yīng)能穩(wěn)定分配機(jī)組間的無(wú)功負(fù) 荷；3）電力系統(tǒng)發(fā)生故障 導(dǎo)致電壓降低時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)有 很快的響應(yīng)速度和足夠大的強(qiáng)勵(lì)頂值電壓，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行勵(lì)磁的作用；4）裝置要簡(jiǎn)單可靠， 動(dòng)作要迅速，調(diào)節(jié)過(guò)程要穩(wěn) 定。調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)無(wú)失靈區(qū)，以保證在人工穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行 12 o為了研究勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，就必須設(shè)計(jì)合理的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型，通過(guò)仿真來(lái)深入了解不同參數(shù)下的勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)

31、改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。對(duì)勵(lì)磁自動(dòng)控 制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，需要根據(jù)建模的目 的和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作條件做由一些假設(shè)，這樣建立的數(shù)學(xué)模型能夠突生主要矛盾，使數(shù)學(xué)式簡(jiǎn)化、物理意義 清楚。因此，由 同一個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)所構(gòu)成的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制 系統(tǒng)用于不同目的時(shí)建立的數(shù)學(xué)模型是不相同的。例如，用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究時(shí)一般都要進(jìn)行較多的簡(jiǎn)化，只剩下最能表達(dá)勵(lì) 磁系統(tǒng)本質(zhì)特性的部分；用于研究 勵(lì)磁系統(tǒng)性能的數(shù)學(xué)模型就要較少簡(jiǎn)化，以使結(jié)果盡量精確13 o本文將所建模型屬于前者。2.2.2同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型實(shí)際電力系統(tǒng)中，勵(lì)磁系統(tǒng)的種類繁多，各不相同，本文勵(lì)磁系統(tǒng)是 以下面的結(jié)構(gòu) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。電壓測(cè)量單元綜合放大單元適應(yīng)單元?jiǎng)?lì)磁功率單 元