基于matlab的同步发电机励磁系统仿真分析与调试毕业设计

由天下分享时间：2024/9/8 16:29:37 加入收藏我要投稿点赞

基于matlab的同步发电机励磁系统仿真分析与调试

它励式半导体励磁系统的优点是：系统容量可以做得很大，励磁机是交流发电机没有换向问题而且不受电网运行状态的影响。缺点是：接线复杂，有旋转的主励磁机和副励磁机，启动时还需要另外的直流电源向副励磁机供给励磁电流。

2.3.3 静止励磁机励磁系统

静止励磁机是指从一个或多个静止电源取得功率，使用静止整流器向发电机提供直流励磁电源的励磁机。由静止励磁机向同步发电机提供励磁的励磁系统称为静止励磁机励磁系统。

静止励磁机励磁系统分为复合源静止励磁机励磁系统和电势源静止励磁机励磁系统。

（1）复合源静止励磁机励磁系统又称为自复励静止励磁系统，它采用电压源整流变压器和电流源整流变压器两种整流变压器。

复合源静止励磁机励磁系统主要有三种形式： 1）整流器直流侧两个电源串联、电压相加； 2）整流器交流侧两个电源并联、电流相加；

3）整流器交流侧两个电源串联、电压相加。国产水轮发电机上曾采用过整流器交流侧两个电源串联、电压相加的复合源静止

励磁机励磁系统，进口水轮发电机上曾采用过整流器直流侧两个电源串联、电压相加的复合源静止励磁机励磁系统。现在已经基本上不再采用复合源静止励磁机励磁系统了。

（2）电势源静止励磁机励磁系统又称为自并励静止励磁系统，有时也简称为机端变励磁系统或静止励磁系统。同步电机的励磁电源取自同步电机本身的机端。它主要由励磁变压器、自动励磁调节器、可控整流装置和起励装置组成。励磁变压器从机端取得功率并将电压降低到所要求的数值上；可控整流装置将励磁变压器二次交流电压转变成直流电压；自动励磁调节器根据发电机运行工况调节可控整流器的导通角，调节可控整流装置的输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求；起励装置给同步电机一定数量（通常为同步电机空载额定励磁电流的10～30%）的初始励磁，以建立整个系统正常工作所需的最低机端电压，初始励磁一旦建立起来，起励装置就将自动退出工作。从厂用电系统取得励磁电源的可控整流器励磁系统，当其电压基本稳定，与发电机端电压水平基本无关时，可以看作为它励可控硅励磁系统；当厂用电系统电压与发电机端电压水平密切相关时，看作为自并励静止励磁系统。自并励静

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止励磁系统的主要优点是：

1）运行可靠性高。自并励励磁系统为静态励磁，与励磁机系统相比，由于没有旋转部件，运行可靠性高。而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。该励磁系统对运行、维护的要求相对较低。国内外统计资料表明，自并励励磁系统造成发电机强迫停机率低于励磁机励磁系统。

2）能改善发电机机组的轴系稳定性。自并励励磁系统可缩短发电机组的轴系长度，减少轴承数量。如300MW及以上的汽轮发电机的轴系长度可减少大约3米，因而，可提高轴系的稳定性，改善轴系振动，从而提高了机组的安全运行水平。可提高电力系统稳定水平。在小干扰方面，自并励励磁系统配置PSS后，小干扰稳定水平较励磁机励磁系统有明显提高；在大干扰稳定方面，电力系统计算表明，自并励励磁系统的暂态稳定水平与交流励磁机系统相近或略有提高。

3）经济性好。主要决定于：①设备容易定型，系统造价低；②部件紧凑，减少厂房及基础造价；③采用软件控制，调整容易，维护简单，故障后修复时间短，可提高发电效益。

励磁调节器是励磁系统控制的智能部件，是根据发电机机端电压(和电流)的变化对机组励磁产生校正作用的装置，用来实现正常和事故情况下励磁的自动调节。所以除了应具有调节器可靠性高的性能和便于维护外，还必须是连续作用的比例型调节装置，即它产生校正作用的大小应与输出电压的偏差成正比。这就要求调节器反应灵敏、没有死区、响应速度快、时滞尽可能小，并满足正常和事故情况下的要求。励磁调节器经过不断的发展也由模拟式到半导体式，最后到现在最常用的微机式调节器。微机调节器电压偏差的计算、移相触发、调差环节、自动零起升压、低励限制、过励限制、系统稳定等控制功能，都可以由相应的软件来完成，不需增加相应功能的硬件电路。同时，各种控制功能都可以根据需要随意的取舍，十分灵活。

2.4 励磁系统在电力系统中的作用

无论在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁自动控制系统都起着重要的作用。一个好的励磁自动控制系统不仅可以保证发电机的可靠运行，提供合格的电能，还可以有效地提高系统的技术指标。根据运行的要求，励磁控制系统应承担以下的任务：

（1）保持发电机运行中机端或系统中某一点处的电压恒定

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在发电机正常运行工况下，励磁系统能维持发电机端电压(或变压器高压侧电压) 在给定水平。当负荷变化导致发电机机端电压变化时，励磁系统能使之维持在给定水平并保持一定精度。同样，当机组甩负荷时通过励磁系统的调节作用，能限制机端电压，使之不致过高。

（2）合理分配并联运行发电机间的无功功率电力系统中有许多台发电机并联运行。为了保证系统的电压质量和无功潮流合理分

布，要求合理控制电力系统中并联运行发电机输出的无功功率。所谓“合理控制”包含两层意思：①每台发电机发出的无功功率数量要合理；②当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随之自动调节，而且调节量要合理。

（3）提高电力系统的静态稳定性当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电力系统的

静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重要的和最基本的问题之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但自从自动励磁调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。

（4）提高电力系统的暂态稳定性暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性。励磁控制系统的作用主要由以下三个参数决定：

1）励磁系统强励顶值倍数提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。提高励磁系统强励倍数的要求，与提高调压精度并没有矛盾。

2）励磁系统电压响应比励磁系统电压响应比越大，励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态

稳定性越有利。电压响应比主要由励磁系统的型式决定，但是，励磁控制器的控制规律和参数对电压响应比也有举足轻重的影响。在相同的控制规律下，增大励磁控制系统的开环增益可以提高励磁电压响应比，同时，也提高了电压的调节精度。

3）励磁系统强励倍数的利用程度充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用的一个重要因

素。如果电力系统发生故障时励磁系统的输出电压达不到顶值，或者维持顶值的时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障前的值时，就不再进行强励了，那么它的强励倍数

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就没有得到很好发挥，改善暂态稳定的效果也就不好。充分利用励磁系统顶值电压的措施之一，就是提高励磁控制系统开环增益。开环增益越大，强励倍数利用就越充分，调压精度也越高，也越有利于改善电力系统的暂态稳定性。由此可见，提高励磁控制系统保持端电压水平的能力，与提高电力系统的暂态稳定性是一致的。

（5）提高电力系统动态稳定性当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然短路等

故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性。这也是同步发电机的重要性能之一。增加励磁调节系统强励能力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措施。

电力系统的动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。许多分析证明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱(甚至变负)的最重要的原因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用。许多研究表明，在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中增加其他控制信号。这种控制信号可以提供正的阻尼作用，使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的，而使动态稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。这种控制信号不影响电压调节通道的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力，不改变其主要控制的地位，因此，称为附加励磁控制。

（6）提高继电保护装置动作的准确性当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大。若系统此时发生短路故

障，短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限继电保护不能正常动作。励磁自动控制系统可以通过调节发电机励磁电流来增大短路电流，使继电保护正确动作。

（7）保证并联运行系统的正常工作系统的无功分配单元可保证参加并联运行的各发电机的输出无功功率获得均衡分

配，增加了稳定环节的无功分配单元是保证强励能力大的并联运行系统能正常稳定工作的重要条件之一。

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3 同步发电机励磁系统MATLAB的建模

3.1 励磁控制系统数学模型[3]

励磁控制系统的构成框图如下图3-1所示，其由励磁机、发电机、电压测量比较单元、综合放大单元、功率放大单元等组成。

图 3-1 励磁控制系统构成框图

（1）励磁机的传递函数为：

1 GE (s) = '

TE S + K E + S E