基于MATLAB的励磁自动控制系统的仿真建模
摘要：同步发电机的运行状态在很大程度上与励磁系统有关。优良的励磁系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且还可以有效地提高发电机及其相关的电力系统的技术经济指标。励磁控制是自动控制中比较简单，可靠性较高的控制手段之一，对电力系统运行的稳定性和可靠性起着关键性的作用。通过电压测量单元对输入信号的转换，放大环节对输入信号的放大，及积分环节对输出信号的控制，从而分析出阶跃信号对系统产生的响应。控制参数不同时，阶跃信号对系统产生的不同的响应曲线进行比较。最后利用MATLAB/Simulink工具来比较和分析不同控制参数对系统稳定性的不同影响，进而得到最好的参数对。
关键词：Matlab / Simulink; 励磁系统；模型；仿真；稳定性；
SIMULATION OF THE EXCITATION CONTROL SYSTEM BASED ON MATLAB
Abstract::The exciting system plays an important part in the operation of synchronous generators. Good exciting system not only guarantees the reliability and stability, but also effectively increases technical and economic indicators of generators in the power system. Exciting control is a relatively simple and reliable controlling means in automatic control system, and plays a key role in the stability and reliability of power system. The effect of step signal can be analyzed, by voltage measurement unit `s conversing the input signal, amplification unit enlarging the input signal and integral unit controlling the output signal. When control parameters are different, step signal can make different effects on the power system. Finally, MATLAB / Simulink are used to compare and analyze the effects on stability of power system which different control parameters have , then getting the best parameters pair.
Keywords: Matlab / Simulink; Excitation System; Model; Simulation; Stability
1 引言
随着电网规模的扩大，电力系统结构和运行方
式变得越来越复杂，改善和提高电力系统稳定性的主要手段是控制。其目的是在保证系统电压和频率的水平下，使发电机功率能时刻与负荷功率保持平衡。有两种有效控制措施和方法：一种是有功功率控制，如切机、切负荷、快关汽门、电气制动等。另一种是无功功率控制，如发电机组的励磁控制、串联电容补偿、输电线路并联电抗补偿、设置开关站、加设调相机和SVC等。
同步电机的励磁控制系统对电力系统的暂态稳定和动态稳定有重要影响。提高强励顶值倍数和励磁电压响应比可提高暂态稳定性；但高放大倍数的快速励磁系统又会降低系统阻尼，诱发低频振荡，需要引入电力系统稳定器(power system stabilizer，PSS)等附加励磁控制器来解决该问题[2-3]
。准确掌握发电机励磁系统模型和参数，才能了解电网的真实特性，进而提高电网输送能力。
[1]
励磁系统已经是电力系统的重要组成部分，它直接影响发电机和整个电力系统的运行特性。励磁系统根据负载电流、功率因数、端子电压的变化而自动调节励磁电流，达到保持发电机机端电压稳定的目的。励磁系统的可靠性对电网的安全运行至关重要。在这里利用MATLAB来进行仿真，方便可靠，同时可以及早发现一些问题，从而得到解决[2]。
2 励磁自动控制原理
2.1 励磁自动控制系统的组成及简介
励磁系统是同步发电机重要组成部分，直接影响发电机运行性能。励磁系统一般由励磁功率单元、励磁调节器组成，是由电源装置（如励磁机、励磁变压器）、自动调节装置、手动调节装置、自动灭磁装置、励磁绕组过电压保护装置、诸上述装置的控制、信号、测量仪表等组成。为了保证发电机在正常工作时不会由于励磁系统故障而
引起不必要的停机，还可以根据需要装设备用励磁系统。
2.2 同步发电机励磁自动控制系统的构成
如图2-1，为概括的发电机自并励磁控制系统的结构组成[3]：
测量变压器CB 电同步电励自控发机磁动制机 发电压测量电 励磁调节器 适应单元 励元 积分单元 综合放大单6相桥式整流电加法器J1及附属运算放大器J2及附属 积分器 J5反相器 J7和功放 反相器J3 系统 磁系统 移相触发器电三稳态触发器 脉冲放大电路 移相触发器 励磁功率单励磁变压器移相角限制电元 图2-1发电机自并励磁控制系统的结构组成
可控硅整流即用简单的组成及相互关系如图2-2
2.3 数学传递函数
1电压测量单元的传递函数
图2-2 发电机自并励磁控制系统的简单组成
差单元看成用标幺值表示的放大系数为+1的比例
环节[4]。这样有，传递函数：
2.3.1励磁调节器的传递函数
电压测量单元包括测量变压器CB和6相桥式整流电路ZL，作用是把发电机机端电压UG变成与之成正比的的直流电压UCH。由于所建的数学模型是描述是电机空载运行特征的，此时发电机定子电流为零，调差回路不起作用，可以将调
UCH??KCH?UG （2-1）
KCH?UCHeUGe?10V18000V
式中UCH——电压测量单元的输出电压，V；
UG —电压测量单元的输入电压，即发电机机端电压，V；
KCH——电压测量单元的放大系数；
UGe——发电机定子额定电压，本系统UGe=18V；
UCHe——对应于UGe时测量单元的输出电压，本励磁调节器UCHe=10V 2综合放大单元的传递函数
综合放大单元的电路，由运算放大器J1、J2、J3 及其附属电路组成，其作用是综合放大调节器的各控制信号，整定系统的动态增益系数。
1）加法器J1
加法器的作用是综合励磁系统的各种信号，形成误差信号。因为在电路分析中涉及到拉氏变换和运算法大器的虚地现象，可以把电路简化，经过变换及化简可得到加法器的传递函数： 2）比例放大器和反向器
比例放大器的作用是整定发电机励磁自动控制系3积分单元的传递函数
它的工作特点决定了它在系统中的作用，上述电路中，KJ为积分时间整定开关，积分作用是由J4形成，UJ4是J4输出电压Usr的积分。积分电路工作的特点是：在发电机励磁自动控制系统处于静态情况下，积分器J4输入为零时，输出保持某一电压值不变，积分器的放大系数为无穷大；在励磁控制系统处于动态情况下，由于积分器的输入为交变信号，积分器的放大系数会降低。这样，励磁系统中引入积分环节后，发电机电压的调节精度主要由积分环节实现：只要发电机电压与其给定电压不相等，UZH≠0,UJ4就会变化不止。只有当发电机电压等于给定值，UZH=0时，UJ4才停止变化并保持某一电压值不变[6]。由于发电机电压的静态调节精度不再主要靠增大综合放大单元的放大系数KP实现，因此整定KP的大小时就可以主要考虑系统的动态品质。积分单元的引入可以做到更好地兼顾系统静态调节精度和动态调节品质。积分单元的引入可以做到更好地兼顾系统静态调节精度和动态调节品质这对相互矛盾的要求。
4适应单元的传递函数
适应单元由J7和功放组成。它的输出电压
统的动态增益系数。根据放大器的各种性质最终得传递函数：
UJ2(S)??KPUJ1(S) （2-2）
其中，UJ2——比例放大器的输出电压； KP——比例放大电路的放大系数，KP=R∑/Rα；
R∑——电阻R1~R6之和，为20.2KΩ ; Rα——开关KF分接头到零电位间的电阻值，这里取值为2 KΩ。
3）综合放大单元
J3是一个放大系数为-1的反相器，作用是保证电路间的相位配合。另外，运算放大器J3的输出最大值为±10V，是一个非线性饱和器件，所以综合放大单元是一个非线性饱和环节[5]。
US将送入可控硅移相触发单元做可控硅的移相控制信号。移相控制信号要求它的前一级具有较大的输出功率和较小的输出阻抗。由于运算放大器J7不具有以上特性，所以在J7后面增加了一级功率放大器，以适应移相电路的要求。功率放大器是一个电流放大器，电压放大系数为+1。 利用电路建立函数，并且取：RD=R3=15kΩ ,R71=R72,得
US(S)?K?T?S?1[UZH(S)?UJF(S)](2-3)
KRf?RD??(Rf?RD)R
71TRf?RD??(RCSY
f?RD)其中，Kɑ——适应单元的放大系数； Tɑ——适应单元的时间常数;
US——适应单元的输出电压。 适应单元还设有正向限幅电路，由W2和WY3
组成，限制US的正向值。当US大于整定值时，WY3击穿，限制US等于整定值。限幅值由W2进
励磁自动控制系统
