电力系统同步发电机励磁系统的建模与仿真

Posted 2022-04-27 studyer_domi

同步发电机在电力系统中起到供能的作用，它的控制性能好坏是根据电力系统的安全与稳定运行状况来判断的。通过对MATLAB的利用来掌握励磁控制的性能与研究的技术，可以熟练掌握 MATLAB的SIMULINK仿真软件，分析其特点。使用这种软件让我们可以在复杂的计算环境中变得更加迅速便捷的计算，就可以把省下来的精力放到问题的根源上去解决问题。

本文介绍了同步发电机励磁控制系统的特点以及主要功能，对励磁调节控制系统的组成做了系统的介绍，各个组成部分原理也相应的阐述了。建立MATLAB的同步发电机励磁调节系统仿真模型，最后建立了以PID和PSS为励磁控制方式的同步发电机励磁调节系统数学模型，在Simulink环境下进行了仿真，收到了很好的效果。

关键词：MATLAB； 同步发电机； 励磁调节系统； 建模； 仿真； 校正

励磁系统的任务

在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用。好的励磁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，而且还可以有效地提高系统的指标。所以励磁系统应该承担如下任务：

1.电压控制

电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就相应的变化。随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平。励磁自动控制系统担负了维持电压水平的任务。同步发电机的励磁自动控制系统就是不断地调节励磁电流来维持机端电压为给定水平的。

2.控制无功功率的分配

无功功率的分配问题分为两种，一种是同步发电机与无穷大系统母线并联运行的有关问题，还有一种是并联运行各发电机间无功功率的分配。第一种问题同步发电机与无限大容量母线并联运行的机组，经过论证得出调节他的励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。然而在实际运行中，与发电机并联运行的母线并不是无限大容量母线，即系统等值阻抗并不等于零，母线的电压随着负荷波动而改变。第二种问题并联各发电机间无功电流的分配取决于各发电机的特性，而上倾的和水平的特性都不能起到稳定分配的作用，而下倾的母线电压都必然降低。可见并联运行的发电机间无功负荷分配取决于机组的外特性，曲线越平坦，无功电流的增量就越大。

3.提高同步发电机并联运行的稳定性

为了便于研究，将电力系统的稳定分为静态稳定和暂态稳定两类，电力系统静态稳定与自动控制中的稳定概念一样，是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然受到大的扰动后，能否过度到一个新的稳定运行状态或者恢复到原来运行状态的能力。

4.改善电力系统的运行条件

当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，励磁自动控制系统可以发挥其调节功能，即大幅度地增加励磁以提高系统电压。在这种情况下可以改善电力系统的运行条件有三个：改善异步电动机的自启动条件、为发电机异步运行创造条件、提高继电保护装置工作的正确性。

5.水轮发电机组要求实现强行减磁

当水轮发电机组发生故障跳闸时，由于他的调速系统具有较大的惯性，不能迅速关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度。所以，这种情况下要求采用励磁自动控制系统能实现强行减磁。

1.3.2 励磁系统的要求

同步发电机的励磁绕组需要直流电源激励方能产生磁场。一般将励磁绕组、励磁机或其他励磁电源，灭磁装置以及自动和手动励磁调节装置的总体，成为励磁系统。该系统是同步发电机的重要组成部分，其运行状况直接影响机组和电网运行的可靠性和稳定性。对励磁系统的主要要求是：

1.正常运行时，励磁系统应该具有足够的励磁容量及良好的反应特性。具体表现在，单机运行时，应能按负载及机组运行方式的变化，自动调节励磁电流，维持机端电压于额定值不变；并联或并网运行时，应能按机组容量及电网电压合理分担无功，并维持电网某点电压于一定水平。

2.事故或不正常运行时，应具有快速反应各种突变的能力，具体变现在：当电网短路或其他原因造成机端电压严重下降时，应快速提供足弓大的强励顶值电流，以提高电网运行稳定性、继电保护动作可靠性及异步电动机的自启动能力；当机组或电网突然甩负载或其他原因，造成机端电压急剧升高时，能强行减小励磁，防止电压过高，危及机组或其他电气设备的绝缘；当机组内部或引出线上短路时，能迅速灭磁，防止事故扩大。

3.应具有良好的抗干扰能力，即运行应不收其他机组或电网运行状态的干扰。

4.应能按运行要求，自动限制机组的最大及最小励磁电流。

5.为了确保励磁系统的安全运行，应设置足够可靠地过电流及过电压等保护装置。

6应在没有外部交流电源的情况下，用电池或机组的剩磁建压。

除此之外，励磁系统应力求接线简单、操作简便、运行可靠、便于维修、价格低廉。

模型比较简单，用的传递函数方式