（电力系统及其自动化专业论文）发电机仿真器的研制.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电机仿真器的研制，是本人 在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叠煎日期：塑；垒：兰少 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盗丝导师签名： 日期：塑! ! ：! ! ：! ?日期： 望益k 狮6 | 夏j 1 1狮b | 5 1 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 仿真是一门理论联系实际的应用技术，它是用模仿真实系统，对象的模型来代替 真实系统对象进行实验和研究的一种专门技术。在进行自动控制系统的分析、综合 与设计的过程中，人们除运用理论知识对系统进行分析外，常常要对系统的特性进 行实验研究。这种实验研究一般有两种：一种是在实际系统上进行，另一种则在模 型上进行。出于安全性、经济性、可能性等因素的考虑，在实际系统上进行实验 般不宣采纳。因此，在模型上进行实验很早以来就被系统工程师及研究人员所采纳。 例如，为研究电力系统，我们通常用小容量的模拟发电机、模拟励磁系统与模拟调 速系统等组成电力网的模型，然后在这个系统上进行实验研究，这种用物理模型来 仿真实际系统通常称为物理仿真；或者也可以用仿真软件建立电力系统的数学模型 进行数学仿真。尽管一些复杂控制系统很难用一个物理模型来进行仿真或研究设计 一个复杂控制系统的物理模型周期长，但是由于物理模拟以其直观和可以重现原型 系统的物理过程而受到电力系统科研工作者的重视【l 】。 1 1 仿真技术简介 仿真是指用模型( 物理模型或数学模型) 代替实际系统进行实验和研究。为了使 仿真的结果真实可靠，仿真应遵循几何相似、环境相似和性能相似的基本原则。 系统仿真是近几十年发展起来的一门综合性技术学科，它是利用模型对实际系 统进行实验研究的过程。当在实际系统上进行实验比较困难甚至危险时，仿真技术 就成了十分必要、甚至必不可少的工具。它为对系统进行设计、研究和决策提供了 一个先进而有效的手段，可以缩短设计周期和降低费用等。近年来，随着集成电路 和计算机技术的不断向前突破，应用集成电路和计算机技术对实际系统进行仿真的 技术正日益受到人们的重视。仿真技术已广泛应用于航天、航空、通信、化工、原 子反应堆、电力、冶金、机械等领域和各工业和科研部门，是人们分析、研究和设 计系统的重要工具，在实际应用中取得了明显的经济效果。 1 1 1 仿真的分类及特色 l 、按照仿真实验时间标尺t 与实际系统时间标尺t 比例来分，可分为实时仿真 和非实时仿真，将t = l t 的仿真称为实时仿真，其它称为非实时仿真。 2 、按照仿真的性质分，可分为物理仿真、数学仿真和数学物理混合仿真2 】 物理仿真是指采用了物理模型，制作一个与实际结构相似但几何尺寸较小的模 型，在相似的条件下，进行实验研究，再用所得的实验结果去指导实际的设计和生 产。 华北电力大学硕士学位论文 数学仿真是指应用性能相似、环境相同的原理，按真实系统的数学模型，构造 系统的数学模型，并在数学模型中进行实验。 数学物理混合仿真是指在对某些系统的研究中，将系统的一部分建立数学模 型，放到计算机上，另一部分构造其物理模型或直接采用实物，然后将它们连接成 系统进行实验。 3 、按照仿真系统所采用的计算机种类可分为模拟计算机仿真、数字计算机仿 真、数字模拟混合仿真 模拟仿真中的计算设备为模拟计算机，是一种连续计算装置。它把实际系统中 的各物理量用电压表示，通过各种电子运算部件来求解描述系统的数学模型，输入 输出都是连续的电压量，因此各物理量“连续”变化是模拟仿真的突出特点，且模 拟计算机的运算是连续运行的，其仿真结果的记录也是连续的，模拟仿真更接近于 实际连续系统。模拟计算机各运算部件是同时工作的，所以运算速度很快，容易实 现实时仿真。模拟计算机的编程也比较简单、直观，只要按照给定的数学方程将相 应的运算部件结合起来就能实现。其主要缺点是：模拟计算机主要器件是运算放大 器，我们所谓的理想运算放大器实际上存在着运算放大器开环放大倍数为有限值 ( 即a o o ) ，电流不为零( 即i g o ) ，有零点飘移( 即a e 。o ) 三个方面的原因， 而造成计算误差，使模拟计算机的计算精度较低。另外，模拟计算机只能进行连续 运算，对离散系统无法仿真，而当系统中有较多逻辑环节时，也难以进行仿真，对 于非线性系统，由于其运算部件误差较大，所以仿真精度较低。 数字仿真是利用数字计算机作为仿真工具。它的最大优点是计算精度高，可以 克服模拟计算机仿真计算精度低的缺点，其运算精度取决于所用计算机的字长。数 字计算机是一种不连续计算装置，需要把输入实际系统数学模型中的连续的模拟量 变成离散的数字量，经过运算输出离散的数据。与模拟仿真相比，数字计算机的主 要缺点是其运算工作是“串行”的，计算速度受到限制，对于一些反应较快的系统 若要求进行“实时”仿真，则有一些困难。因此，如果从研究人员要及时地了解变 化参数对系统带来的影响来看，模拟控制具有一定优势。 数字一模拟混合仿真的计算设备由数字计算机和模拟计算机组合而成模拟计 算机和数字计算机各自按照自己的运算机制工作，通过接口来完成模拟量和数字量 之间的信息交换，各自发挥自身的长处和优点，弥补对方的不足和缺陷，从而形成 一种完美的计算机仿真设备。 1 1 2 系统仿真的目的及其在系统研究中的重要性 ( 1 ) 优化设计现代大型系统的规模和复杂性，要求在建立系统之前能够预测系 统的性能和参数，以便使所设计的系统达到最优指标。 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 经济性对于一个大型的系统，直接实验成本十分昂贵。采用仿真实验的方 法仅需成本的1 1 5 1 1 0 ，而且设备可以重复使用。 ( 3 ) 安全性对于某些系统，直接实验往往是危险的和不允许的。 ( 4 ) 预测性对于经济、社会、生物等非工程系统，直接实验几乎是不可能的， 仿真则可以用于预测系统的特性和外部作用的影响，从而研究控制的策略【3 l 。 1 2 研究课题的提出 同步发电机是电力系统的心脏，它是一种集旋转与静止、电磁变化机械运动于 一体，实现电能与机械能变换的元件。励磁系统向发电机提供励磁功率，起着调节 电压，保持发电机端电压或枢纽点电压恒定的作用，并可控制并列运行发电机的无 功功率分配。调速系统一般通过控制汽轮机的汽门开度或水轮机的导水叶开度来实 现功率和频率调节。通过改变调速器的参数及给定值( 一般是给定速度或给定功率) 可以得到所要求的发电机功率一频率调节特性【4 1 。了解并熟悉发电机及其控制系统 的运行特性是我们电力系统中每一个工程技术人员应该具备的常识。现代科学技术 的发展要求把事物运动按各自系统来研究，但有许多系统由于条件的限制不可能在 真实的系统上进行实验和研究，这样就需要采用仿真的方法，用模型代替真实系统 进行实验和研究p 】。目前在所有大中专院校电力类专业所开设的课程中都将电机 学及电力系统及其自动化等课程列为必修课程，通过对这些课程的学习，使 每一个学生在发电机及其调节系统的构成原理和基本运行特性方面有了基本的理 性认识。教学实验能够培养学生的创新能力和实践能力，由于受扩招和实验经费的 影响，用电动发电机代替实际的发电机组的动态模拟系统和采用先进的数字仿 真技术研制而成的大型电力系统仿真实验系统很难在广大电力院校中的实验教学 中普及。本课题所提出的发电机仿真器正是一种新型的适合实验室实际情况且廉价 实用的发电机及其调节系统实验教学设备【6 】。 本仿真器在科研方面也有着良好的应用前景，可以满足对新开发的调速器和励 磁调节器做闭环实验，为其提供初步实验的环境：也可以在用仿真软件之后，为分 析结果提供实验检测工具。 1 。3 发电机仿真的现状与分析 目前对发电机的仿真主要是在动态模拟实验室中进行的动态模拟和在m a t l a b 中进行的数学仿真。 动态模拟系统应能完整地将动力环节、机电能量转换、能量传输各环节有机结 合起来，以模拟电力系统的发、输、变电运行全过程【1 1 。以武汉大学正在建设中的 电力系统动态模拟实验室为例 7 1 ，模拟发电机组与机组原动机控制系统以3 0 k w 、 华北电力大学硕士学位论文 1 5 k w 、5 k w 的同步发电机为模拟发电机，原动机部分能完整的模拟水轮机组的启动 特性、调速特性与控制特性，能满足模拟水锤效应等特性，实现启动、空载、负载、 功率分配与调节的运行和控制。发电机励磁自动控制系统为实际系统，励磁功率与 发电机配套，并满足手自动、强励、强减、灭磁、响应速度、单机运行、并列运 行、无功功率分配及实现恒无功，恒功率因数等的运行要求。通过设置，可针对系 统静态和动态稳定性进行可观测的实时控制。文献 8 以微机为核心，利用可控整流 技术和直流电机实现了原动机及其调速系统的动态模拟该模拟系统的直流电机电源采 用以集成触发模块为核心的移相触发技术实现控制。文献【9 】介绍了改进后的分散非线 性励磁控制规律，基于d s p 的控制器电路设计和相关的软件算法以及动模试验情况。 在m a t l a b 中可以很方便的建立发电机及其控制系统的数学模型，仿真功能 非常强大。文献 1 0 分析了双馈发电机交流励磁变速恒频发电运行原理，给出了 双馈发电机矢量控制模型，通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真，证明了可实现系统输出有 功功率、无功功率的独立解耦控制。文献 1 1 在仿真平台s i m u l i n k 上利用p s b 进 行了励磁自动控制系统的设计和仿真、发电机并网的分析和动态过程仿真。文献 1 2 j 通过深入研究m a t l a b 中电力系统模块集( p s b ) ，特别是在同步电机模型的建模原 理和工作机理的前提下，把以仿真信号形式输入的励磁电压改为以功率形式输入的 励磁电源，以及把机械功率输入改为转速输入，得到了适于转速给定同步电机仿真 的新模型，该模型具有与实际同步电机相似的励磁绕组输入端口和三相绕组输出端 口，非常逼真地模拟了实际同步电机，利用新模型对带整流负载同步发电机进行了 建模和仿真分析。 采用动模机组的优点是有很强的真实感和灵活性，能模拟真实系统进行多种实 验。但毕竟只有少数科研机构和高校拥有动模实验室，一方面由于实验设备价格昂 贵，新开发的调速系统和励磁调节系统因为不允许破坏性使用实验设备而无法进行 验证；另一方面即使少数高校有这种条件，由于电动发电机组占地多，噪声大， 附属设备多，安全性差的缺点，学生也很少有动手操作的机会【6 】。而运用各种仿真 软件虽然具有强大的仿真功能，但仿真结果是在理想状态下得出的，并没有考虑到 实际环境中的各种干扰因素；同时用软件进行数学仿真不能提供实际的电压、电流 等物理量的输入和输出，因此无法进行实际的物理特性的实验，也无法和相关设备 进行实际的连接，对新设计的样机或半成品进行性能整定参数或改进设计方案的实 验。 1 4 本仿真器的总体设计方案 1 4 1 发电机控制系统简介 发电机控制系统主要包括同步发电机，励磁调节系统和调速系统三个部分【1 3 】。 4 华北电力大学硕士学位论文 其中，同步发电机是电能产生转换的机构，它的输入控制量有两个：动力元素和 励磁电流，输出发电机电压和频率。这两个可控输入量与系统频率和发电机电压有 关，又励磁调节系统和调速系统来进行控制。同步发电机的物理过程比较复杂，既 有机械运动过程又有电磁暂态过程，并且包含的变量较多，只能根据某种目的、按 照某种要求来建立相应的数学模型。当同步发电机运行时，原动机拖动转子旋转， 转子励磁绕组中通入的直流电在汽隙中产生一个旋转磁场，此磁场切割定子上的电 枢绕组感应出相位差为1 2 0 。的三相交流电势e a ，从而完成机电能量的转换过程。 发电机空载电势e 。是励磁电流i 搿的函数。电力系统在正常运行时，励磁电流的变 化将影响电网的电压水平和并联运行机组间的无功功率分配。当系统发生故障的时 候，希望迅速增加励磁电流，以维持电网的电压水平和稳定性。因此，对发电机励 磁电流进行控制的励磁调节系统对于保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电 力系统的可靠性方面起着十分重要的作用。 除电压外，频率是电能质量的另一重要标志。在稳态条件下，电力系统的频率 是一个全系统一致的运行参数，它与发电机的转速之间保持一定的关系。由于电力 系统的负荷是不断变化的，当负荷功率与原动机输入功率之间失去平衡时，将使机 组的转速发生变化，电网频率产生波动。这时，控制系统必须调节机组出力，以保 证电网频率偏移在允许范围之内( 一般允许偏差不得超过0 2 h z ) 。因此，进行频 率控制的调速系统对于整个电网的安全和经济运行都起着十分重要的作用。 1 4 2 发电机仿真器的设计方案 a ) 发电机仿真器的功能示意图 b ) 仿真方法 图1 1发电机仿真器功能示意图 叫一 节关 一瀚 一 调开 一喊 一 磁换 一手 一 燃l | | i 华北电力大学硕士学位论文 为了获得逼真的仿真效果，我们在发电机仿真器的设计方案中采用物理模拟和 数学仿真相结合的方法。自动励磁调节器和发电机等效同步电抗采用物理模型来实 现，由硬件电路来完成。励磁系统和调速系统根据所建立的数学模型由电子电路来 实现控制过程的仿真。 c )功能设置 当装置使用时，可实现以下几个功能： ( 1 ) 模拟实际发电机输出a 、b 、c 三相幅值可调、频率可调、相位差为1 2 0 度并有一定驱动能力的正弦电压。 ( 2 ) 可以实现发电机端电压和频率的手动调节。 ( 3 ) 能够反映出定子电流的无功分量i 。变化对机端电压u o 的影响。 ( 4 ) 能够反映出转子转速变化对u o 的影响。 ( 5 ) 能够反映出有功电流i 。变化对发电机频率的影响。 1 5 本课题的主要工作 在近一年来的毕业设计过程中，本文作者主要做了以下工作： 一、熟悉发电机及其调节系统的功能特性，确定仿真器的总体设计方案。 二、根据仿真的发电机特性建立发电机及其调节系统的数学模型，对其进行化 简并在m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真。 三、完成原理电路的设计并在m u l t i s i m 中进行仿真验证。 四、进行硬件的设计及布板。 五、完成样机的调试。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章发电机的运行特性及仿真模型的建立 研制发电机仿真器，在实验室里对电力系统中的发电机及其调节系统与运行特 性进行模拟，首先应该分析发电机的主要特性并建立起反映其静态与动态特性的数 学表达式，即数学模型，它是我们设计发电机仿真器的主要依据。 2 1 发电机的主要运行特性 2 1 1 外特性 外特性f 9 1 表示发电机的转速保持为同步转速，励磁电流f l 和负载的功率因数c o s 不变时，发电机的端电压u 与负载电流i 之间的关系，即 n = 1 1 1 ，驴= 常数，c o s ( o = 常数时，u 2 贝i ) 外特性即可用直接负载法测出，也可用作图法间接求出。 图2 - 1不同功率因数时发电机的外特性 图2 - 1 表示不同功率因数时同步发电机的外特性。可以看出，在感性和纯阻性 负载时，发电机的外特性是下降的，因为这两种情况下的电枢反映均为去磁作用， 此时定子电阻压降和漏抗压降也引起一定的电压下降。容性负载时，外特性则可能 是上升的。下文将在不考虑饱和时对发电机外特性作简要分析( 只分析去磁作用的 情况) 。 图2 - 2 发电机稳定运行图 ( a ) 原理图；( b ) 等值电路图；( c ) 向量图 7 降一 华北电力大学硕士学位论文 由发电机运行原理图得到其等值电路，可用图2 2 说明发电机单机带负荷运行 时，励磁控制系统的电压调节作用【13 1 。 图2 2 ( a ) 中f l o 是发电机励磁线圈，u g 和i g 分别为发电机定子电压和电流。 在正常情况下，流经f l 0 的励磁电流i l 在同步发电机内建立磁场，使定子绕组产生 空载感应电势e q ；改变i l 的大小，就可使e q 发生相应变化。图2 2 ( b ) 是发电机 稳态运行的等值电路图，其相间关系用数学表达式表达为 e q = u g + j l g x d ( 2 一1 ) 式中x d 一一发电机的直轴电抗。 图2 2 ( c ) 是发电机的向量图，8 为e a 和u g 之间的夹角，即发电机的功率角； i q 和i p 分别是发电机的无功和有功电流分量；妒为发电机的功率因数角。根据图中 所示向量关系，可以得出 e q c o s 6 = u g + i q x d 【2 - 2 ) 一般8 的值很小，可近似地认为c o s8 1 ，于是式( 2 - 2 ) 可简化为 e q | u g + i q x d ( 2 3 ) u g “e q i q x d ( 2 4 ) 式( 2 - 4 ) 中e q 和发电机励磁电流i l 成正比。式( 2 - 4 ) 说明，当i l 不变时，i q 变化将引起u g 变化，即发电机单机带负荷运行时，电压变化主要是又定子电流的 无功分量i q 的变化引起的。式( 2 - 4 ) 还说明，如果发电机无功电流i q 不变，改变 i l 可以改变e 。，进而可以改变u g ，或使u g 保持恒定，即发电机单机运行时，调节 励磁电流可以改变发电机电压。 u 1 o 0 图2 3 有自动励磁调节器时的发电机外特性 由以上分析可知，无功负荷的增大导致了电网电压水平的下降，这对电力系统 的稳定水平将造成不利影响。为了维持电力系统的电压水平基本保持在允许的范围 内( 5 ) ，要求对所有的发电机配备自动励磁调节系统。配有自动励磁调节装置的 华北电力大学硕士学位论文 发电机的外特性如图2 3 所示( 其中的虚线为无励磁调节装置的外特性) 。显而易 见，发电机配有自动励磁调节系统后，其外特性有显著改善( 曲线1 ) ，同时通过对 自动励磁调节系统的调节，不仅可改变外特性的斜率( 曲线2 ) ，而且可以对外特性 进行上下平移( 曲线3 ) ，以实现对发电机输出电压和无功功率的调节。 2 1 2 功频特性 发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。因此，发电机组功率一 一频率特性取决于调速系统特性。当系统的负荷变化引起频率改变时，发电机组调 速系统工作，改变原动机进汽量( 或进水量) ，调节发电机的输入功率以适应负荷 的需要。通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的 功率频率特性或调节特性【15 1 。 为了便于说明问题，先讨论发电机组假定未配置调速器的功率频率特性。 发电机组转矩方程近似表示为 m g 。= a 一占钆 ( 2 - 5 ) 故功率方程为 尼。= c l 矾一c 2 c o 2 ( 2 - 6 ) 或 圪。= c l 工一c 2 工2 ( 2 - 7 ) 式中a 、b 、c l 、和c 1 、c 2 均为常数，通常c 1 = 2 c 2 。 式( 2 - 6 ) 和式( 2 - 7 ) 可用图2 4 所示的曲线来表示。由图可知，输出功率最大 值是在额定条件下，即转速和转矩都为额定值时出现。 1 0 o 图2 - 4 未配调速器的 发电机组功频特性 9 图2 5 配有调速器的 发电机组功频特性 ： 1溯， 除 华北电力大学硕士学位论文 当发电机组配有调速系统后，情况就发生了变化。由于调速器的作用，随着转 速的变动而不断地改变进汽( 或进水) 量，使原动机的运行点不断地从一根静态特 性向另一根静态特性过渡，如图2 5 所示，即由a i 到a ”到a 等，连接这些不同 曲线上的运行点a 、a “、a 所成的曲线( 图中的虚线) 即为有调速器时的静态 功率频率特性。一般近似地以直线段1 2 3 睐代替线段1 2 3 。其中2 3 之所以 下降是由于原动机的进汽( 或进水) 量已达到最大值，调速器己不能发挥作用，以 致频率( 或转速) 进一步下降时，运行点只能沿对应于最大进汽量的频率特性移动。 当发电机稳定运行时，忽略其内部损耗，那么机组的输入和输出处于平衡，既 p t = p f 。如果这时负荷突然增加a p l ，由于机械惯性输入功率来不及作出反应，p t p 一p l ，即输入功率小于负荷要求的电功率，为了保持功率平衡，机组只有把转子 的一部分动能转化为电能，致使机组转速降低，系统频率下降。 电力系统频率的变化对工业设备的生产频率及发电厂间的负荷分配都有直接影 响，还将影响电网的安全、经济运行。因此维持电力系统频率在额定值运行比维持 电压恒定的要求更为严格。当输入功率与负荷失去平衡而使频率偏离额定值时，控 制系统必须调节机组出力，以保证电力系统的频率偏移在允许范围内( 一般允许偏 差不超过0 2 h z ) 。 j 矗 兀 j t 尼 e o ，厶 吃( 图2 - 6 电力系统一次调频和二次调频过程 调节频率( 发电机转速) 的基本方法是改变单位时间内进入原动机的动力元素 ( 蒸汽或水) 。发电机转速的调整是通过原动机的调速系统实现的，调速器的调节 称为次调节。当频率下降太大偏离允许值时，需由运行人员手动调节或由自动调 频装置自动操作调速器的整定机构，使功频特性曲线上移，从而使频率上升，恢复 到额定值，这种调节称为二次调节。上述两种调节方式下发电机的功频特性如图2 - 6 所示【1 3 1 。 改变调速器的频率给定值，实际上就是改变机组空载运行的频率。例如，增加 1 0 华北电力大学硕士学位论文 频率给定值，则图2 - 6 中的空载频率( 对应于p & 0 时的频率) 就会升高，设由而 增加到了n 。由于没有改变调差系统的整定值，机组调速系统的静态调节特性曲线 的斜率不会改变。这样，增加调速器中的频率给定值就使机组静态调节特性向上平 移了。在图2 6 中，由曲线p g 向上平移到了p o 。同理，当减小调速器中 频率给定值时，会使机组的静态调节特性向下平移。通过改变频率给定值可以保持 系统频率不变或者较少变化。如图2 6 所示，当负荷功率由尼调回到五，从而使系 统频率保持不变。通过二次调节，系统负荷的变化p l 就完全由等效机组输入功率 的增加承担了，即 m 1 a p l 。p g d 嘞2 善 ( 2 - 8 ) v ：0 一 j 2 2 发电机控制系统仿真模型 发电厂中发电机的工作工程是一个能量转换的连续过程，因此，反映发电机工 作过程的仿真系统是一个连续系统。描述连续系统动态特性的数学模型通常是一组 高阶微分方程。但是，表示一个系统的数学模型的形式并不是唯一的，可以用不同 的数学方法，传递函数模型和复变函数模型的应用也是很普遍的，本发电机仿真装 置所采用的数学模型为传递函数模型。 同步发电机的物理过程比较复杂，既有机械运动过程，又有电磁暂态过程，并 且包含的变量众多，因而难以建立一个全面而又统一的数学模型，只能根据某种目 的、按照某种要求，来建立相应的数学模型。为了仿真发电机控制系统的主要运行 和调节特性，我们建立了发电机单机运行时励磁系统和调速系统的数学模型。 从控制理论的角度来看，发电机是一个非线性的多输入多输出系统。影响发电 机输出电压的主要因素成为励磁系统的输入和无功负荷的输出，同时定子绕组转速 变化对旋转电势也有一定的影响：影响发电机输出频率的主要因素成为调速系统的 输入和有功负荷的输出。无功负荷和有功负荷的变化分别体现在无功电流和有功电 流的变化上。综合前面的分析，数学模型的建立将以对它们的研究为重点。以也 和毋分别表示励磁系统和调速系统的输入，i p 和i q 分别表示有功和无功电流，a c o 表示转速的变化( = ( o 。，为实际转速，。，为额定转速) ，u 和f 分别表示 发电机电压和频率的输出，则各输入和输出之间存在祸合关系： ，、 u = a 【心，a wj i ：、 ( 2 - 9 ) f = 正i r f ，j p ) i 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 励磁系统数学模型 通常，励磁系统包括同步发电机、励磁机和自动励磁调节器。带自动励磁调节 器的闭环调节并不是本装置的仿真重点，故装置中没有包括其物理模型。 典型的直流励磁机传递函数形式f ”1 为： 哪) 2 端2 而1 ( 2 - 1 0 ) 其中l i e e 励磁绕组的输入电压 r u 一一励磁机电压 s e 饱和系数 所以，他励直流励磁机的传递函数框图如图2 7 ( a ) 所示。在图2 7 中还考虑 了励磁机端电压u e 与其所对应的同步发电机励磁电动势e d 。的换算关系。图2 - 7 ( b ) 是其规格化后的框图。 图2 7 直流励磁机传递函数 ( a ) 直流励磁机的传递函数框图；( b ) 直流励磁机规格化框图 要仔细分析同步发电机的传递函数是相当复杂的，但如果只研究发电机空载时 励磁控制系统的有关性能，则可对发电机的数学描述进行简化。发电机的传递函数 可以用一阶滞后环节来表示。 用k g 表示发电机的放大倍数，t 。d o 表示其时间常数，若忽略饱和现象，则得同 步发电机的传递函数为 g g ( j ) 。雨k 万g ( 2 1 1 ) 由前所述，如果励磁机采用图2 7 ( b ) 的框图，忽略励磁机的饱和特性和放大 器的饱和限制，可以得到励磁系统传递函数框图如图2 8 ( a ) ，与发电机的时间常 数相比，励磁机时间常数很小，若忽略不记，不会影响励磁调节的主要过程。简化 后的励磁系统的数学模型见图2 8 ( b ) ，其中 华北电力大学硕士学位论文 局老 巧= 号铲 ( 2 1 2 ) x 五产口铲x 玉蹦y f r x di q - x d l 。i 里动竺竺坠 i 。二：i ( n ) 岖癣j ( 6 ) 图2 - 8 励磁系统传递函数框图 ( a ) 简化前：( b ) 简化后 2 2 ，2 调速系统数学模型 发电机输出频率及有功功率的调节，主要由调速器、原动机、发电机和负荷等 单元共同完成，它们的数学模型一般在二阶或二阶以上，为了获得既能反映主要物 理特性、又易于电子电路实现的简化数学模型，同样需要对这些数学模型进行简化。 1 、调速器 调速器通常分为机械液压调速器和电气液压调速器两类，由测量、放大、执行 等环节组成，但无论是哪一种调速器，。其作用都是根据频率变化控制进入原动机的 动力元素。当电力系统负荷发生变化引起频率变化时，系统内并联运行机组的调速 器会根据电力系统频率变化自动调节进入它所控制的原动机的动力元素，改变输入 原动机的功率，使系统频率维持在某一值运行，这就是电力系统频率的次调整， 也称为一次调频。用手动或通过自动装置改变调速嚣的频率( 或功率) 给定值，调 节进入原动机的动力元素来维持电力系统频率的调节方法，称为电力系统频率的二 次调节，也称为二次调频【l3 1 。调速器的传递函数框图如下 田+ 竺( t l r 1 ( s ) 图2 - 9 调速器传递函数模型 图中：t n 为调速机构的时间常数，通常为o 1 s ：k n 为调速器静态增益，r 为调 1 3 华北电力大学硕士学位论文 差系数；母例是调频信号输入；x ( s ) 为汽门开度增量；a f ( s ) 为电力系统频率增 量。本仿真器不包含频率的反馈。 2 、原动机 调速器根据转速变化控制进入原动机的动力元素，下面进一步讨论原动机的传 递函数。 对于汽轮机来说，汽阀位置的改变将导致进汽量的改变，使汽轮机的功率增加 a p t 。由于在调节汽门和第一级喷嘴之间有一定空间存在，当汽门开启或关闭时， 进入汽门的蒸汽量虽有改变，但这个空间的压力却不能立即改变，这就形成了机械 功率滞后于汽门开度的现象，我们称之为汽容影响。汽容影响在数学上可以用一个 一阶惯性环节来模拟： 唧( s ) 2 志 2 1 3 ) 其中：t t 为原动机的汽容时间常数，通常为0 2 0 3 s k t 为原动机的静态增益 上式是最简单的气轮机传递函数，对于再热式气轮机，还要考虑再热段充汽时 延，其传递函数为： 啪) = 勰 ( 2 1 4 ) 其中，k ，为再热时间常数，一般在l o s 左右，t ，为再热系数，它大致等于0 2 0 3 倍汽机总功率。 对于水轮机，则要考虑水锤效应的影响。其传递函数为： 哪) 2 击 协 其中，l 为水锤效应时间常数。 比较以上原动机的数学模型，我们选择了无再热式汽轮机的数学模型，此模型 既简便易行，又能反映原动机的基本特性。 3 、发电机的数学模型 假设发电机所带负荷突然有一p l 的增量，由于调速器的作用，系统频率变化 a f ，发电机输入功率相应变化a p t a p l 不等于a p t ，它们之间的差额由发电机动 能提供的功率增量和负荷的频率调节效应所引起的负荷功率变化共同负担，即 罅一屹= 警城可 ( 2 - 1 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 舯动能= ( 丢 2 这里我们只考虑装置所带负荷为纯阻性符合，既k l = 0 ，于是得到发电机的数学 模型为： 郇( s ) = 而k p ( ：- 1 7 ) 其中t 。为发电机的时间常数。 4 、单机带负载运行调节框图 在求出调速器、原动机和发电机的数学模型后， 节框图如图2 1 0 ( a ) 所示。 厂1 厂一一一l 习+ 一一一一i 便得到了单机带负荷系统的调 r ， = 图2 1 0 调速系统传递函数框图 ( a ) 简化前；( b ) 简化后 与发电机的时间常数相比，调速器和原动机的时间除数很小，若忽略不计，不 会影响频率调节的主要过程。于是，简化后的调速系统的数学模型见图2 - 6 。 舯 筹舞 协 最后得到的调速系统的传递函数可以看出：发电机输出频率的变化主要与两个 因素有关，即有功负荷的变化和给定频率的变化。这一结论与系统的实际情况是相 符的。同时，由于最后得到的是简化后的发电机控制系统的模型，因此这种方法 不能对故障情况下的暂态过程进行仿真。 2 3 在m a t l a b s i m u lin k 下对数学模型的仿真 2 3 1s i m u iin k 简介 s i m u l i n k 是一种用来实现计算机仿真的软件工具【16 1 。它是m a t l a b 的一个附 加组件，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。s i m u l i n k 是用模块组合 华北电力大学硕士学位论文 的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统地计算机模型的，特别对于复杂的 非线性系统，它的效果更为明显。 s i m u l i n k 模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或者两者的混合系统， 也就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。另外，s i m u l i n k 还提供一套 图形动画的处理方法，使用户可以方便地观察到仿真的整个过程。 同m a t l a b 一样，s i m u l i n k 也不是封闭的，它允许用户可以很方便地定制自 己地模型和模块库。同时s i m u l i n k 也同样有比较完整地帮助系统，使用户可以随 时找到对应模块地说明，便于应用。 综上所述，s i m u l i n k 是种开放性的，用来模拟线性或非线性的以及连续或者 离散的或者两者混合的动态系统的强有力的系统级仿真工具。 2 3 2 在s i m u ji n k 下进行数学模型的仿真 在s i m u l i n k 环境下对系统进行仿真，首先要得到系统的传递函数，得到系统 的传递函数后就可以根据系统的传递函数的形式在s i m u l i n k 下建立一个新的 m d l 文件。打开各个模块库，将相应的模块拖入所建立的文件，修改其参数，再 从源模块中拖拽一个输入到模型，并从输出模块中将s c o p e ( 示波器) 拖入文件， 选择好使用的算法及需仿真的时间就可以开始仿真，从示波器上可以看到各种所需 的波形。 通过仿真的结果我们可以看到，前面所建立的数学模型较好的反应了励磁系统 和调速系统的主要特性，并且简化前后的差别不大。 图2 1 1 数学模型在s i m u l i n k 环境下的仿真波形 ( a ) 励磁系统仿真波形，吃= 0 6 9 s ，乃o = 8 1 3 8 s ，如= = l p u ( b ) 调速系统仿真波形，霸= o 2 5 s ，耳= o 2 5 s ，昂= 1 5 s ，k n = 岛= = l p u 1 6 堡韭皇查查堂亟主兰焦迨塞 第三章发电机仿真器原理电路的设计与仿真 本文中所设计发电机仿真器对发电机的以上特性进行模拟，主要由三相正弦电 压生成电路、等效励磁绕组、调速系统、有功电流变换电路和无功电流变换电路组 成，其原理框图如图3 - 1 所示。 图3 - i 发电机仿真器原理图 本章对各部分的原理电路进行了设计，并在g u l t i s i m 中进行了仿真。m u l t i s i m 也叫e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ，是n i 公司的一个电路仿真系列软件【l ”。这个系列经 历了e w b5 0 、m u l t i s i m2 0 0 1 、m u l t i s i m7 、m u l t i s i m8 的升级过程。e w b5 0 相 对其他e d a 软件而言，是个较小巧的软件，只有1 6 m b ；功能也比较单一，就是进行 模拟电路和数字电路的混合仿真；但它的仿真功能非常强大，可以几乎1 0 0 地仿真 出真实电路的结果，而且在其桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、 逻辑分析仪、数字信号发生器和逻辑转换器等工具，其器件库中包含了许多大公司 的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由 外部模块导入。在众多的电路仿真软件中，e w b 是最容易上手的，其工作界面也非 常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以熟 练的使用该软件。对于电子设计工作者来说，e w b 是个极好的e d a 工具，许多电路 无须动用烙铁就可得知其结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，也只需要 点击即可。e w b 可以作为电学知识的辅助教学软件，利用它可以直接从屏幕上看到 各种电路的输出波形。e w b 的兼容性也很好，其文件格式可以导出成能被o r c a d 或 者p r o t e l 读取的格式，由于e w b 所占硬盘空间小，而且直接复制到别的机器上就 可以使用，在国内它正以及快的速度在电子设计领域普及。目前，在n i 公司的e w b 华北电力大学硕士学位论文 系列软件中，m u l t i s i m8 是最高的版本，功能较以前的版本有很大提高。在仿真器 的研制过程中，我们主要使用m u l t i s i m8 来对电路进行仿真。 3 1 三相正弦电压生成模块及仿真 本装置通过对阶梯电压进行滤波形成正弦电压，其原理图见图3 2 。其工作原 理为：由电阻串联网络对一电压u 进行分级产生n 级电压，用多路电子开关按照一 定的顺序接通各级电压产生阶梯电压。a 、b 、c 三相电路中电子开关由一计数器控 制，各相接通n 级电压的顺序不同从而实现1 2 0 0 相位差。通过改变电压u 的大小可 以实现正弦电压的幅值调节：改变电子开关的通断频率可以实现正弦电压的频率调 节。 图3 2 三相正弦电压生成模块原理图 本装置技术要求： 输出三相正弦电压，相位相差1 2 0 。 幅值及频率可调，调节精度为0 5 v ，0 o i h z 具有一定的驱动能力 3 1 1 阶梯波的形成方法 一、阶梯波的选择 所谓阶梯波的选择就是阶梯波级数n 和各级电压值的确定，应遵循以下原则： ( 1 ) 尽量减小谐波分量 ( 2 ) 硬件尽量简单 采用傅立叶级数展开法【1 8 】对n = 2 ，4 ，6 的阶梯波( 图3 3 ) 进行谐波分析【1 9 】， 结果见表3 - 1 ( u 3 u 1 3 为各次谐波分量与基波分量的幅值比) ： 1 s 华北电力大学硕士学位论文 r2 r i - j q 一 ? ，j 一j 厂 ，i j j 。工 i - | j 薯，。t 图3 3 阶梯波波形图 ( a ) n = 2 ；( b ) n = 4 ；( c ) n = 6 表3 - 1n = 2 ，4 ，6 时阶梯波的谐波分析 nu 3 u 5 u 7u 9u 1 1u 1 3n 1 n 2 2l 31 51 71 9 l l l1 1 3 4ol 5l 疗l 91 1 l 1 t 3l 2 600o01 1 1 1 1 30 2 6 80 5 4 0 由表3 1 可以看出，阶梯波的级数n 去不同值对，其谐波的含量也不同。n 越 大( 小) ，谐波含量越小( 大) ，阶梯波越( 不) 接近正弦波。所以，从减小谐波含 量的角度出发，n 尽量取大值。 阶梯电压由串联电阻对一给定电压分压获得，n 越大，串联电阻越多。n = 2 只 需一个电阻，多路开关的输入通道至少要2 个；n = 4 可用三个电阻串联，多路开关 的输入通道至少要6 个；n = 6 要用5 个电阻串联，多路开关的输入通道至少要1 2 个。 通过上面分析，选择n = 4 可以满足设计要求。 图3 4a 相阶梯电压生成电路图 a 相阶梯电压产生电路如图3 - 4 所示。选用8 路模拟开关a d g 4 0 8 ，由地址线 a 0 、a 1 、a 2 控制前6 路的通断，按一定的顺序接通四级电压v 1 、v 2 、v 3 、v 4 。 f 9 华北电力大学硕士学位论文 a d g 4 0 8 的真值表见表3 2 。在设计中，由于第六路开关接通后第七路开关接通的一 瞬间才清零回到第一路，会产生译码尖峰，我们将第七路开关和第一路接成一样的， 可以有效防止这种现象的出现。 表3 - 2a d g 4 0 8 真值表 a 2a 1a oe no ns v i t c h xxx0n o n e 000l 1 oo1l2 010l 3 011l 4 10ol 5 1o11 6 11017 l1ll 8 图3 - 5 三相阶梯波波形图 b 、c 相电路和a 相的区别是各级电压送入多路开关的顺序不同，以实现三相 的相位差为严格的1 2 0 0 。三相阶梯波波形如图3 5 所示，三相多路开关输出状态见 表3 3 。 表3 - 3a 、b 、c 三相多路开关输出顺序表 c l o c k 节拍1234 56 a 相多路开关输出v lv 2v 1v 3v 4v 3 b 相多路开关输出 v 4v 3v l v 2v 1v 3 c 相多路开关输出v l v 3v 4v 3v 1v 2 一”“ 耋心 订傅一神 ” 华北电力大学硕士学位论文 电子开关的通断由6 循环计数器控制。6 循环计数器的时钟脉冲由v f c 电路和 预分频电路提供。通过改变v f c 的输入电压v i 。实现三相电压频率可调。原理图及 三相电压频率为5 0 h z 时各部分的频率如图3 - 6 所示。 图3 - 6 频率调节与时序控制电路框图 v f c 电路由a d 6 5 4 搭建【2 们，如图3 - 7 所示，其输出频率由v - n 、r 2 和c 共同 决定，其关系为： = 志 t ， 电路如图3 7 所示。 图3 7v f c 电路图 v f c 输出9 6 k h z 的脉冲信号时本装置输出的正弦电压为5 0 h z ，由式3 - 1 我们可 以得到v f c 电路的v i 。为7 2 v 。如果要求频率的调节精度为0 0 1 h z ，则v i 。的调节 精度应至少为o 0 0 1 4 4 v 。 12345o7591 0i l1 21 31 41 51 61 71 b 删几nr nnn 几n 几n c 户 r r n 几几nn 几 舰 厂 1234567s91 0i i1 21 31 41 501 23 4 厂 厂 n 广 厂 厂 厂 厂 广 广 口厂 厂 广 广 广 c 厂 厂 d 厂 图3 - 84 5 2 0 时序图 ：2 1 华北电力大学硕士学位论文 计数器由4 5 2 0 构成，其时序图为图3 - 8 ，电路图如图3 - 9 所示： 图3 - 94 5 2 0 电路图 4 5 2 0 中包括两个相同的二进制加法计数器，分为s e c t i o n a 和s e c t i o n b ，在下面 的两种条件下开始计数：( 1 ) c p 为高电平e n 为上升沿；( 2 ) c p 为低电平e n 为 下降沿。用s e c t i o n a 的d 路输出作为s e e t i o n b 的e n 输入，完成对f 。的1 6 分频： 将s e c t i o n b 的b 、c 、d 路输出作为a d g 4 0 8 的a o 、a l 、a 2 输入。要产生我们需要 的阶梯波需要控制a d g 4 0 8 的前6 路开关，数到6 之后s e c t i o n b 必须要清零。从时 序图可以看出，s e c t i o n b 数到7 的时候是c 和d 路第一次同时达到高电平，所有就 有了图3 - 9 中的设计。当s e c t i o n b 的c 和d 同时为高电平时，二极管d 1 、d 2 都截 止，m r 为高电平，s e c t i o n b 清零；当c 和d 有一个为低电平时，m r 都是低电平， s e c t i o n b 处于计数状态。 3 1 2 滤波器设计 一、 技术要求 滤波器的作用是将阶梯波滤为正弦波，对滤波器的要求是f 2 1 】： ( 1 )