同步发电机励磁控制系统动态特性的分析研究毕业论文.doc

摘 要 同步发电机是电力系统的能量提供者 而励磁控制系统是同步发电机的重要组成 部分 它的控制性能的好坏直接影响发电机及电力系统的可靠性和稳定性 本文利用 MATLAB 在 SIMULINK 下对完整励磁系统进行仿真的方式对励磁控制系统进行了研 究并通过分析励磁控制系统的动态特性得出了相关结论 同时 通过故障实验对励磁 控制系统的运行状况有了进一步的研究 本文从同步发电机和励磁控制系统的基本模型入手 通过建立同步发电机完整的 励磁控制系统的仿真模型 研究了关于励磁控制系统的工作原理 并对 PID 控制器 PSS 电力系统稳定器以及限幅环节进行了研究 本文主要针对的是同步发电机的励磁控制系统的动态特性的研究 通过建立完整 励磁控制系统的仿真模型研究分析励磁控制系统在电力系统正常运行和故障运行时的 动态特性 同时 鉴于励磁控制系统仿真的重复性以及操作的复杂性 本文在对励磁 控制系统进行仿真时还引入了 POWERGUI 模块 可以方便地实现对参数的设置与修改 模型的查看和修正 仿真的显示以及相关的辅助操作等 可以极大地简化仿真的操作 过程 提高仿真效率 关键词 同步发电机 励磁控制 MATLAB PID 控制器 PSS ABSTRACT Synchronous generator power is the energy of the system provider and excitation control system is an important part of synchronous generator and its control performance will have a direct impact on generators and power system reliability and stability This paper use of MATLAB in SIMULINK to complete the excitation system under the way of excitation control system and through the analysis of excitation control system dynamic characteristics related conclusions obtained meanwhile through the experiments of excitation control system fault of the status of the have a further study This article from the synchronous generator and excitation control system of the basic model and by establishing a synchronous generator excitation control system of the complete simulation model and the research about excitation control system of the working principle and the PID controller PSS power system stabilizer and amplitude limit links This article mainly aims at the synchronous generator excitation control system dynamic characteristics and by establishing a complete excitation control system simulation model of excitation control system research and analysis in the normal operation of the power system fault and the dynamic characteristic of the operation Meanwhile in view of excitation control system simulation of the complexity of the operation and the repeatability the excitation control system are also introduced the simulation POWERGUI module can be easily realize to the parameter setting and modification of the model and the simulation of the check amended display and related auxiliary operation and so on can greatly simplified simulation of the operating process improve the efficiency of the simulation Keywords Synchronous Generators Excitation Control MATLAB PID Controller The PSS 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 同步发电机励磁控制系统概述 1 1 2 励磁控制的主要作用任务及工作原理 2 1 3 对励磁及其控制的要求 2 1 4 励磁控制系统的发展 3 1 5 同步发电机模型 3 第二章第二章 MATLABMATLAB 仿真工具仿真工具 5 2 1 MATLAB 仿真工具简介 5 2 2 MATLAB 仿真工具特点 5 第三章第三章 励磁控制系统设计及仿真励磁控制系统设计及仿真 7 3 1 励磁系统模型设计 7 3 2 仿真步长算法选择 16 3 3 MATLAB SIMULINK 仿真初值设置 17 3 4 动态特性仿真 17 第四章第四章 总结总结 23 致致 谢谢 24 参考文献参考文献 25 第一章 绪论 1 1 同步发电机励磁控制系统概述 随着电力工业的迅速发展 电力系统的扩大和机组单机容量的增大 对同步发电 机励磁控制就提出了更高的要求 励磁控制系统作为同步发电机的重要组成部分 它 直接影响发电机的运行特性 对电力系统的安全稳定有重要的影响 励磁系统一般由两部分构成 第一部分是励磁功率单元 第二部分是励磁调节器 同步发电机和它的励磁系统所构成的闭环系统称为励磁控制系统 其控制原理示意图 如图 1 1 所示 它是一个典型的反馈控制系统 图 1 1 励磁控制系统原理图 励磁调节器是励磁控制系统的重要组成部分 整个励磁系统动态 静态特性的优 劣 在很大程度上取决于励磁调节器的好坏 它的作用是根据发电机电压及运行工况 的变化 自动地调节励磁功率单元输出的励磁电流的大小 以满足系统运行的要求 励磁功率单元 包括整流装置及其交流电源 它的作用是向发电机的励磁绕组提供直 流励磁电源 励磁方式根据励磁电源的不同可以分为三类 一类是直流励磁机励磁 多用于中 小机组 它实际上是一个直流发电机 它的优点是比较简单 不易受系统影响 调节 比较稳定 但是碳刷 整流子维护麻烦 尤其是冒火问题很难解决 第二类是交流励 磁机励磁方式 其中按功率整流器是静止还是选装的又可以分为交流励磁机静止整流 器励磁方式 有刷 和交流励磁机旋转整流器励磁方式 有刷 两种 多用于容量在 100MW 及以上的汽轮发电机组 第三类是静止励磁方式 其中最具代表性的是自并励 励磁方式 也多用于容量在 100MW 及以上的汽轮发电机组 自并励励磁方式就是从发电机机端电压源取得功率并使用静止可控整流装置的励 磁系统 即电势源静止励磁系统 由励磁变压器 励磁调节装置 功率整流装置 灭 磁装置 起励设备 励磁操作设备等组成 其优点是设备和接线简单 可靠性高 励 磁调节速度快 如采用三相全控整流电路 可以实现逆变灭磁 为简化励磁系统创造 了条件 缺点就是在发电机口发生三相短路时 机端电压及整流电源电压严重下降 即时故障切除时间很短 短路期间励磁电流衰减不大 但在故障切除后机端电压的恢 复需要一定的时间 自并励系统的强励能力有所下降 1 2 励磁控制的主要作用任务及工作原理 励磁控制是一种控制系统 它控制同步发电机发出的电势 所以它不仅控制发电 机的端电压 而且还有控制发电机的功率因数和电流等参数 由于大型机组的这些参 数直接影响系统的运行状态 在某种程度上也可以说 励磁控制也控制着系统的运行 状态 特别是系统的稳定和励磁控制密切相关 励磁控制的作用可归纳如下 1 在系统稳态运行时 要保持发电机在运行中的电压恒定 在并列运行时 可 以调节无功功率的分配 可以提高静稳定极限 同时 可以抑制自励磁 增加充电线 路允许长度 2 在暂态过程中 即在大干扰时 抑制切断负荷时电压的升高 提高暂态稳 定性 励磁控制系统的工作原理也可以归纳如下 1 当发电机正常运行时 其励磁系统供给发电机额定励磁电压 电流 2 当发电机由于某种原因导致其机端电压发生变化时 通过电压检测单元测量 到的信号与给定的参考电压相比较 得出的电压偏差信号也发生相应的变化 再经过 综合放大单元的放大作用 形成控制信号 作用于励磁功率单元 以改变其输出电压 电流 实现对励磁电压 电流的自动调节 达到自动调节发电机电压的目的 1 3 对励磁及其控制的要求 对励磁及其控制的要求主要有两方面 即高度可靠性和快速响应 具体地说 就 是要实现下列要求 1 同步发电机的励磁及其控制应能保证在各种运行状态下的可靠性 其中包括 起励状态 空载状态 负荷状态 强励状态 灭磁状态等 2 在正常工作状态时 电压控制和无功功率控制应能得到很好的响应 并有足 够的调节范围 例如 当负荷从零值变到额定值时 端电压应得到稳定调节 调节精 度应保证在以内 0 5 3 励磁控制系统应能快速动作 在故障状态时应能迅速强励 将励磁电压迅速 上升至顶值电压 即应有大的强励倍数和电压上升速度 强励倍数是指强励时励磁机 最大稳定电压对发电机额定转子电压之比 4 在电磁暂态和机电暂态过程中应有足够的阻尼 以保证有良好的稳定性能 5 故障消除后 电压应能得到很好的恢复 在各种运行状态下 上述各项要求的侧重点是不相同的 如 在负荷波动时 要 求调解性能好 在出现小振荡时 要求稳定性能好 在严重故障时 要求迅速消除故 障 维持暂态稳定 1 4 励磁控制系统的发展 随着电力系统的发展 大型同步发电机的励磁及其控制系统也发生了很大的变化 主要表现在 1 半导体励磁代替了直流励磁机 过去同步发电机都是用与它同轴的直流发电 机提供直流励磁电流 随着单机容量的增大 所需的励磁容量也随着增大 半导体技 术的发展 以及经济运行的需求 就促进了半导体励磁代替了直流励磁机 2 励磁调节器逐步演变为多功能 多变量的控制器 随着电力系统的扩大以及 快速半导体励磁的应用 在系统中出现了很多新问题 例如 系统联络线上出现了持 久的低频振荡 由于线路串联电容引起的次同步振荡 机组轴上的扭动振荡 应用快 速励磁后产生负阻尼等等 应用单输入 单变量的励磁调节器已很难解决上述问题 为了阻尼振荡 扩大稳定范围 就必须应用控制理论和计算机技术将单纯的励磁调节 器演变为多功能 多变量的控制器 3 励磁控制理论的发展 从上世纪 50 年代以来 广大科技工作者就一直致力 于同步发电机励磁控制系统的理论和应用研究 并取得了丰硕的成果 单就励磁控制 理论而言 已从最初的基于经典控制理论的单参量偏差励磁调节发展为多参量偏差 微分 积分综合励磁调节和基于现代控制理论的线性多变量最优励磁控制 非线性最 优励磁控制以及自适应最优励磁控制等等 1 5 同步发电机模型 同步电机作为电力系统的主要元件 电磁暂态和机电互动现象十分丰富 模型的 建立和求解往往决定着仿真的精度和能够反映实际系统动态过程的程度 因此 很多 专家在同步发电机建模方面展开研究并取得多项成果 同步电机是励磁控制系统的控制对象 又和励磁控制系统密切相关系 研究励磁 系统的动态特性 离不开对同步电机动态特性的分析 同步电机的过渡过程比较复杂 通过以坐标系统推导出来的派克 Park 方程作为同步电机的基本方程 求出完整的 d q 动态模型 在某些特定的条件下 可由完整的动态模型得到简化模型 在小干扰情况 下 可以将非线性的完整模型在工作点附近线性化 得出线性化模型 同样 在某些 特定的条件下 还可以求得简化的线性模型 同步电机坐标下的暂态方程称为派克方程 它是一组非线性的微分方程组 0dq 由于三轴之间的解耦以及坐标下的电感参数是常数 因此派克变换及同步电机0dq0aq 的派克方程在实用分析中得到广泛的应用 同步电机具有三个定子绕组 一个转子绕组 两个阻尼绕组 六个绕组间都有磁 的耦合 加上转子位置不断变化 绕组间的耦合又必然是转子的位置函数 要正确反 映上述情况就需要七个非线性微分方程 由同步电机在轴的Park微分方程组出发 电压和磁链方程 以标幺值形式 如下 d q 所示 电压方程 定子绕组 1 ddqd Upriw Y Y 1 1 q p qdq UriwY Y 2 励磁绕组 1 ffff Ui rp Y 3 阻尼绕组 1 111 0 ddd r ip Y 4 1 111 0 qqq r ip Y 5 磁链方程 定子绕组 1 1dd dad fadd X iX iX iY 6 1 1qq qaqq X iX iY 7 励磁绕组 1 1fad dffadd X iX iX iY 8 阻尼绕组 1 111dad dad fdd X iX iX iY 9 1 111qaq qqq X iX iY 10 其中 式中各物理量的定义为 为负载电流轴分量 为负 pddtwqq d id q i 载电流轴分量 为励磁电流 为机端电压轴分量 为机端电压轴分量 q f i d Ud q Uq 为励磁绕组电压 为励磁绕组电阻 为直轴阻尼绕组电流 为交轴阻尼绕组 f U f r 1d i 1q i 电流 为直轴电抗 为直轴反应电抗 为交轴电抗 为交轴反应电抗 d X ad X q X aq X 为直轴阻尼绕组电抗 为直轴阻尼绕组电阻 为交轴阻尼绕组电抗 1d X 1d X 1q X 1q X 交轴阻尼绕组电阻 为直轴磁链 为交轴磁链 为励磁绕组磁链 为直轴 d Y q Y f Y 1d Y 阻尼绕组磁链 为交轴阻尼绕组磁链 1q Y 若采用功率不变的坐标变换 并取定子额定相电压有效值和额定电流有效值作为 定子电压和电流的基值 它等于以单相额定功率为基准的电磁转矩标么值的l 3 则 以三相额定功率为基准的电磁转矩标么值方程为 1 ed dq q Tiiyy 11 转子运动方程是同步发电机的又一个基本方程 它是按牛顿运动定律对转子系统 的动态描述 全部用标么值表示的转子运动方程为 1 jmed d TTTT dt w 12 式中为机械转矩 为阻尼转矩 为阻尼系数 为同步电机转子惯性时 m T d TDw D j T 间常数 此外 还有一个运动方程是功角和转子电角速度之间的关系应满足下式 dw 1 1 d dt d w 13 式 1 1 1 13 就组成了同步电机的标准数学模型 第二章 MATLAB仿真工具 2 1 MATLAB 仿真工具简介 本文的研究是通过MATLAB仿真实现的 因此有必要对其发展及其特点进行扼要 表述 MATLAB是矩阵实验室 Matrix Laboratory 之意 现已成为当今国际上科学界 尤 其是自动控制领域 最具影响力 也是最有活力的软件 除具备卓越的数值计算能力外 它还提供了专业水平的符号计算 文字处理 可视化建模仿真和实时控制 灵活的程 序设计流程 高质量的图形可视化与界面设计 便捷的与其他程序和语言接口的功能 等功能 MATLAB进行数值计算的基本单位是复数数组 或称阵列 这使得MATLAB高 度 向量化 经过十几年的完善和扩充 现已发展成为线性代数课程的标准工具 由于它不需定义数组的维数 并给出矩阵函数 特殊矩阵专门的库函数 使之在求解 诸如信号处理 建模 系统识别 控制 优化等领域的问题时 显得大为简捷 高效 方便 这是其它高级语言所不能比拟的 MATLAB语言由美国The Math Works开发 2003年推出了其全新的MATLAB 6 5 1正式版 目前最新版本Release 14 MATLAB 7 O 的Service Pack l 2004年9月正式推出 本文的研究是基于MATLA6 5 SIMULINK 基础上的 2 2 MATLAB仿真工具特点 MATLAB用符合人们思维习惯的代码 代替了C和FORTRAN语言的冗长代码 并 且提供给用户最直观 最简洁的程序开发环境 MATLAB的主要特点如下 1 语言简洁紧凑 使用方便灵活 库函数极其丰富 MATLAB程序书写形式自由 利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务 压缩了一切不必要的编程工作 由 于库函数都由本领域的专家编写 用户不必担心函数的可靠性 可以说 用MATLAB进 行科技开发是站在专家的肩膀上 2 运算符丰富 由于MATLAB是用C语言编写的 MATLAB提供了和C语言几乎 一样多的运算符 灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短 3 MATLAB既具有结构化的控制语句 如for循环 while循环 break语句和if语句 又有面向对象编程的特性 并且程序限制不严格 程序设计自由度大 4 程序的可移植性很好 基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统 上运行 5 MATLAB 5 3以后的版本中增加了图形界面编辑GUI 这可让使用者也可以像 VB VC DELPHI等程序那样进行一般的可视化的程序界面编辑 6 MATLAB的图形功能十分强大 在FORTRAN和C语言里 绘图都很不容易 但在MATLAB里 数据的可视化非常简单 7 MATLAB的缺点是 它和其他高级语言相比 程序的执行速度比较慢 由于 MATLAB的程序不用编译等预处理 也不生成可执行文件 程序为解释执行 所以速 度较慢 8 功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色 MATLAB包含两个部分 核心部 分和各种可选的工具箱 核心部分中有数百个核心内部函数 其工具箱又分为两类 功能性工具箱和学科性工具箱 功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能 图示建 模仿真功能 文字处理功能以及与硬件实时交互功能 功能性工具箱用于多种学科 而学科性工具箱是专业性比较强的 这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家 编写的 所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序 而直接进行高 精 尖的研 究 9 源程序的开放性 开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点 除内部函数以 外 所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件 用户可通过对源 文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱 第三章 励磁控制系统设计及仿真 3 1 励磁系统模型设计 在研究励磁系统仿真模型时 通常采用单机 无穷大系统来进行 本文对图3 1所 示的系统进行了建模与仿真研究 该仿真系统由发电机 变压器 双回输电线路 厂 用电负荷和无穷大系统组成 其中输电线路为110kV线路 其实名制下的参数为 0 1W 0 01H 无穷大系统由12000MVA系统电源和一个500MVA的系统复合而成 图3 1 单机 无穷大系统图 标幺制 3 1 1 PID控制器 PID控制理论是励磁控制系统中一种很重要的控制理论 这种理论是按偏差的比例 积分 微分控制简称PID控制 PID控制是过程控制中应用最广泛的一种控制规律 图3 2 模拟PID控制系统原理图 如图3 2 PID控制器是一种线性控制器 它通过给定值r t 与实际输出值y t 的偏差 e t 的比例 P 积分 I 和微分 D 的线性组合构成控制量 对被控对象进行控 制 其控制规律为 2 0 1 t D P I T de t u tKe te t dt Tdt 14 或写成传递函数形式 2 1 1 PD I U s G sKT s E sT s 15 式中 为比例增益 与比例带成倒数关系 即 为积分时 P K P Kd1 P Kd I T 间常数 为微分时间常数 u t 为控制量 e t 为偏差 D T PID调节器各参数对控制性能的影响如下 1 0 t V 1 0 e P 厂用电负荷 0 16 t X 0 0826R 0 2595X 无穷大系统 1 比例调节系数对系统性能的影响 对稳态特性的影响 加大比例控制 P K P K 在系统稳定的情况下 可以减小稳定误差 提高控制精度 但加大只减小误差 却 P K 不能完全消除稳态误差 对动态特性的影响 比例控制加大 会使系统的动作灵敏 P K 响应速度快 偏大 振荡次数变多 调节时间加长 当太大时 系统会趋于不 P K P K 稳定 若太小 会使系统的响应缓慢 P K 2 积分时间常数对控制性能的影响 对稳态特性的影响 积分控制能消除系 I T 统的稳态误差 提高控制系统的控制精度 但若太大 积分作用太弱 将不能减小 I T 稳态误差 对动态特性的影响 积分时间常数偏小 积分作用强 振荡次数较多 I T 太大 对系统性能的影响减小 当时间常数合适时 过渡性能比较理想 I T I T 3 微分时间常数对控制性能的影响 微分控制的作用跟偏差信号的变化趋势 D T 有关 通过微分控制能够预测偏差 产生超前的校正作用 可以较好的改善动态特性 如超调量减少 调节时间缩短 允许加大比例控制 使稳态误差减小 提高控制精度 等 但当偏大时 超调量较大 调节时间较长 当偏小时 同样超调量和调节时 D T D T 间也都较大 只有取得合适 才能得到比较满意的效果 D T 通过调节PID的各参数 励磁控制系统应能达到如下控制 1 稳态时有较大的放大倍数 使发电机端电压接近恒定 保证发电机端电压静 差率满足国家标准要求 使系统有较大的静态稳定极限 2 暂态时有较小的放大倍数 以避免超频和振荡 保证发电机间无功分配的稳 定性 本文在对同步发电机励磁控制系统进行仿真时所用的PID如图3 3所示 其系统由 以下功能模块构成 1 Transfer Fcn模块 2 Gain模块 图3 3 PID控制器子系统 Gain模块为该控制器的比例环节 将它的参数设置为40 按照图3 3中所示仿真模 型的参数 将第一个Transfer Fcn模块命名为PID 设置Transfer Fcn模块 在它的 Numerato栏中输入 2 5 1 在它的Denominator栏中输入 2 5 0 将第二个Transfer Fcn模块命名为PID1 将该Transfer Fcn模块的Numerato栏设置为 0 04 1 Denominator栏中输入 0 05 1 选中图3 3中的功能模块 用鼠标右键点击所选中的 功能模块中的任意一个功能模块 在弹出的对话框中点击Creat Subsystem 创建子系统 点击该系统模块的名称Subsystem 将它重新命名为PID环节 3 1 2 PSS电力系统稳定器 电力系统的动态稳定问题 可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题 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的要求是不兼容的 解决这个不兼容性的办法有 1 放弃调压精度要求 减少励磁控制系统的开环增益 这对静态稳定性和暂态稳 定性均有不利的影响 是不可取的 2 电压调节通道中 增加一个动态增益衰减环节 这种方法可以达到既保持电压 调节精度 又可减少电压调压通道的负阻尼作用的两个目的 但是 这个环节使励磁 电压响应比减少 不利于暂态稳定 也是不可取的 3 在励磁控制系统中 增加附加励磁控制通道 解决电压调节精度和动态稳定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咱态稳定和静态稳定的水平 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 又称为附加励磁控制 电力系统稳定器即PSS是使用最广 最简单而有效的附加励磁控制 电力系统稳定 器的输入信号可以取同步电机的电功率 电机的功角 轴速度或它们的组合 在本仿真中的子系统中 引入的是电机转速和电磁功率 它由Gain模块 Saturation模块 Transfer Fcn模块和Sum模块构成 现将其创建方法和分析步骤简述如 下 引入一个Saturation模块 将其Upper limit栏设置为0 将其Low limit栏设置为0 由 于在本仿真中Synchronous Machine功能模块的属性参数没有选择 Simulation saturation 选项的缘故 引入两个Gain模块 将其属性参数分别设置为1和5 引入两个Transfer Fcn模块 将第一个Transfer Fcn模块的Numerator栏设置为 2 0 将它的Denominator栏设置为 2 1 将第二个Transfer Fcn模块的Numerator栏设置为 0 5 0 将它的Denominator栏设置为 0 5 1 引入一个Sum模块 在它的List of signs栏中输入 全部选中图3 4中所示的功能模块 用鼠标右键点击选中的功能模块中的任意一个 功能模块 在弹出的对话框中点击选择Creat Subsystem 创建子系统 点击该子系统 的名称Subsystem 将它重新命名为PSS 图3 4 PSS子系统 3 1 3 限幅环节子系统 为了能够确定限幅次数和每次限幅的幅值以及延时环节的传递函数 在仿真模型 中需要加入限幅环节子系统 该环节在系统正常运行时不参与自动励磁控制 而当发 生非正常运行工况时 限幅环节将起到相应的作用 在励磁控制系统中引入限幅环节对提高励磁控制系统的响应速度 提高电力系统 稳定及保护发电机 变压器 励磁机等设备的安全运行有重要作用 本文也封装了一个专用的限幅环节子系统 它主要包括以下几个功能模块 Gain 模块 Saturation 饱和 模块和Transfer fcn模块 现将其创建方法和分析步骤简述如 下 首先 引入Gain模块 并将其设置为4 接着在Discontinuities模块库中选择Saturation模块 且命名为V Rmax 并将其 Upper limit栏 上限值 设置为10 将其Low limit栏 下限值 设置为 9 引入第一个Sum模块 在它的List of signs栏中输入 引入第二个Saturation模块 并将其Upper limit栏设置为10 将其Low limit栏设置为 9 引入Transfer fcn模块 将其命名为frequency deviation 将它的Numerator栏设置为 0 1 将它的Denominator栏设置为 1 1 1 引入第三个Saturation模块 设置模块名为V ceiling 并将其Upper limit栏设置为 5 将其Low limit栏设置为0 引入第二个Sum模块 在它的List of signs栏中输入 引入第一个Constant模块 将它模块名改为SE 在它的Consrant value栏中输入 2 36 因为要为Sum中加入给定值2 36 引入第一个指数函数模块 需要在Math operation模块库中调用Math Function功能 模块 双击该模块 在弹出的属性对话框中点击它的Function下拉滚动条 选择 Squar 平方 函数 即求取Sum模块输出信号的平方值 引入第二个Gain模块 将其设置为0 75 引入第三个Gain模块 并命名为Proportional gain 将其设置为0 038 图3 5 限幅环节子系统 引入第一个Product模块 在它的Number of Input栏中输入2 全部选中图3 5中的所示的功能模块 用鼠标右键点击所选中的功能模块中的任意 一个功能模块 在弹出的对话框中点击Creat Subsystem 创建子系统 点击该子系统 模块的名称Subsystem 将它重新命名为限幅环节 3 1 4 同步发电机的模型 在 MATALB SIMULINK 库里打开 SimPowerSystems Machines 即可选择需要 的同步电机模型 一般有 PU units 和 SI units 两种 由于标么化系统利于励磁控制系统 的仿真分析 所以本文选用 PU units 模型作为研究对象 同步电机模型如图 3 6 图 3 6 MATLAB 中同步发电机的模型 整个模型被封装成两个输入端口 三个输出端口和一个测量端口 模型中 Pm 和 Vf 分别表示有功功率和励磁电压的输入 A B C 是三相电输出端口 m pu 是对电 机输出参量的测量端口 图 3 7 Synchronous Machine 模块的属性参数 选择该元件 并命名为 Synchronous Machine 1110MVA 24KV 双击元件图标 对 同步发电机的参数进行设置 它的典型参数值如它的电压值 频率值 机组功率值 同步电机的 d 轴电抗值 暂态电抗值 次暂态电抗值 q 轴暂态电抗值 次暂态电抗值 d 轴暂态电抗和次暂态电抗的时间常数值 q 轴次暂态电抗的时间常数值 同步电机的 极对数值 摩擦系数和惯性系数值 如图 3 7 所示 3 1 5 无穷大电网模型 首先 在SimPowerSystems模块库的Source中 选一个3 phase Source功能模块 命 名为12000MVA 110kV 其关键参数的设置方法如图3 8所示 图3 8 3 phase Source模块属性参数 在SimPowerSystems模块库中打开Element模块库 选中3 phase parallel RLC load功 能模块 并将其命名为Load 500MW 其属性参数设置对话框如图3 9所示 它为电阻 性负载 图3 9 Load 500MW的电阻性负载的重要参数 特将3 phase Source模块 名为12000MVA 110kV 与3 phase parallel RLC load模块 名为Load 500MW 封装成一个子系统 命名为无穷大子系统 如图3 10所示 途 中所用连接线选自SimPowerSystems模块库中Connectors模块库的Bus Bar vert 模块 双 击该模块修改其参数 在Number of inputs栏中输入3 在Number of outputs栏中输入1 图3 10 无穷大子系统 3 1 5 输电线路设置 由于输电线路有两段 一段介于3 Phase Breaker模块与无穷大子系统之间 另外一 段介于3 phase Transformer模块与无穷大子系统之间 他们的调用方法和参数设置时一 样的 首先 在SimPowerSystems模块库的Elements中 选3 Phase Series RLC Branch功能 模块 其Resistance 电阻 栏设为1 Inductance 电感 栏设为1e 2 即0 01H W Capacitance 电容 栏设为inf 该模块与接变压器的输出端相接 接着 再复制该模块 它与3 Phase Breaker模块相接 其他类如Scope模块 Constant模块 Step模块 Sum模块的属性 参照图3 15所示 3 1 6 POWERGUI POWERGUI模块 Power graphical user interface 电力图形读者界面 是一种用 于电路和系统分析的图形读者界面 由于该功能模块在励磁控制系统的仿真中相当重 要 因此本节将详细介绍它的使用方法和参数设置 首先 点击SimPowerSystems菜单栏 便可以看到Powergui模块 鼠标右键点击该 模块 选择将该模块添加进项目 双击该模块 弹出该模块的属性参数对话框如图3 11所示 点击Steady State Voltages and Currents选项 弹出它的属性参数窗口 如图3 10所示 将Units栏设置为 Peak values 将Frequency栏设置为50 将Measurements选项打勾 图3 11 Powergui属性参数对话框 图3 12 Powergui模块的稳态电压 电流窗口 点击Initial States Setting选项 在弹出的对话框中选中Set all states to steady state选 项 将Set selected state栏置为371 9 点击Load Flow and Machine Initialization选项 在弹出属性参数窗口 Machines列 表中将显示名为Synchronous Machine 1110MVA 24kV的电动机 将Bus type栏设置为 P V Generator 将Terminal voltage Uab栏置24000 将Active power栏置为1 5e 008 将 Load flow frequency栏置为50 将Load Flow initial condition栏置为Auto Powergui模块的其他属性参数不作改动 就利用它的默认设置参数 3 1 7 其余模块设置 1 在Simulink的SimPowerSystems模块库中 选择Machine中的Machines Measurement Demux项 其中Machine type选项 将选定Ifd Stator voltages Rotor speed Electric power Load angle output active power等六项变量作为测量变量 2 在同步发电机输出端引出一个厂用电负荷 其具体做法是 首先在Simulink 的SimPowerSystems模块库中 打开Elements模块库 选中3 phase parallel RLC Load功 能模块 并将其命名为500MW 其属性参数设置对话框如图3 13所示 3 在Simulink的SimPowerSystems模块库中 打开Elements模块库 选中3 phase Transformer功能模块 并命名为Three phase Transformer 1200MVA 24kV 110kV 分别 设定它的容量 频率 一次绕组和副方绕组电压 电阻和电感参数 变压器的磁化电 阻和磁化升压电抗参数 如图3 14所示 其原方电压为24kV 副方电压为110kV 因为 它为三相升压变压器 图3 14 三相变压器的参数设置窗口 通过以上各模块的设置 就可以建立完整的励磁控制系统了 如图3 15就是本文 在MATLAB中建立的完整的PID PSS励磁控制系统 图3 15 励磁系统Simulink仿真模型 在这个仿真系统中 重点模拟了同步发电机在大扰动下的暂态过程的运行特性 1 在15s处 升压变压器出线端短路 0 1s后故障消失 2 在14s处 发电机机 端电压参考值阶跃5 3 在15s处 交流双回线的其中一条发生断线 跳闸 故障 3 2 仿真步长算法选择 除了进行初始值设置外 我们在进行仿真之前还必须合理地设置算法和精度 算 法和精度选择的不适合 将使仿真结果偏离理论与实际 出现仿真图像不连续或者发 散的情况 很可能令仿真难以进行 甚至被系统自动中断 表3 1 各种solver算法指令的特点 解算指令解题指令特点适应场合 ode45非刚性一步法 采用4 5阶Runge Kutta方 程 累计截断误差达 5 xD 大多数场合的首选算法 ode23非刚性一步法 采用2 3阶Runge Kutta方 程 累计截断误差达 5 xD 较低精度 场合 3 10 ode113非刚性多步法 采用Adams算法 高低精 度均可 36 10 10 ode45计算时间太长时 取代ode45 ode23t适度刚性采用梯形法则算法适度刚性 ode15s刚性多步法 采用Gear S反向数值微分 精度中等 当ode45失败时使用 或存在质量 矩阵时 ode23s刚性一步法 采用2阶Rosenbrock算式 低精度 低精度时 比odel5s有效 或存在 定常质量矩阵时 ode23tb刚性采用梯形法则一反向数值微分两阶低精度时 比odel5s有效 或存在 段算法 低精度定常质量矩阵时 MATLAB针对不同的系统提供了两大仿真算法 定步长和变步长仿真算法 在 Simulation菜单中的 Configuration Parameters 选项下选择Solver进行设置 定步长求 解器使用固定的步长对系统进行求解 有Discrete ode5 ode4 ode3 ode2和odel 变步长求解器则能够根据用户指定的积分误差自动调整仿真步长 有 Discrete ode45 de23 odel3 odel5s ode23s ode23t ode23tb 各种算法指令的特 点如表3 1所示 仿真算法的选择很重要 算法的合理与否将影响到仿真结果和仿真速度 MATLAB针对刚性系统 系统的特征值相差很大 既有快变特性又有慢变特性的系 统 提供了odel5s ode23s ode23t ode23tb等算法 由于本论文论述的仿真模型中含有电机类的刚性系统 一般对同步电机仿真 算 法ode23tb使用得较为普遍 此外 当在某些情况 如突减负载 下用ode23tb仿真出现异 常情况时 可以使用odel5s进行仿真 可使结果输出正常 本文优先选用了ode23tb算法 Relative tolerance为1e 3 其他参数为默认参数 3 3 MATLAB SIMULINK仿真初值设置 利用MATLAB进行励磁系统动态仿真时 为了保证仿真从稳定状态下开始运行 必须正确设定系统的初始参数 如果没有进行系统初始值设置或者设置不合理 将使 系统长期处于振荡或者不稳定状态 仿真结果失真 则仿真失去意义 MATLAB针对上述问题提供了有效的解决方法 在MATLAB SPS工具箱中 Continuous 在MATLAB 6 5中为Power GUI 具有稳态潮流计算以及初始值设定的功能 利用其中 Load Flow and Machine Initialization 选项来运行新的负荷 得出原动机 励磁系统和同步发电机在此负荷下的稳态值 将稳态时的机械功率 励磁电压 机端 电压及定子电流作为系统的初始值添入发电机模型参数输入界面相应的选框中 即完 成稳态初始值设置 仿真时间设置 选择Simulation下的Simulation Parameters选项 在弹出的对话框中 对Solver模块参数进行设置 输入仿真时间 在Start time栏输入0 在Stop time栏输入 30 即仿真时间设置为30s 3 4 动态特性仿真 3 4 1 三相短路故障 如图3 15连接线路 双击3 Phase Fault元件 对该元件的参数进行设置 在Fault resistances栏输入1e 3 在Ground resistance栏输入1e 3 在Transition time栏输入 15 15 1 在Transition status栏输入 1 0 在Snubbers resistance栏输入1e4 在 Sample time of the internal timer栏输入0 在Snubbers Capacition栏输入inf 选中Phase A B C Fault以及Ground Fault 通过以上参数的设置 得出以下仿真电路波形 通过仿真波形可以看出 励磁控制系统在发生三相短路时的几个重要参数的动态 状 图3 16 三相短路故障时 发电机转速仿真波形 况 根据设置以及波形可以看出 故障发生时间为15s处 持续0 1s 发电机转子转速W在遭遇升压变压器出线端短路时 出现很强烈的振荡 但振荡 的幅值随着励磁系统的自动调节逐渐降低 并且趋于稳定 而同步发电机的机端电压却由于发生三相接地短路 使得电压瞬间降低至0附近 在故障消除后 由于励磁调节的时延并不能使电压直接恢复到稳定状态 而这正是由 于励磁控制系统的迅速强励作用的结果 图3 17 三相短路故障时 同步发电机机端电压仿真波形 阻尼绕组电流Ifd 功率角和功率Pe 同样 在第15s处系统发生升压变压器出线d 端三相短路时产生了剧烈的变化 在故障消除后 随着电压值得逐步恢复 电压偏差 值的减小 相应的测量参数数值也都得到了恢复 图3 18 三相短路故障时 Ifd 和Pe仿真波形d 3 4 2 机端电压参考值阶跃 将3 Phase Fault元件移出仿真电路 双击Step元件 对该元件参数进行设置 在 Step time栏输入14 在Initial value栏输入1 在Final value栏输入1 05 在Sample time栏 输入0 通过以上的参数设置 得到了如下仿真波形 通过仿真波形可以看出 励磁控制系统在发生机端电压参考值阶跃时的几个重要 参数的动态状况 根据设置以及波形可以看出 故障发生时间为14s处 机端电压参考 值上升5 由1上升为1 05 并且该故障持续到仿真结束 Ifd d Pe Ifd d Pe 图3 19 机端电压参考值阶跃时 发电机转速的仿真波形 如图3 19所示为发电机转子转速W在遭遇机端电压参考值阶跃时 出现很轻微的 振荡 但振荡的幅值随着励磁系统的自动调节逐渐降低 并且趋于稳定 图3 20 机端电压参考值阶跃时 机端电压仿真波形 如图3 20所示为同步发电机的机端电压在发生机端电压参考值阶跃的波形 可见 在14s时 机端电压发生阶跃 电压上升5 使得电压缓慢上升至1 05附近 由于故障 一直持续导致机端电压值稳定在1 05附近 由于励磁控制系统的工作原理是根据电压 检测值同机端电压参考值得偏差值而进行调节的 所以在机端电压参考值上升5 后 响应的检测值的偏差值也会上升5 处系统发生机端电压参考值阶跃时只有功率角有轻微的减小 由于本文大于励d 磁 图3 21 机端电压参考值阶跃时 Ifd 和Pe仿真波形d 控制系统的仿真时基于电压的 所以 阻尼绕组电流在电压参考值阶跃时不会有太大 变化 3 4 3 断线 跳闸 故障 将Step元件参数设为初值 即在Step time栏输入0 在Initial value栏输入0 在Final value栏输入1 在Sample time输入0 同时 将3 Phase Fault元件移出仿真电路 双击3 Phase Breaker元件 对该模块参数进行设置