基于matlab的同步发电机励磁系统仿真分析与

1、基于MATLAB的同步发电机励磁系统仿真分析与调试摘要同步发电机为电力系统提供能量其控制性能的好坏将直接决定电力系统的安全与 稳定运行状况通过掌握利用MATLAB对励磁控制进行分析和研究的技能能灵活应用 MATLAB的SIMULINK仿真软件分析系统的性能通过使用这一软件工具从繁琐枯燥 的计算负担中解脱出来而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上 去。文章介绍了MATLAB/Siulink的主要特点基本模块和功能分析了同步发电机励 磁调节系统的组成及其各个部分原理建立了基于MATLAB的同步发电机及其励磁调节 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

2、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ABSTRACTSynchronous generator is the energy of the poer systemprovider, and its perforance will directly deterine te qulity of power system security and stability in operation. Through astering the use of MATLAB for analyis of t

3、he excitation control and research skills, lexiility SIMUINK ofMATLAB siulation software to analyze perforance of the syste. Through the use of the software tools from the boring red tape out of the coputational burden, and ore reflection on te nature of the problemused to solvepractical production

4、and research issues.The article introduced te ainfeatures of the TLAB/Simulink，the basic odule and functio，illutratedthe coposition of synchronous geeratr excitation sytemand its principle of every part， estalishedthe siulation odel of generator fromMATLAB and that of generator excitation syste，esta

5、blishedsynchronousgenerator excittion system atheatical odel that is conrolled by the way of PID and PS， siulate it in the environent of Siulink， get pretty good results.Keyords:MATLABsnchroos geerao； exitton ctrol ssteodelig； ulatin；Correcion目录1 绪论.11.1 引言.11.2 MATLAB 软件介绍.11.2.1 MTLAB软件简介.11.2.2 M

6、TLAB软件语言特点.21.3 Siulink 介绍.41.3.1 Siulink 简介.41.3.2 Simulink 功能介绍.41.3.3 Simulink 特点介绍.52 同步发电机的励磁系统控制原理.62.1 同步发电机介绍.62.1.1 同步发电机工作原理.62.2 励磁系统概述.72.3 励磁系统的分类.82.3.1 直流励磁机励磁系统.82.3.2 半导体励磁系统.92.3.3 静止励磁机励磁系统.12.4 励磁系统在电力系统中的作用.123 同步发电机励磁系统 MATLAB 的建模.153.1 励磁控制系统数学模型3 .153.2 励磁控制系统的传递函数3 .164 励磁控制

7、系统的 MATLAB 仿真.174.1 励磁系统的仿真.174.1.1 闭环传递函数 . 闭环传递函数模型. 求阶跃响应.184.1.2 开环传递函数. 开环传递函数模型. 根轨迹图设计器.194.2 Siulink 求阶跃响应.214.2.1 阶跃响应的暂态指标.225 励磁控制系统的校正.235.1 校正的概念.235.2 校正的分类.235.3 PID 对励磁系统的仿真.235.4 励磁系统稳定器（PSS）对系统的校正.255.5 PID 校正和PSS 校正的分析比较.276 总结.28 参考文献.29 致谢.30 附录.31 附录 A 计算暂态指标的程序 1.31 附录 B 计算暂态指

8、标的程序 2.331 绪论1.1 引言同步发电机是电力系统的能量提供者, 供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设 备统称为励磁系统为保证同步电机的正常运行励磁系统应能够稳定地提供同步电机 从空载到满载以及过载时所需的励磁电流；当电力系统发生故障而使电网电压下降时， 励磁系统应能快速强行励磁，以提高系统的稳定性；当同步电机内部发生短路故障时， 为迅速排除故障并使故障局限在最小范围内，应能快速灭磁。按照所采用的整流装置， 目前的励磁系统可分为2类一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统； 另一类是用硅整流装置将交流变成直流后供给励磁的半导体励磁系统无论采取哪种方 式同步发电机励磁系统都是

9、通过调节发电机励磁绕组两端的励磁电压从而影响发电 机的电动势，达到稳定端电压的目的。在MATLAB中电力系统模型可以在Siulink环境下直接搭建也可以据所研究对 象物理模型建立其数学模型并进行封装和自定义为用户自己的模块库充分显现了其 仿真平台的优越性同时更重要的是MATLAB提供了丰富的工具箱资源以及大量的 实用模块，在Siulink环境下，不仅可以进行电力系统的仿真计算，还可以实现复杂的 控制方法仿真，使得我们更加深入地研究电力系统的行为特性。1.2MATLA软件介绍MTLA是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国Mathorks公司出品 的商业数学软件用于算法开

10、发数据可视化数据分析以及数值计算的高级技术计算 语言和交互式环境，主要包括MTLA和Siulink两大部分。MTLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、 测试和测量财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域附加的工具（单 独提供的专用MTLAB函数集）扩展了MTLAB环境，以解决这些应用领域内特 定类型的问题。1.2.1 MTLA软件简介在20世纪70年代中期,Cleve Mole博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISACK和LINAC的FOTRAN子程序库.EISCK是特征值求解的FOTRAN程序库,LINACK是解线性方程的程序库.在当时,这两个程序

11、库代表矩阵运算 的最高水平.到20世纪70年代后期,身为美国New Mexic大学计算机系系主任的Cleve Mole,在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用EISACK和LINAC程序库,但他发 现学生用FOTRAN编写接口程序很费时间,于是他开始自己动手,利用业余时间为学生 编写EISACK和LINACK的接口程序.CleveMoler给这个接口程序取名为MTLAB,该 名为矩阵(matrix)和实验室(laboratory)两个英文单词的前三个字母的组合.在以后的数年 里,MTLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流 传.在当今30多个数学类科技应用软件中

12、,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大 类.一类是数值计算型软件,如 MTLA、Xath、Gauss等,这类软件长于数值计算,对处 理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件,如MatheaticaMapl等,这类软件以符号 计算见长,能给出解析解和任意精度解,其缺点是处理大量数据时效率较低.Mathorks公 司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上 开拓了其符号计算,文字处理,可视化建模和实时控制能力,开发了适合多学科,多部门要 求的新一代科技应用软件MTLAB.经过多年的国际竞争,MTLAB已经占据了数值型软 件市场的主导地位.时至今日,经过Mat

13、horks公司的不断完善,MTLAB已经发展成为适合多学科,多种 工作平台的功能强劲的大型软件.在国外,MTLAB已经经受了多年考验.在欧美等高 校,MTLAB已经成为线性代数,自动控制理论,数理统计,数字信号处理,时间序列分析,动 态系统仿真等高级课程的基本教学工具;成为攻读学位的大学生,硕士生,博士生必须掌握 的基本技能.在设计研究单位和工业部门,MTLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体 问题.1.2.2 MTLA软件语言特点一种语言之所以能如此迅速地普及,显示出如此旺盛的生命力,是由于它有着不同于 其他语言的特点.正如同FOTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件 资源进

14、行操作一样,被称作为第四代计算机语言的MTLAB,利用其丰富的函数资源,使 编程人员从繁琐的程序代码中解放出来.MTLAB的最突出的特点就是简洁.MTLAB用 更直观的,符合人们思维习惯的代码,代替了C和FOTRAN语言的冗长代码.MTLAB给用户带来的是最直观,最简洁的程序开发环境.以下简单介绍一下MTLA的主要特点。语言简洁紧凑,使用方便灵活,库函数极其丰富.MTLAB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MTLA进行科技开发 是站在专家的肩膀上.具有FOTRAN和C

15、等高级计算机语言知识的读者可能已经注意到, 如果用FOTRAN或C语言去编写程序,尤其当涉及矩阵运算和画图时,编程会很麻烦.例 如,如果用户想求解一个线性代数方程,就得编写一个程序块读入数据,然后再使用一种求 解线性方程的算法(例如追赶法)编写一个程序块来求解方程,最后再输出计算结果.在求 解过程中,最麻烦的要算第二部分.解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环,选择稳 定的算法以及代码的调试都不容易.即使有部分源代码,用户也会感到麻烦,且不能保证运 算的稳定性.解线性方程的程序用FOTRAN和C这样的高级语言编写至少需要好几十行. 再如用双步方法求解矩阵特征值,如果用FOTRAN编写,至少需

16、要四百多行,调试这种 几百行的计算程序可以说很困难。运算符丰富.由于MTLA是用C语言编写的,MTLAB提供了和C语言几乎一样 多的运算符,灵活使用MTLA的运算符将使程序变得极为简短,具体运算符见附表。MTLAB既具有结构化的控制语句(如for循环,while环,break和i语句),又有 面向对象编程的特性。语法限制不严格,程序设计自由度大.例如,在MTLAB里,用户无需对矩阵预定义 就可使用。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。MTLAB的图形功能强大.在FOTRAN和C语言里,绘图都很不容易,但在MTLA里,数据的可视化非常简单.MTLAB还具

17、有较强的编辑图形界面的能力。MTLAB的缺点是,它和其他高级程序相比,程序的执行速度较慢.由于MTLAB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。功能强劲的工具箱是MTLA的另一重大特色.MTLAB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.其工具箱又可分为两类: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.功能性工具箱能用于多种学科.而学科性工具箱是专业性比较强的,如control,toolbox,signal processing toolbox,

18、communication toolbox等这些工具箱都是由该领域内的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。源程序的开放性.开放性也许是MTLA最受人们欢迎的特点.除内部函数以外,所 有MTLAB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。1.3Siulink介绍1.3.1 Siulink简介Simunlink是 HYPERLINK /view/10598.htm MTLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和 综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而

19、只需要通过简单直观 的鼠标操作就可构造出复杂的系统Simulink具有适应面广结构和流程清晰及 仿真精细、贴近实际效率高灵活等优点并基于以上优点Simulink已被广泛应 HYPERLINK /view/287257.htm 用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬 件可应用于或被要求应用于Simulink。1.3.2 Simulink功能介绍Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图 设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于 HYPERLINK /view/375180.htm 线性 HYPERL

20、INK /view/375180.htm 系统非线性系统数字控制及数字信号处理的建模和仿真中Simulink可以用连 续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系 统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) 这个创建过程只需单 击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户 可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种 HYPERLINK /view/545543.htm 时变系统，包括通讯

21、、控制、信号处理、 HYPERLINK /view/4400988.htm 视频处理和图像处理系统， Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计仿真执行和 测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供 了用于设计执行验证和确认任务的相应工具Simulink与MATLAB 紧密集成可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。1.3.3 Simulink特点介绍丰富的可扩充的预定义模块库。交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。以设计功能的

22、层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。通过 Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、 属性，生成模型代码。提供 API 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。使用 Embedded MATLAB 模块在 Simulink 和嵌入式系统执行中调用MATLAB 算法。使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal Accelerator RapidAccelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译 C 代码的形式来运行模型。图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。可访问 MATLAB 从而对结果进行分析与可视化定制建模

23、环境定义信号 参数和测试数据。模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。 本论文在进行励磁调节设计仿真时主要用到了MATLAB中的电力系统软件模块库Sim Power System和Siulink软件包，二者的结合使用户既可以方便地利用现成的电力模块 进行仿真又可以自由地创建新的电力模块从而大大的增强了MATLAB的电力系统仿真 能力。2 同步发电机的励磁系统控制原理2.1 同步发电机介绍同步发电机是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于 HYPERLINK /view/26525.htm 水 力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励

24、磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若 并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节 HYPERLINK /view/56023.htm 了电机的功率因数和无功功率。同步发电机的定子、 HYPERLINK /view/110429.htm 转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某 些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。2.1.1 同步发电机工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即 建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当 HYPERLINK /view/44147.htm 功率绕组，成为感应

25、电势或者感应电流 的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁 场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中 将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提 供交流电源。感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p。交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于 电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。同步转速：从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率 应该是一个不变的值，这就要求发电机

26、的频率应该和电网的频率一致，我国电网 的频率为50Hz。2.2 励磁系统概述在我国乃至全世界，发电设备绝大部分都是同步发电机，其发电量占总发电量的90%以上而同步发电机的重要组成部分励磁调节器又称为励磁控制器是电力系统最 主要的自动控制装置之一，它的特性好坏直接影响到同步发电机运行的可靠性与稳定 性励磁系统一般由两部分组（如图2-1 所示一部分用于向发电机的磁场绕组提 供直流电流，以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出部分(或称为功率单元)，实质上 它是一个发电机专用的可控直流电源另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁 电流以满足运行的需要这一部分包括励磁调节器强行励磁强行减磁和自动灭磁等。

27、 一般称为励磁控制部分(或控制单元或励磁调节器)。励磁调节器通过检测发电机的电压电流或其他状态量按给定的调节准则对励磁 功率单元发出控制信号控制励磁功率单元的输出实现对系统的控制功能其最基本 的功能是调节发电机的端电压或无功功率。图2-1 同步电机励磁自动控制系统构成框图由于大型机组的这些参量直接影响电力系统的运行状态因此在某种程度上也可 以说励磁调节器也控制着系统的运行状态特别强调的是电力系统的定和励磁控制方 式有密切联系。励磁系统只是发电机组的组成部件而发电机组是电力系统的重要组成元件电力 系统是一个复杂的动态系统其稳定性分析是十分复杂的随着社会的发展电力系统 容量扩大大容量发电机组投入运

28、行并且远离负荷中心需要充分利用输电线路的送 电能力这些原因使电力系统的稳定问题更加突出而电力系统稳定的重要性不言而喻。根据电力参数控制电力系统的稳定性包括功角稳定电压稳定和频率稳定根据 干扰的大小，又可以分为静态稳定和暂态稳定。失去功角稳定，电力系统将发生振荡，引起系统中枢纽点电压输电设备中的电压电流以及输送功率的大幅度波动电力系统因而不能向负荷正常供电处理不当会引起长时间大面积停电失去电压稳定的后果 是电压崩溃导致大面积停电失去频率稳定导致系统频率崩溃引起电力系统大面积 停电。除了频率稳定，其余的稳定性都与发电机组励磁系统相关。由于快速响应励磁控制静止无功补偿器以及直流输电系统的引入为提高电

29、力系 统稳定性提供了先进的技术和设备与此同时由于它们的存在电力系统出现了低频 振荡次同步振荡轴系扭振等问题这些问题又反过来促进了对其机理和与励磁相关 的控制策略的研究，也促进了电力系统稳定的研究。2.3 励磁系统的分类在我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类分为直流励磁机励磁系统和 半导体励磁系统。2.3.1 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源供给发电机转子回路的励磁 电流其中直流发电机称为直流励磁机直流励磁机一般与发电机同轴励磁电流通过 换向器和电刷供给发电机转子励磁电流形成有碳刷励磁直流励磁机励磁系统又可分 为自励式和它励式自励与他励的区别是对主励磁机的

30、励磁方式而言的他励直流励磁 机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机因此所用设备增多占用空间 大投资大但是提高了励磁机的电压增长速度因而减小了励磁机的时间常数他励 直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。图2-2 自励流励磁机励磁系统原理接线图上图中 LH电流互感器；YH电压互感器；F 同步发电机；FLQ同步发电机的励磁线圈；L直流励磁机；LLQ直流励磁机的励磁线圈；Rc可调电阻用直流励磁机供电的励磁系统在过去的十几年间是同步发电机的主要励磁系统。 目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统长期的运行经验证明这种励磁系 统的优点是具有独立的不受外系统干扰的励磁电源调节方便设备投资

31、及运行费用 也比较少缺点是运行时整流子与电刷之间火花严重事故多性能差运行维护困 难换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机很不方便近年来随 着电力生产的发展同步发电机的容量愈来愈大要求励磁功率也相应增大而大容量 的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制因此直流励磁机励磁系统 愈来愈不能满足要求。目前，在100M及以上发电机上很少采用。2.3.2半导体励磁系统半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后作为供给同步发电机励磁电流的直流电源。半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。（1）静止式半导体励磁系统： 静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。1）自励式半导体励磁

32、系统 自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后送至发电机转子回路作为发电机的励磁电流以维持发电机端电压恒定的励 磁系统是无励磁机的发电机自励系统最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的 端电压作励磁电流的电源由自动励磁调节器控制励磁电流的大小称为自并励可控硅 励磁系统简称自并励系统自并励系统中除去转子本体极其滑环这些属于发电机的 部件外没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件所以又称为全静止 式励磁系统下图为无励磁机发电机自并励系统框图其中发电机转子励磁电流电源由 接于发电机机端的整流变压器ZB提供经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流可控 硅元件S

33、CR 由自动励磁调节器控制。系统起励时需要另加一个起励电源。图2-3 无励机发电机自并励系统原理接线图无励磁机发电机自并励系统的优点是不需要同轴励磁机系统简单运行可靠性 高缩短了机组的长度减少了基建投资及有利于主机的检修维护由可控硅元件直接 控制转子电压可以获得较快的励磁电压响应速度由发电机机端获取励磁能量与同 轴励磁机励磁系统相比发电机组甩负荷时机组的过电压也低一些其缺点是发电 机出口近端短路而故障切除时间较长时缺乏足够的强行励磁能力对电力系统稳定的影 响不如其它励磁方式有利由于以上特点使得无励磁机发电机自并励系统在国内外电 力系统大型发电机组的励磁系统中受到相当重视。2 ）它励式半导体励磁

34、系统 它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机JL和一台交流副励磁机FL三套整流装置。两台交流励磁机都和同步发电机同轴，主励磁机为100HZ中频三相交流发电机， 它的输出电压经过硅整流装置向同步发电机供给励磁电流副励磁机为500HZ中频三相 交流发电机它的输出一方面经可控硅整流后作为主励磁机的励磁电流另一方面又经 过硅整流装置供给它自己所需要的励磁电流自动调励的装置也是根据发电机的电压和 电流来改变可控硅的控制角，以改变励磁机的励磁电流进行自动调压。图2-4 它励半导体励磁系统原理接线图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

35、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

36、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

37、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（通常为同步电机空载额定励磁电流的1030%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

38、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300M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设备容易定型系统造价低部件紧

39、凑减少厂 房及基础造价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

40、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

41、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 层意思每台发电机发出的无功功率数量要合理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

42、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

43、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，

44、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

45、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

46、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。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 励磁制系统构成框图（1）励磁机的传递函数为：GE (s) =1TES +KEE+SE（4-13）式中TE 为励磁机时间常数，SE 为饱和函数，KE 为由励磁回路电阻和气隙特性斜率构成。（2）同步发电机的传递函数为：G (s) =KG

47、d0G1+T d0（4-25）d0式中Td0为发电机空载转自时间常数，KG为发电机放大倍数。（3）励磁调节器各单元的传递函数1）电压测量比较单元： 有测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成，因此测量比较电路的传递函数为：GR (s) =KR1+TRs（4-18）式中TR 为时间常数，KR 为放大倍数。2）综合放大单元：在电子型调节器中试由运算放大器组成的，在电磁型调节器中则采用磁放大器， 其传递函数为:GA(s) =KA1+TAs(4-19)式中为TA放大器时间常数，KA 电压放大系数。3 ）功率放大单元： 其传递函数为:G(s) =Kz1+Tzs(424)式中z=1/f 为最大可能滞后时

48、间常数(为整流相数为电压频率);KZ 为整流电路放大倍数。3.2 励磁控制系统的传递函数3求得励磁控制系统各单元的传递函数后，按上图3-1可以组成励磁系统的传递函数 框图，则同步发电机控制系统传递函数框图如图3-2。放大单元限幅测量单元图3-2 励磁制系统传递函数方框图4 励磁控制系统的MATLAB仿真4.1 励磁系统的仿真典型的励磁控制系统稳定计算参数3如下:d0AT =0s,Td0A=8.38s,TE=0.69s,TR=0.04s,KE=,KG=,KA=10由图3-2可以得到下图4-1励磁系统的传递函数模型框图阶跃开环放大 输入限幅励磁机测量比较发电机示波器4.1.1闭环传递函数4-1 励

49、磁系的传递函数模型框图 闭环传递函数模型根据图4-1我们可以得到闭环传递函数模型框图4-21.38放大单元励磁机测量单元1.04发电机打开SMULILNK仿真环境：4-2 闭环传函数模型框图( 1 )在Siulink窗口下的File菜单中选择New命令创建一个untitled空白文件窗口保存，命名为:bhhs.dl。（2）根据励磁系统的闭环传递函数模型框图建立励磁系统的仿真模型。（3）利用Siulink建立仿真模型后利用MATLAB程序：a,b,c,d=linmod2(bhhs)s1=ss(a,bcd)s2=tf(s1)可得系统闭环传递函数为: 求阶跃响应输入MATLAB程序step(s)得到

50、阶跃响应图4-31.729s+43.24s3 +26.57s2 +39.39s+25.944.1.2开环传递函数4-3 阶跃响应 开环传递函数模型开环传递函数模型框图如下图4-4图4-4 开环递函数模型框图打开SMULILNK仿真环境：( 1 )在Siulink窗口下的File菜单中选择New命令创建一个untitled空白文件窗口保 存，命名为:khhs.dl。（2）根据励磁系统的闭环传递函数模型框图建立励磁系统的仿真模型。（3）利用Siulink建立仿真模型后利用MATLAB程序：a,b,c,d=linmod2(khhs)s1=ss(a,bcd)s2=tf(s1)可得系统开环传递函数为：

51、根轨迹图设计器4.324s3 +26.57s2 +39.39s+4.324根轨迹设计器可以方便地调整并及时观看开环放大倍数对系统性能的影响也可以进行零、极点设计，另外还可以观看脉冲响应、Bode,、Nyquist图等，不足的是对励磁 系统稳定器(多环系统的分析还是不方便。在MATLAB 命令窗口键入：n=4.324;d=conv(conv(1 0.12,1 1.45),1 25);s=tf(n,d);rltol()打开根轨迹设计器如图4-5图4-5 根迹图调节参数(相当于改变开环放大倍数)，可以看到极点位置在移动、同时可以观察阶跃响应的变化。图4-6是C=1时的阶跃响应，系统是稳定的，但是调整

52、时间太长，还是不符合要求。 图4-7是C =4.4时的阶跃响应图，系统是稳定的，但超调量等指标不符合要求。图4-8是C= 43.2时的阶跃响应图，此时极点己到了复平面的右半部分，系统变得不 稳定了。图4-6 =1的阶跃响应图4-7 =44时的阶跃响应4.2Siulink求阶跃响应图4-8 =3.时的阶跃响应利用Siulink建立如下图4-9模型框图4-9 励磁系传递函数框图建立9模型后为了更好的进行比较，调节放大单元放大倍数分别为10，30，60倍 是点击开始仿真得到阶跃响应图4-10，4-11，4-12。图4-10 放大0倍阶跃响图图4-11 放大0倍阶跃响图4.2.1 阶跃响应的暂态指标图

53、4-12 放大0倍阶跃响图通过附录的计算暂态指标的程序我们可以得到此时系统主要的暂态指标表4-1 系统主要性能指标指标放大倍数稳态值调节时间超调量100.14.1s1209%300.76.1s4021%600.96.4s5657%5 励磁控制系统的校正5.1 校正的概念我们在系统性能分析的基础上，当系统的性能指标不能满足技术要求时，就可以对 系统进行校正以改善系统的性能对自动控制系统进行校正的过程首先考虑的是对自 动控制系统的的参（如增益时间常数等进行行调整只有当调整系统参数仍无法 满足要求时才会增添一些装置和元件人为地改变系统的结构和性能从而使其满足 所要求的性能指标我们把这种有目的地通过给

54、自动控制系统增添一些装置和元件人 为地改变系统结构和性能，从而使之满足所要求的性能指标的方法称为系统校正。增添的装置和元件称为校正装置和校正元件。所以自动控制系统进行校正过程实际 就是对校正装置或较正元件的参数进行设计过程。5.2 校正的分类 根据校正装置在系统中所处位置的不同一般分为串联校正反馈校正和顺馈校正。 在串联校正中，根据校正环节对系统开环频率特性相位的影响，又可分为相位超前校正、相位滞后校正和相位超前-滞后校正。需要校正的控制系统通常是为了完成某项任务，并根据其工艺设计出的某些装置超前校正等。 在反馈校正中，根据是否经过微分环节，又分为软校正和硬校正。在顺馈校正中，根据补偿采样源的

55、不同又可分为给定顺馈校正和扰动顺馈校正根据校正装置本身是 否另接电源又分为无源校正装置和有源校正装置。根据校正装置的组成，可分为被控对象，控制器，检测环节三个部分。被控对象是 由系统所完成的具体任务而选定的，它包括的控制装置是系统的基本部分。5.3PID对励磁系统的仿真利用Siulink建立图5-1的仿真模型图5-1 PI校正励磁系统方框图点“开始按钮进行仿真双击示波器模块得到阶跃响应图经过不断调整PID模块的参数Ki,Kd ,Kp 在Kp =,Ki =0.,Kd=0.15时调节放大单元倍数为，得到如下图5-2,5-3,5-4的阶跃响应图。图5-2 放1倍校正后的阶跃响应图5-3 放3倍校正后

56、的阶跃响应图5-4 放6倍校正后的阶跃响应表5-1 PI校正后系统主要性能指标放大倍数稳态值调节时间超调量100.93.2s7.7%301.03.8s2101%601.02.5s2492%对比表5-1与表4-可以发现增设PI校正后调节时间与超调量都有所下降振荡次 数也减少很多，所以可以得出结论增设PID校正后提高了系统的快速性和平稳性，提高 了系统的性能。增设PI校正后对系统的影响： 在低频段：改善了系统稳态性能。使输入等速信号由有静差变为无静差。 在中频段由于PI调节器微分部分的作用使系统的相位裕量增加这意味着 超调量减小，振荡次数减少，从而改善了系统的动态性能。 在高频段：降低系统的抗高频

57、干扰的能力。比例积分微分(PI校正兼顾了系统 稳态性能和动态性能的改善由于PI校正使系统在低频段相位后移而在中高频 段相位前移，因此又称它为相位滞后-超前校正。5.4 励磁系统稳定器（PS）对系统的校正利用Silink建立图5-5的仿真模型5-5 带励磁统稳定器的励磁系统方框图点“开始按钮进行仿真双击示波器模块得到阶跃响应图经过不断调整i和Tj 后在i =0.0,Tj=0.11时调节放大倍数倍得到下图5-65-7,5-的阶跃响应图。图5-60时励磁系统稳定器的阶跃响应图5-70时励磁系统稳定器的阶跃响应图5-80时励磁系统稳定器的阶跃响应表5-2PS校正后系统主要性能指标放大倍数稳态值调节时间

58、超调量100.52.4s2.5%300.63.1s1667%600.73.2s1959%对比表5-2与表4-1可以发现，增设S校正后调节时间与超调量都有所下降，振荡 次数也减少很多，所以可以得出结论增设S校正后提高了系统的性能。5.5PID校正和PS校正的分析比较使用PI校正为了保证发电机有足够的调压精度必须采用较大的开环放大倍数但 开环放大倍数的增大将造成励磁控制回路的不稳定在发电机空载运行时可能导致发电 机电压振荡。励磁系统稳定器采用了转子电压软负反馈，主要作用是使暂态时的增益降低，以防 止发电机空载时励磁控制回路振荡。但采用S虽可提高励磁控制回路的稳定性但整个暂态过程的增益减小也减小了 其励磁响应的速度D 调节可使暂态增益衰减限制在低频振荡区而不影响其它频段 调节作用的充分发挥 电力系统稳定器的作用主要是抑制0.16 z 的低频振荡它 从电力系统接受这些振荡信号并按要求传递给励磁电压调节器通过电压调节器的自 动控制作用，对发电机转子之间的相对振荡提供正阻尼，以此实现对振荡的抑制。6 总结以上利用建立同步同步发电机励磁系统仿真模型，模型简易直 观运行速度快易于使用为验证设计思想并进行高效成功的设计与综合分析打下 了良好的基础通过以上的演示可知能够准确清晰地测绘出各种情况下同 步电机阶