励磁系统数学模型

励磁系统数学模型第1页，共44页，2023年，2月20日，星期三本讲内容概述直流励磁机的数学模型交流励磁机的数学模型静止励磁电源的数学模型电压测量与负载补偿环节幅值限制环节电力系统稳定器的数学模型励磁调节器的数学模型典型励磁系统的数学模型第2页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述

励磁系统的基本功能是向发电机的励磁绕组提供直流电流（励磁功率、励磁电压、励磁电流），保持发电机端电压或电网某点电压恒定，控制并列运行发电机的无功功率合理分配。另外，提高电力系统稳定性。

同步电机机电数学模型中含有Ef,它代表了励磁绕组电压uf,该电压受发电机励磁系统的控制。第3页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述同步电机励磁系统通用功能框图(虚线部分)第4页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述励磁系统的类型根据励磁功率单元直流励磁系统(直流励磁机励磁系统)交流励磁系统(交流励磁机励磁系统)静止励磁系统第5页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述励磁系统分类及典型接线直流励磁系统自励式直流励磁机励磁系统它励式直流励磁机励磁系统第6页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述励磁系统分类及典型接线交流励磁系统交流励磁机带可控静止整流器的励磁系统交流励磁机带不可控静止整流器的励磁系统交流励磁机带不可控旋转整流器的励磁系统—无刷励磁系统第7页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述励磁系统分类及典型接线静止励磁系统自并励静止励磁功率单元复合源静止励磁功率单元有在直流侧并联、直流侧串联、交流侧并联和交流侧串联等多种形式第8页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述励磁系统分类及典型接线静止励磁系统例：交流侧串联、电压相加的复合源静止励磁功率单元第9页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述自动励磁调节器变阻器型旋转放大机型磁放大器型晶体管式集成电路式基于计算机实现的数字式实现手段第10页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述自动励磁调节器单一机端电压控制多功能的励磁控制控制功能第11页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述自动励磁调节器比例控制PID控制线性励磁调节自校正调节，自适应控制,模糊控制,线性最优控制,非线性最优控制等.控制策略第12页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述自动励磁调节器单一机端电压偏差以电压偏差为主，附加发电机电磁功率、电角速度、系统频率、发电机定子电流、励磁电流、励磁电压以及它们的组合。反馈信号第13页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述自动励磁调节器设置有：欠励限制；过励限制；过励瞬时限制器定子电流限制器V/Hz限制器保护与限制第14页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述自动励磁调节器电力系统稳定器(PSS)作用：抑制低频振荡，提高系统阻尼作用。输入：发电机有功功率、机端电压的频率、发电机转速或它们的组合。输出：励磁调节辅助调节第15页，共44页，2023年，2月20日，星期三概述励磁系统数学模型参见：《同步电机励磁系统定义》GB/T7409.1-2008《同步电机励磁系统电力系统研究用模型》GB/T7409.2-2008《现代电力系统分析》科学出版社，2003《动态电力系统的理论和分析》清华大学出版社，2002第16页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型直流励磁机电路自励、他励绕组电阻励磁调节电阻励磁回路附加电阻他励绕组匝数和电感自励绕组匝数和电感他励、自励、复励电流他励绕组的外施电压励磁机输出电压假定:(1)他励绕组和自励绕组的匝数相同,或认为他励绕组匝数和参数已折算到自励绕组侧；(2)励磁机无漏磁;(3)额定转速,并用空载特性代替负载特性.建立:第17页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型励磁机基本方程不计磁路饱和下第18页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型计及饱和作用与的关系气隙线斜率与的关系气隙线斜率励磁机运行在额定转速,存在如下关系第19页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型计及饱和作用直流励磁机的饱和系数定义直流励磁机的饱和系数定义反映了直流励磁机饱和程度大小。为uf的函数.可由励磁机饱和负载特性曲线作出，或拟合成近似函数：一般是非线性关系第20页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型推导有名制传递函数自励绕组时间常数它励绕组时间常数励磁机时间常数第21页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型推导标幺制传递函数基值选取的准则

以发电机忽略饱和时空载额定电压运行所对应的励磁机气隙线相应的电量作为电量的标幺制基值.便于和发电机、电压调节器接口自励绕组他励绕组第22页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型推导标幺制传递函数标幺制形式式中第23页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型数学模型的框图表示两种特殊情况(1)无复励电流时，令则(2)仅有他励时，令式中,第24页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型和发电机、AVR的接口问题(1)和发电机接口可以证明:可以证明：励磁系统输出与发电机的模型直接接口，即可把励磁机出口电压标幺值取为(2)和AVR的接口,且等于AVR输出电压标幺值，则AVR输出和励磁机输入可直接接口。第25页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型小结可直接与AVR输出接口可直接与发电机输入接口

由框图或数学表达式可见，直流励磁机可用一个一阶惯性环节表示。第26页，共44页，2023年，2月20日，星期三直流励磁机数学模型小结《同步电机励磁系统电力系统研究模型》GB/T7409.2--2008KE:描述有自励分量励磁机的特性。它励时KE=1第27页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型

交流励磁机为同步电机。励磁机定子的交流输出经三相不控或可控桥式整流器整流后供给发电机的励磁绕组。

从理论上讲，其数学模型可以采用同步电机数学模型或实用模型来描述，但过于复杂。通常是把同步机的数学模型经简化后用于描述交流励磁机。第28页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型以不可控静止整流器他励交流励磁系统为例简化：采用同步电机三阶实用模型，并忽略暂态凸极效应，电机以额定转速运行。励磁机的定子电流经整流后才接入发电机励磁绕组的。第29页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型以不可控静止整流器他励交流励磁系统为例

励磁机的定子电流经整流后才接入发电机励磁绕组的。与在一定运行工况附近,可近似为正比关系：与关系第30页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型以不可控静止整流器他励交流励磁系统为例与关系由到存在换相压降整流器按照换相角小于、等于和大于60分为三种运行模式。当小于60时Xr---整流器的换相电抗换相压降第31页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型以不可控静止整流器他励交流励磁系统为例标幺制：以发电机励磁绕组电压基值除两边若IN>1，则FEX=0第32页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型以不可控静止整流器他励交流励磁系统为例与关系由到存在换相压降第33页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型以不可控静止整流器他励交流励磁系统为例第34页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型以不可控静止整流器他励交流励磁系统为例简化传递函数框图在大规模电力系统分析中应用第35页，共44页，2023年，2月20日，星期三交流励磁机数学模型《同步电机励磁系统电力系统研究模型》GB/T7409.2--2008详细模型简化模型第36页，共44页，2023年，2月20日，星期三静止励磁功率单元数学模型《同步电机励磁系统电力系统研究模型》GB/T7409.2--2008电势源型---模型1电势源型---模型2第37页，共44页，2023年，2月20日，星期三静止励磁功率单元数学模型《同步电机励磁系统电力系统研究模型》GB/T7409.2--2008交流侧串联，电压相加的复合源静止励磁功率单元第38页，共44页，2023年，2月20日，星期三典型励磁系统数学模型以典型的可控硅励磁调节器的励磁系统为例系统结构第39页，共44页，2023年，2月20日，星期三典型励磁系统数学模型以典型的可控硅励磁调节器的励磁系统为例传递函数框图第40页，共44页，2023年，2月20日，星期三典型励磁系统数学模型以典型的可控硅励磁调节器的励磁系统为例简化的传递函数框图

忽略量测环节时间常数，忽略电压调节器的超前滞后环节。第41页，共44页，2023年，2月20日，星期三典型励磁系统数学模型以典型的可控硅励磁调节器的励磁系统为例励磁系统基本方程忽略限幅环节作