第3讲励磁系统数学模型
第一章 直流电动机的数学模型及其闭环控制系统
图 1-10 PWM控制器与变换器的框图
图1-9不可逆PWM变换器—直流电动机系统
结合PWM变换器工作情况可以看出：当控制 电压变化时，PWM变换器输出平均电压按线性规 律变化，因此，PWM变换器的放大系数可求得， 即为
4.直流调速系统的广义被控对象模型
（1）额定励磁状态下直流电动机的动态结构图 图1-12所示的是额定励磁状态下的直流电动机动 态结构图。
图1-12 额定励磁状态下直流电动机的动态结构框图
由上图可知，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢
上的理想空载电压U d0 ，另一个是负载电流 I L 。前者是控制输入量，
它已不起作用，整流电压并不会立即变化，必须等
到 t3时刻该器件关断后，触发脉冲才有可能控制另
一对晶闸管导通。
设新的控制电压
U ct2
U
对应的控制角为
ct1
2 1 ，则另一对晶闸管在 t4 时刻导通，平均整
流电压降低。假设平均整流电压是从自然换相点
开始计算的，则平均整流电压在 t3 时刻从U d01降
Tm
GD2 R
375K
e
K
m
2 d
（1-23）
因其中d 的减小而变成了时变参数。由此 可见，在弱磁过程中，直流调速系统的被控对象 数学模型具有非线性特性。这里需要指出的是， 图1-15所示的动态结构图中，包含线性与非线性 环节，其中只有线性环节可用传递函数表示，而 非线性环节的输入与输出量只能用时域量表示， 非线性环节与线性环节的连接只是表示结构上的 一种联系，这是在应用中必须注意的问题。
Ks
U d U ct
330MW 机组励磁系统模型及并网过程仿真
发电机频率∀
ΦΣ
式中 Ν 为汽机转速 Κ 为转速 上接第 合治理∀ 页
装置 采用废水与废弃石膏混合排至灰场进行综 深圳西部电厂采用引进挪威 计 公司海水
参
考
文
献
陈继录 朱琴英 李荣荣 1 加拿大燃煤电厂水污染防 治技术 1 电力环境保护 胡将军 胡基才 1 海水烟气脱硫工艺原理及其目前在 火电厂中的应用 1 污染防治技术 冯玲 杨景玲 蔡树中 1 烟气脱硫技术的发展及应用 现状 1 环境工程 董学德 1 深圳西部电厂 号机组
ΕΦ ΕΦ Κ ςΙ Φ
发电机同期模型 本模型的同期方案是由模型软件和硬件配合
实现的∀ 模型软件给出系统的电压! 频率 并网发 电机的电压! 频率信号及同期装置投入信号 滑差 表开始旋转 同期电压! 频率表指示 和同期成功 信号 同期表指向/ 十0 位置 ∀ 硬件则给出滑差角 度 用于模型软件计算 判断是否满足并列条件等∀ 系统电压和系统频率由外部参数设定 并 可人为改变∀ 发电机电压∀并网前发电机端电压等于空 载电势∀
式中 Π Μ 为汽机净功率 Π Σ 为发电机损耗∀ 发电机视在功率 电流及功率因数 由下列公 式来计算
Σ Π Η Η Ι Π Σ Θ Σ Σ ςΤ Ν# Κ Θ
100
负荷工况测试结果
设计值
1
仿真值
误差
经有关专家测试和验收 认为该仿真机励磁 系统和并网过程的仿真 在实时性! 逼真度和精度 方面均满足要求∀ 该仿真机经过培训运行! 实践 证明了本文所述模型是正确的! 可行的∀ 频率常数∀
升到顶值电压即额定励磁电压的 这种运行方式
1 2
倍 并维持
后可重复∀
Κ Π # ν # Σ ΑΡ 2 1
发电机励磁系统的数学模型及PID控制
发电机励磁系统的数学模型及PID控制仿真一设计意义、任务与要求1.1电力系统建模的重要意义1.2设计任务建立同步发电机、电压测量单元、功率放大单元与PID调速器的传递函数；通过Matlab的建模及仿真，对阶跃响应情况进行分析；加入PID调节环节，使励磁控制系统的动态特性曲线满足动态指标。
1.3设计要求我国国标《大、中型同步发电机励磁系统基本技术条件》（GB7409-1987）对同步发电机动态响应的技术指标作如下规定：1）同步发电机在空载额定电压情况下，当电压给定阶跃响应为±10％时，发电机电压超调量应不大于阶跃响应的50％，摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s。
2）当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间不应该超过10s,电压摆动次数不大于3次。
二方案设计与论证现代电力系统的稳定性是电力系统安全运行的主要问题之一。
随着我国电力工业的迅速发展，单机系统容量不断增大，区域间互联增多，电源点远离负荷中心，线路长趋于重负荷运行之下，以及电力系统与发电机组控制复杂化等因素都造成电力系统的稳定性下降，使得稳定问题成为我国电力系统中相当突出而又迫切需要解决的任务。
大量的理论分析和实践经验证明，为了提高电力系统稳定性而采取的措施中，发电机的励磁控制具有明显的作用，是一个经济而又有效果的手段。
通过对发电机施加合适的励磁控制，可以使之工作在人工稳定的区，提高输送功率的极限，提高系统稳定储备，改善系统静态稳定性能。
通过附加控制，增加阻尼，可以改善系统的动态稳定性。
因此，改善发电机励磁控制技术，使之跟有效的服务于电力系统安全稳定运行，便成为一个重要的课题。
因为本设计主要针对PID调节在励磁控制中的作用，因此设计方案设有无PID调节励磁控制和有PID调节控制两个方案，并进行对比，分出优劣，选取效果极佳的方案。
同步发电机励磁系统是指向同步发电机提供励磁的所有部件的总和，包括励磁功率部件、励磁控制部分、发电机电压测量和无功电流补偿部分，以及电力系统稳定器（简称PSS ），见图2-1。
第六章自动调节励磁系统的作用原理和数学模型
第四节 负荷特性
电力网络节点电 压和频率的变化
负荷的工况
负荷特性
负荷功率和节点电压及频率 的关系 系统 负荷功率随负荷点端电压变动而变化的规律， 称为负荷的电压特性； 负荷功率随电力系统频率改变而变化的规律， 称为负荷的频率特性； 负荷功率随时间变化的规律， 称负荷的时间特性。
1.3 无励磁机的励磁方式
• 在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电 机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机 本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励 磁可分为自并励和自复励两种方式。
自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得 励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式 具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。
• 电力系统的负荷的主要成分是异步电动 机、同步电动机、电热电炉、整流设备、 照明设备等。 • 在不同负荷点，这些用电设备所占的比 重不同，用电情况不同，因而负荷特性 也不同。 负荷特性模型
2、负荷特性模型
负荷特性对电力系统的运行特性影响很大。
例如，研究电力系统的暂态稳定性，采用不 同的负荷特性可以得出不同的结论。
因此，在电力系统的分析计算中采用有一定 精度的负荷模型是很重要的问题。
建立负荷模型有两种指导思想：
1）把负荷看成大量个别用电设备的集合， 先求得每种类型用电设备的典型特性，经综 合后得出综合的负荷特性； 2）把综合负荷看作一个整体，用实验方法 在现场实测负荷模型的参数。
负荷建模是难题
3、负荷特性模拟方法
3、自动调节励磁电流的方法
在改变发电机的励磁电流中，一般不直接在其 转子回路中进行，因为该回路中电流很大，不 便于进行直接调节，通常采用的方法是改变励 磁机的励磁电流，以达到调节发电机转子电流 的目的。
励磁系统基本原理ppt课件
Pe/ΔPe 、Δδ
可编辑课件
8
快速励磁及较高的强励倍数，可以提高电力系统暂态稳定极限。
• 第一位的措施是继电保护正确、快速动作，如0.1s内切除近端故障。 • 在0.1s内各种励磁系统作用没有明显差别。 • 故障切除后，快速励磁及较高的强励倍数，可以提高系统暂态稳定极
限，有利于暂态稳定的恢复。
可编辑课件
62.5KJ。在超大型水轮发电机组中，灭磁能量很大，比如10MJ，需 要几百片非线性电阻阀片串、并联连接。并联均能或并联均流问题突 出。 SiC阀片容量大、其伏安特性更适合并联，所以，在超大型发电 机的励磁系统中普遍使用。
可编辑课件
29
两种灭磁方法
• 逆变灭磁：正常停机时采用。不需要分断灭磁开关，控制可控硅整流 桥处于逆变状态，使转子绕组中能量通过励磁变反送到发电机端电源 侧及回路电阻中消耗，实现灭磁。在自并励励磁系统中，由于在逆变 灭磁过程中，发电机端电压也在不断减小，吸收能量不断减小，所以， 逆变灭磁的时间比较长。空载额定状态下，逆变灭磁时间一般达到 10s。
• 如果这个碗和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中来回滚动时间 就很长，特别是，如果这个扰动的外力不断的来回施加，就比如我们不断 的荡秋千，这个球就永远不停的来回滚动甚至掉下来，我们就说这个系统 的动态稳定性差。这里的摩擦阻力相当于电力系统的阻尼，这个来回不断 施加的外部力量就相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动 电压调节器在电力系统的动态稳定中起坏作用，产生负阻尼，使整个系统 阻尼减少。当我们在自动电压调节器中增添PSS装置，PSS就把自动电压 调节器原来所产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加碗和球的摩擦系数， 使球的滚动幅度快速减小，于是这个系统的动态稳定性就满足要求。
发电机励磁系统的数学模型
发电机励磁系统的数学模型-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN课程设计报告课程名称电力系统自动装置原理设计题目发电机励磁系统数学建模及PID控制仿真设计时间 2016-2017学年第一学期专业年级电气133班姓名姚晓学号 2012012154 提交时间 2016年12月30日成绩指导教师陈帝伊谭亲跃水利与建筑工程学院发电机励磁系统数学建模及PID控制仿真摘要：本文主要进行了发电机励磁系统的数学建模和PID控制仿真。
励磁系统在电力系统的规划与控制领域都有非常重要的作用，精确的模型结构与参数是选择有效控制手段和整个电力系统仿真准确性的基础。
文中通过对励磁系统建模及仿真的研究，在整理系统稳定性判断理论发展的基础上，运用MATLAB软件仿真，论证了PID励磁调节可有效地改进励磁控制品质,仿真试验是调整励磁系统参数的有效措施。
关键字：电力系统、励磁系统、根轨迹、PID、仿真目录第一章绪论 (5)1.1本课题研究意义 (5)1.2本文主要内容 (5)第二章发电机励磁系统的数学模型 (7)2.1励磁系统数学模型的发展 (7)2.2发电机励磁系统原理与分类 (8)2.3发电机励磁系统的数学模型 (8)2.3.1励磁机的传递函数 (8)2.3.2励磁调节器各单元的传递函数 (10)2.3.3同步发电机的传递函数 (10)2.3.4励磁稳定器 (11)2.4励磁控制系统的传递函数 (11)第三章励磁控制系统的稳定性 (12)3.1传统方法绘制根轨迹 (12)3.2用MATLAB绘制根轨迹 (14)第四章 PID在发电机励磁系统中的应用 (15)4.1同步发电机的励磁系统的动态指标 (15)4.2无PID调节的励磁系统 (15)4.2.1源程序 (15)4.2.2数值计算结果 (17)4.3有PID调节的励磁系统 (18)4.3.1源程序 (19)4.3.2数值计算结果 (20)第五章总结与体会 (22)参考文献 (23)第一章绪论1.1本课题研究意义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。
励磁模型
1励磁系统的数学模型1.1自动电压调节器西门子励磁调节器的模型原型是IEEE的ST6B模型。
电压调节的核心是一个比例-积分（PI）控制器，包含发电机电压调节部分和带并联反馈正的K PP K IA1.2手动励磁调节单元从自动环切入手动环之用作调试或者出现紧急情况，此外励磁调节器通常运行在电压调节自动环的方式下。
在这种调节方式下，给定的励磁电流作为调节器的基准值。
电流调节器是一个纯比例的调节，比例增益见下图中的K PIf。
励磁电流基准值和运行方式有关；－在自动运行模式下，励磁电流的基准值在发电机空载时，为I fnl＊1.15；在发电机负载时，为额定电流的2倍。
－在手动运行模式下，励磁电流的基准值为一个积分的输出。
积分的上限值有两种不同的设定，当发电机空载时，积分的上限为I fnl＊1.15；负载是，积分的上限为I fnl＊1.1。
励磁的实际值If和电流基准值进行比较在乘K PIf做为电流调节器的输出。
在手动运行模式下，励磁电流调节环的输出是作为电压调节器输出的限制值（V RMAX和V RMIN）。
在自动运行模式下，只有上限会起作用，防止励磁电流超过最大允许值。
*系统标幺值为：● 1.1 p. u.=额定励磁电流● 1 p. u.V RMAX，V RMIN=顶值电压1.3欠励限制器欠励限制的作用是为防止发电机因励磁电流过低而失去静态稳定。
限制方式为直线函数限制。
通常欠励限制曲线设定为多段直线，在软件中由3到4个点表示欠励限制直线。
下图中数学模型表示欠励限制器的比例特性，比例增益为K UEL.欠励限制器的输出和调节器主环进行高通道值选择，高的值能优先通过。
由于相同有功功率在不同机端电压水平下容许进相能力不同，应根据电压水平进行修正：欠励限制直线表达式方程为：Q = a + bP折线型欠励限制每段直线电压修正为Q =aUt2 +b×P通过输入有功电流进行查表得出的无功功率作为基准值UEL_y，那么UEL_y是欠励定义曲线的第一个点。
第3讲励磁系统数学模型
Xr KC 3Z fB
若IN>1，则FEX=0
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
' ) Eq , i (fG ) 关系 u (fG与
' 由 Eq 到 u (fG ) 存在换相压降
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
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
( RC Rg )
RC Rg RB
iFL
TB L /(RC Rg RB ),Ty L / Ry , TL TB Ty
自励绕组时间常数
它励绕组时间常数 励磁机时间常数
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
便于和发电机、 电压调节器接 口
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.
计及饱和作用
L 与 iLf 的关系
气隙线斜率 tan
L
iLf 0 L
L LiLf 0
u f 与 iLf 的关系
气隙线斜率
tan uf iLf 0
存在如下关系 L 励磁机运行在额定转速 , uf
L
L
uf
u f iLf 0
直流励磁机数学模型
(1) Ry
iy uLf Ry Ty
(2) (RC Rg RB )
RB TB iB iFL pu f RC Rg RB RC Rg RB uf
pu f
[S E (1
RC Rg RB
) TL p]u f
完整现代电力系统分析理论与方法第3章常规发电机和负荷模型
第三章 常规发电机和 负荷模型
1
第三章 常规发电机组和负荷模型
01
概述
02
发电机和负荷的静态模型
03
同步电机的数学模型
04 发电机励磁系统的数学模型
05 原动机及调速系统的数学模型
06
负荷的数学模型1Fra bibliotek第一节
概述
3
2
第一节
概述
电力系统是由不同类型的发电机组（汽轮发电机组和水轮发电机组）、电力负荷和不同电压等级的电网（主要 包括变压器、交流或直流输电线路）及各类电力电子设备所组成的十分庞大而复杂的动力学系统。任何电力系统的 分析计算都离不开电力系统的元件模型及电网的数学模型。无论电网如何复杂，原则上都可以作出相应的系统等值 电路。有关输电线路、变压器、并（串）联电容器等静止元件的静态等值模型及电网的数学模型在许多本科教材中 都有讲述。本章重点介绍用于稳定性分析的发电机组和负荷的动态模型。
?
VN2 XG % cos?
100PN
6
第二节
发电机和负荷的静态模型
发电机的电抗和电动势
求得发电机电抗后，可求得电动势为
E?G ? V?G ? jI?G XG
E?G 为发电机电动势，kV
I?G 为发电机定子电流 kA
V?G 为发电机机端电压 kV 求得发电机电抗、电动势后，可做出以电压源或电流源表示的发电机等值电路。
综合负荷的功率一般要随系统的运行参数（主要是电压和频率）的变化而变化，反映这种变化规
律的曲线或数学表达式称为负荷特性。负荷特性包括动态特性和静态特性。动态特性反映电压和频率 急剧变化时负荷功率随时间的变化。静态特性则代表稳态下负荷功率与电压和频率的关系。当频率维 持额定值不变时，负荷功率与电压的关系称为负荷的电压静态特性。当负荷端电压维持恒定不变时， 负荷功率与频率的关系称为负荷的频率静态特性。
第3章水轮发电机励磁系统
第3章 水轮发电机励磁系统3.1 水轮发电机励磁控制系统的任务和基本要求同步发电机的运行特性与其空载电动势E q 的大小有关，而E q 为励磁电流I E 的函数，改变励磁电流就可以直接影响同步发电机在电力系统中的运行性能。
因此，励磁控制是对同步发电机运行进行实时控制的主要内容之一。
电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响发电机的机端电压和并联运行机组间无功功率的分配。
当电力系统故障时，要求迅速改变励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。
可见同步发电机励磁控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统稳定运行等方面都具有十分重要的作用。
同步发电机的励磁系统由测量单元、励磁调节器和励磁功率单元组成，如图3.1。
励磁功率单元向同步发电机励磁绕组提供直流励磁电流，励磁调节器根据输入信号和给定的调节控制规律控制励磁功率单元的输出，从而达到调节励磁电流的目的。
整个励磁控制系统是由测量单元、励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。
图3-1 励磁控制系统框图图3.1 励磁控制系统框图 3.1.1 同步发电机励磁控制系统的任务在发电机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，优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机安全运行，提供合格电能，而且还能改善电力系统的稳定条件。
1. 调节电压电力系统正常运行时，负荷是随机波动的。
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点电压在给定水平，所以励磁系统担负着维持电压水平的任务。
为便于分析，下面用最简单的单机运行系统来进行分析，如图3.2所示。
图3.2（a ）是同步发电机运行原理图，图中GEW 是励磁绕组，G U 为机端电压，G I 为发电机定子电流，E I 为励磁电流，E U 为励磁电压。
正常情况下，励磁电流流过GEW 并建立磁场，从而使发电机定子产生空载感应电动势q E ，改变E I 的大小，q E 的值就相应改变。
第二章-第七章 励磁系统等数学模型
并联支路的电压电流关系
~ dI ~ ~ ~ d I V( ydx) Vy dx ~ 2~ d V d I ~ 再求导 z zy V dx dx 2 ~ ~ d2 I dV ~ y zy I 2 dx dx ~ ~ ~ ~ 设边界条件： V 已知 ( x 0) VR I ( x 0) I R ~ ~ ~ ~ V R ZC I R x V R ZC I R x ~ 上式通解为 V e e 2 2 ~ ~ ~ ~ ~ VR / ZC I R x VR / ZC I R x I e e 2 2
或
P P0 (a1V 2 a 2 V a 3 )(1 K pf f ) Q Q0 (b1V 2 b 2 V b3 )(1 K qf f )
一般
K pf 0～3.0 ， K qf 2.0～0 ,
f由母线电压相角的变化率来决定。
2. 负荷的动态模型 ① 恒温控制负荷模型 加热设备的动态方程
Tm T0 ( r )
另一表达式：
m
m r 0
ω 0为同步速
Tm T0 (Ar 2 Br C)
Te为电磁转矩
由感应电动机的等值电路
其中
RS XS
定子绕组相电阻 定子绕组相电组相电抗 激磁电抗
ns n r s pu ns
滑差
由等效电路图可知： 通过气隙传递到转子的功率 R 2 Pag r I r s 转子的电阻损耗 Pr R r I r 2
其相应的传递函数框图
调速系统的性能包括：
负载－频率控制
自动发电控制 改善大干扰稳定性（汽的快关）
§4 负荷数学模型
负荷模型的重要性： 潮流研究和稳定性研究 负荷模型的复杂性： 多种负荷集中在一个变电站 如下图
发电机励磁系统数学模型及参数对电网动态稳定性分析结果影响的研究
ｇ ｉ ｄ ｎ ｍｉ ｓａ ｉ ｔ ｂ ｔ ｅ Ｄ— Ｓ ｓ ｆ ｒ ｐ ｂ ｉｈ ｂ Ｃ ＲＩ ｉ ｐ ｐ ｒ ｎ ｌ ｚ ｓ ｏ ｍａｎ ａ ｔｒ ｂ ｆ ｕ ｒｄ ｙ ａ ｃ ｔｂ ｌ ｙ ｙ ｈ ＰＳ Ｓ ＡＰ ｏ ｗａ ｅ ｕ ｌｓ ｅ ｉ ｔ ｄ ｙ ＥＰ ． ｓ ａ ｅ ａ ａｙ ｅ ｓ ｍｅ ｈ ｉ ｆ ｃｏ ｓ ｙ ｏ ｒ
维普资讯
第 ３ 卷 第 ２ 期 ５ ｌ ２０ 年 １ ０７ １月 １日
继 电 器
ＲＥＬＡＹ
Ｖ １ ５ ＮＯ ２ ｂ． ．１ ３
ＮＯＶ ， ０７ ．１ ２０
发 电机励磁 系统数 学模型及参数对 电网动态稳 定性 分析结果影 响的研 究
（ ． ｈ ｉ ｅ ｔｉ ｏ ｒＲｅ ｅ ｒ ｈＩ ｓｉ ｔ， ｆｉ２ ０ ２ ， ｎ ； １Ａｎ ｕ ｃｒｃＰ ｗｅ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｕ ｅ Ｈｅ ｅ ３ ０ ２Ｃｈｉａ Ｅｌ ｔ
２ Ａｒ ｉ ｅ ｙ Ａｃ ｄ ｍ ｙ ｏ ｏ ｌ ’ Ｌｉ ｅ ａ ｉ ｎ Ａｒ ， ｆ ｉ ３ ０ ２ Ｃｈ ｎ ． ｔ ｌｒ ａ ｅ ｆ ｌ Ｐｅ ｐ ｅ Ｓ ｂ ｒ ｔ ｍｙ Ｈｅ ｅ ０ ２ ， ｉ ａ） ｏ ２
行 中 的 电网实 际情 况 来得恶 劣 ，而近 几年 的国外 电
网发 生 的大 面积停 电事故给 我们 的启 示也 表 明 ，电 压崩 溃 问题 实际就 是 电网动 态稳 定 问题 ，而发 电机
ｍｏ ｔ ｏ ｅ ｏ ｅ ｄ ｔｉ ｍｏ ｅ ｓａ ｄ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓｌａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ｎ ｌ ｓｏ ｓｃ ｏ ｅ ｔ ａ ｔ ｕ ｏ ｄ ｔ ｎ ． ｉ ｅ Ｇｒ ｃ ｌ ｐ ｅ ｄ ｓ ｎ ｆｔ ｅａ ｌ ｈ ｄ ｌ ａ ａ ｔ ｒ ｅ ｄ ｎ ｏ ｔ ｏ ｃｕ ｉｎ ｉ ｌ ｓ ｏ ｆ ｃ ｎ ｃ ｎ ｉ ｏ Ｗ ｔ ｔ ｉ ｓ ａ ｅ ｓ ｒ ａ ｓ ｎ ｈ ｒ ｉ ｈ ｈ ｄ ｑ ｉｋ ｙ ｔ ｅｃａ ｓｃ ｌ ｄ ｌ ａ ｄ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓｓ ｅ ｔ ｄｎ ｅ ｕｔ ｉｔ ｒ ｏ ． ｕｃ ｌ ， ｌ ｓ ｉａ ｈ ｍｏ ｅｓｎ ａ ａ ｔｒ ｅ ｍ ｂ ｇ ｒ ｓ ｌ ｄ ｓ ｔ ｎ ｏ ｏ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ ； ｅ ｃ ｔｔ ｎ ｓ ｓｅ ｍｏ ｅｓ ｄ ｎ ｍｉ ｔ ｂ ｌ ｙ ｙｗｏ ｄ ： ｅ ｅ ａｏ ｓ ｘ ｉ ｉ ｙ ｔｍ ｄ ｌ； ｙ ａ ｃ ｓａ ｉ ｔ ａｏ ｉ
励磁系统(ABB)培训教材讲解
第一部分：基本原理和硬件介绍 一、发电机的电磁机理基本说明：1、应用电磁理论，导体在磁场中切割磁力线产生电动势（电压）：ξ=BLV （B ：磁场强度，L ：导体长度，V ：切割速度）。
简单的讲就是：导体在磁场中做切割磁力线运动，就产生感应电动势，当形成闭合回路时，就会感生出电流。
2、对于发电机：转子产生的磁场旋转切割定子线圈，在定子线圈上产生电动势（电压），如右图，由ξ=BLV 可以理解：1、导体长度L 相当于匝数乘单圈长度，固定不变；2、假定转速不变，切割速度V=R ω也可以理解为不变；3、电动势（机端电压）只与旋转的转子磁场强度成正比，其他基本不变。
3、对于载流导线的磁场：任一载流导线在点 P 处的磁感强度: ，电流I 在直导线周围P 产生的磁场012(cos cos )4I B r μθθπ=-，无限长载流导体的磁感强度：02I B r μπ=，当转子本身固有特性不变时，转子电流磁场在定子导线处感生的磁场强度B=KI ，其中，I 是励磁电流值，K 系。
4、综上所述可以理解为发电机定子产生的电动势综合比例系数，I ：励磁电流），电动势U 与励磁电流I 的大小成正比。
5、电动势与机端电压有区别，电动势等于机端电压加定子线圈内阻抗的压降，当发电机空载运行时，定子电流为0，内阻抗的压降也为0，发电机的电动势也等于机端电压，调节发电机的励磁电流，直接作用于调节发电机的机端电压；当发电机并网后，定子线圈与负载组成闭合回路，由于定子两端电动势的作用在闭合回路中产生定子电流，内阻抗的压降等于定子电流乘以内阻抗，机端电压等于发电机的电动势减去内阻抗的压降，向外传递电功率。
6、由电磁理论可知，电流流过定子线圈产生磁场，而定子电流的磁场又反作用于转子上，对转子产生磁场力作用，可以正交分解为定子有功电流磁场力和定子无功电流磁场力2个作用力，其中定子有功电流磁场力对转子的机械扭力起平衡作用，定子无功电流磁场力对转子的转子电流磁场力平衡作用，最终达到平衡状态，下面在发电机的基本原理中将详细讲述。
自动调节励磁系统的简化模型课件
2 xd xq
磁阻功率
29
用暂态电势表示隐极机的功角特性
Eq Uq Id xd 0 Ud Iq xd
Uq U cos Ud U sin
xd xq xd
PEq Ud Id Uq Iq
Ud
Eq Uq xd
Uq
Ud xd
EqU sin U 2 xd xd sin 2
( 1)0
d
dt
1 TJ
( PT
PE )
调速器一般在发电机转速变化之后才能起调节作用， 加上本身惯性较大，在一般短过程的机电暂态分析
中，假定机械功率 PT 不变。
电磁功率 PE 的描述和计算，就成了电力系统功角稳
定分析中最为复杂和困难的任务。
17
2.2 发电机的电磁功率
功角稳定分析 δ(t)
求解状态方程
Eq EQ
jId xd jId xq E q
jId xd
xd xq xd xd xq xd
U q Iq
Eq EQ
jIxq
E U G
jIxd U jIxe
I
Id U d
功角特性
G
d
25
凸极机的简单系统相量图
q
Eq
jIxq
jId
xd
jId
xq
jId
EQ Eq
xd
Eq q轴
U 0
功角 是两转子之间的空间相对位置角
d
dt
0
两边求导
d 2 d
dt 2 dt
TJ
0
d 2
dt 2
P
PT PE
PT 机械功率
PE 电磁功率
11
发电机励磁系统的数学模型及PID控制
发电机励磁系统的数学模型及PID控制仿真一设计意义、任务与要求1.1电力系统建模的重要意义1.2设计任务建立同步发电机、电压测量单元、功率放大单元与PID调速器的传递函数；通过Matlab的建模及仿真，对阶跃响应情况进行分析；加入PID调节环节，使励磁控制系统的动态特性曲线满足动态指标。
1.3设计要求我国国标《大、中型同步发电机励磁系统基本技术条件》（GB7409-1987）对同步发电机动态响应的技术指标作如下规定：1）同步发电机在空载额定电压情况下，当电压给定阶跃响应为±10％时，发电机电压超调量应不大于阶跃响应的50％，摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s。
2）当同步发电机突然零起升压时，自动电压调节器应保证其端电压超调量不得超过额定值的15%，调节时间不应该超过10s,电压摆动次数不大于3次。
二方案设计与论证现代电力系统的稳定性是电力系统安全运行的主要问题之一。
随着我国电力工业的迅速发展，单机系统容量不断增大，区域间互联增多，电源点远离负荷中心，线路长趋于重负荷运行之下，以及电力系统与发电机组控制复杂化等因素都造成电力系统的稳定性下降，使得稳定问题成为我国电力系统中相当突出而又迫切需要解决的任务。
大量的理论分析和实践经验证明，为了提高电力系统稳定性而采取的措施中，发电机的励磁控制具有明显的作用，是一个经济而又有效果的手段。
通过对发电机施加合适的励磁控制，可以使之工作在人工稳定的区，提高输送功率的极限，提高系统稳定储备，改善系统静态稳定性能。
通过附加控制，增加阻尼，可以改善系统的动态稳定性。
因此，改善发电机励磁控制技术，使之跟有效的服务于电力系统安全稳定运行，便成为一个重要的课题。
因为本设计主要针对PID调节在励磁控制中的作用，因此设计方案设有无PID调节励磁控制和有PID调节控制两个方案，并进行对比，分出优劣，选取效果极佳的方案。
同步发电机励磁系统是指向同步发电机提供励磁的所有部件的总和，包括励磁功率部件、励磁控制部分、发电机电压测量和无功电流补偿部分，以及电力系统稳定器（简称PSS ），见图2-1。
十二、EXC9000励磁系统数学模型与控制逻辑
P83
100
励 磁 电 流 IL2 励 磁 电 流 IL
(IL-Iover)
2
I
O Time
50S
1 2
1<2 强励限制值有效
P93
0 0
1 1=2 2 1 2 1>2
>Start Status CLR
励磁电流越限
强励与过励限制
7
EXC9000 励磁系统
6 调差与欠励限制控制逻辑
Ut 机端电压 Pt 有功功率 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
EXC9000 励磁系统
EXC9000 用户手册
第 12 章
调节系统数学模型与控制逻辑
广州电器科学研究院 广州擎天电气控制实业有限公司
1
EXC9000 励磁系统
1 自动电压调节器（AVR）数学模型
1.1 传递函数框图
_ ∑ 1+TRS + + ∑ + Qt 无功功率 1 KIR 1+TRS 1 KIA 1+TRS PSS2A acc. to IEEE 421.5 1992 ∑ + PSS_UK Ufmin + 1+TA1S 1+TA2S 1+TA3S 1+TA4S KR 1 1+TsS + HV Gate LV Gate UEL 欠励限制 OEL 过励限制
典型值 0.010 0.004 +0.06 0.00 200 0 4.0 0 1.0
EXC9000 励磁系统
Ufmax Ufmin
最大励磁电压 最小励磁电压
标么 标么
固定 固定
… -0.9* Ufmax
发电机励磁系统的数学模型及PID仿真
目录 (1)摘要 (2)一、设计意义、任务与要求 (3)1.1设计意义 (3)1.2设计要求 (3)二、设计与论证 (3)2.1同步发电机传递函数 (3)2.2电压测量单元 (3)2.3功率放大单元 (4)2.4同步发电机励磁控制系统框图 (4)2.5 同步发电机励磁控制系统传递函数 (4)三、同步发电机励磁控制系统的Matlab电路设计与仿真 (5)3.1 电路设计 (5)3.2 simulink仿真图 (5)3.3 第二种电路设计 (6)3.4 simulink仿真图 (6)四、同步发电机励磁系统的PID控制仿真 (7)4.1 PID控制器 (7)4.2 含有PID控制器的同步发电机励磁控制系统电路设计 (8)4.3含有PID控制器的同步电机励磁系统simulink仿真 (8)五、结果分析与总结 (9)参考文献 (10)我们这次举例的发电机励磁控制系统是通过功率放大单元、电压测量单元、同步发电机等环节构成，是一个很简单的发电机励磁控制系统，但是简单的系统更容易说明问题。
PID控制器是由比例（P）、微分（D）、积分（I）三个小的环节组成，我们这次通过MATLAB的SIMULANK仿真来展示一个发电机励磁控制系统，并且展示PID控制系统在发电机励磁系统中神奇的作用。
关键词：发电机励磁控制系统 PID控制器 SIMULANK一、设计意义、任务与要求1.1设计意义电机励磁系统在结构上属于一个自动控制系统，而自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控机构上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样。
1.2设计要求我国国标《大、中型同步发电机励磁系统基本技术条件》（GB7409-1987）对同步发电机动态响应的技术指标作如下规定：（1） 同步发电机在空载额定电压情况下，当电压给定阶跃响应为±10％时，发电机电压超调量应不大于阶跃响应的50％，摆动次数不超过3次，调节时间不超过10s 。
第三章5节励磁调节原理
(0)发电机运行状态——静态稳定极限b
P U G I cos U G I (cos G cos sin G sin ) Q U G I sin U G I (sin G cos cos G sin )
I sin I d (U G cos G U cos ) / X e I cos I q U G sin G / X d
电磁型励磁调节器
电子型励磁调节器
数字型励磁调节器 机电型励磁调节器的任务是调节电压，其调节线圈中的电流与 发电机电压成正比，调节线圈中产生的磁场力作用于变阻器，从而 改变励磁机磁场电阻以达到调节电压的目的。 由于它操作中需要克服摩擦力，故而具有不灵敏区
2014-10-28 10/46
1 励磁调节器的发展历程
主控制单元输出的数字量数据装入到计数寄存器，同步电 压经过隔离、电平转换，在电压过零点处形成正脉冲，加到 Gate端，使计数器开始计数（作减法），计数结束时输出端的 低电平信号经过转换后形成触发脉冲输出，他与同步电压过零 点间的相差的时间就是相移角
2014-10-28 24/46
移相触发单元
同步单元 同步 信号 移相 整流器接口 门极驱动 至晶闸管 门极 移相控制 信号
2014-10-28
26/46
3 调节控制的数学模型
PID调节控制的算法方程式：
1 ut K P et TI
det 0 et dt TD dt
t
K
t
0
et dt T e jT
j 0
de t 1 eKT eKT T dt T
2014-10-28 30/46
(0)发电机运行状态——定转子热极限
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Xr KC 3Z fB
若IN>1，则FEX=0
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
' ) Eq , i (fG ) 关系 u (fG与
' 由 Eq 到 u (fG ) 存在换相压降
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
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
Id 与 i f
(G )
1 Td' 0 p
在一定运行工况附近,
' Eq
' (G ) 可近似为正比关系： I d KD if
E (f L ) K D i (fG )
1 1 Td' 0 p
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
' ) Eq , i (fG ) 关系 u (fG与
式中
K LI Rg RC Rg RC RB
KL 1
Rg RC RB
0
TL Ty TB
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
(2) 式中,
iFL* 0 则 u Lf *
uf*
1 S E K L pTL 1 S E K L pTL
测量与负载补偿
概
自动励磁调节器
保护与限幅环节
述
控制功能
单一机端电压 控制 多功能的励磁 控制
发电机
辅助调节器
参考值
励磁 调节器
主励磁 系统
励磁系统稳定器
测量与负载补偿
概
自动励磁调节器
保护与限幅环节
述
控制策略
比例控制 PID控制 线性励磁调节
辅助调节器
参考值
励磁 调节器
主励磁 系统
发电机
励磁系统稳定器
概
励磁系统的类型
述
根据励磁功率单元
主励磁 系统
G
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
概
直流励磁系统
自励式直流励磁机 励磁系统
述
励磁系统分类及典型接线
+ G -
它励式直流励磁机 励磁系统
+ FL -
L+ G -
概
述
交流励磁系统
励磁系统分类及典型接线
1 Td' 0 p
X ad ( L ) uf rf
E
( L) f
励磁机的定子电流经整流后才 接入发电机励磁绕组的。
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
Id 与 i f
(G )
关系
' Eq
' E (f L ) ( X d X d )I d
励磁机的定子电流经整流 后才接入发电机励磁绕组的。
简化传递函数框图
在大规模电力系统分析中应用
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/T 7409.2--2008
详细模型
简化模型
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/T 7409.2--2008
电势源型---模型1
电势源型---模型2
静止励磁功率单元数学模型
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。
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
第3讲 励磁系统数学模型
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
概
述
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。
KE: 描述有自励分量 励磁机的特性。它励 时KE=1
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。
计及饱和作用
直流励磁机的饱和系数定义
SE
iLf iLf 0
1 0
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：
S E aE u f
一般是非线性关系
nE 1
/ bE
直流励磁机数学模型
推导有名制传递函数
u Lf Ry i y p L u f ( RC Rg RB )iB RB iFL p L
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
～
～
G
AVR
～
G
AVR
～
G
AVR
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
G
AVR
G
复合源静止励磁功 率单元
AVR
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
计及饱和作用
L 与 iLf 的关系
气隙线斜率 tan
L
iLf 0 L
L LiLf 0
u f 与 iLf 的关系
气隙线斜率
tan uf iLf 0
存在如下关系 L 励磁机运行在额定转速 , uf
L
L
uf
u f iLf 0
直流励磁机数学模型
) ' U (fG F E * EX q*
' 3 2 Eq G) U (fB
' Eq *
FEX 1 I N / 3
) ' I N KCi (fG / E * q*
FEX
1 I N / 3 2 0.75 I N 3 (1 I N )
(0 I N 0.443 (0.443 I N 0.75) (0.75 I N 1)
( RC Rg )
RC Rg RB
iFL
TB L /(RC Rg RB ),Ty L / Ry , TL TB Ty
自励绕组时间常数
它励绕组时间常数 励磁机时间常数
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
便于和发电机、 电压调节器接 口
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.
概
述
励磁系统分类及典型接线
静止励磁系统
电势源变压器
例：交流侧串联、 电压相加的复合源 静止励磁功率单元
电抗器 同步电机
GS 整流器
电流源变压器概自动源自磁调节器保护与限幅环节述
实现手段
变阻器型 旋转放大机型 磁放大器型
辅助调节器
参考值
励磁 调节器
主励磁 系统
发电机
晶体管式
励磁系统稳定器
集成电路式
基于计算机实 现的数字式
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
' ' ' Td' 0 pEq E (f L) [Eq (Xd Xd )I d ]
' Eq
' E (f L ) ( X d X d )I d
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。
(1) Ry
iy uLf Ry Ty
(2) (RC Rg RB )
RB TB iB iFL pu f RC Rg RB RC Rg RB uf
pu f
[S E (1
RC Rg RB
) TL p]u f
Ry
uLf
直流励磁机数学模型
直流励磁机电路
假定: RB , Ry 自励、他励绕组电阻 (1) 他励绕组和自励 励磁调节电阻 R C 绕组的匝数相同,或 R 励磁回路附加电阻 g 认为他励绕组匝数 N1 , L1 他励绕组匝数和电感 和参数已折算到自 u f f (iFL , uLf ) 建立 : N 2 ,励绕组侧； L2 自励绕组匝数和电感 iy , iB , iFL 他励、自励、复励电流 (2) 励磁机无漏磁;
自励绕组
u fB iLf u fB / RB u fB / iLf B
Ry
他励绕组
iLf B u LfB iLf B Ry RLfB u LfB / iLf B
直流励磁机数学模型
推导标幺制传递函数
标幺制形式
(SE KL pTL )u f * uLf * KLI iFL*
' 由 Eq 到 u (fG ) 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
U
(G ) f
3 2
E
' q
3X r
i (fG )
Xr---整流器的换相电抗
换相压降
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