基于matlab的同步发电机组建模与仿真

1、基于matlab的同步发电机组建模与仿真基于matlab的同步发电机组建模与仿真I基于 MATLAB 的同步发电机组建模与仿真摘要 随着电网的规模越来越大，电力系统的运行也随之越来越复杂。同步发电机及其控 制系统作为电源是电力系统中的重要 组成部分，其性能对电力系统有着极大的影响，直 接关系 到系统的稳定运行。为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电 机组特性进行深入的研究。而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性 随着机组的运行状态而不断变化，所以建立机组的模型并 进行仿真研究是掌握发电机动态特性，评价其各个控制系统性能的有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到很 大的

2、作用。同步发电机组模型的建立将涉及到机组的机理分析，有利 于从理论建模中引生新的设计方法，为优化设计提供理论依据。本文将对同步发电机及其励磁系统、调速系统的数学模型进行研究，利用 MATLAB/Simulink 搭建同步发电机组的 仿真模型，建立单机无穷大系统，最后对模型进行仿真，并分析仿真结果。关键词：电力系统；单机无穷大系统；MATLAB/Simulink ;仿真；同步发电机组华北电力大学本科毕业设计（论文）摘要 IISYNCHRONOUS GENERATOR UNIT MODELING AND SIMULATION BASED ON MATLAB Abstract With the en

3、largement of the power grid scale, the operation of the power system is becoming more and more complex. As supply unit of the system, synchronous generator and its control system plays an important part in the power system. Their performance also imposes great influence to the power system and has a

4、 direct connection with the power system stability. In order to ensure the safe and economic operation of the power system, we shall do a profound research on the synchronous generator unit characteristics. However, the operation of the synchronous generator unit is a extremely complex process. Its

5、dynamic characteristics are subject to the changing states of the unit operation. Therefore, it is efficient to build a unit model and do simulations research to acquire the dynamic characteristics of the unit, and evaluate the performance of each control system. This will also play a great role in

6、the staff training and researches. The building of the synchronous generator unit model will involve the mechanic analysis of the unit, do favor to deduce new designing methods from theoretical model buildingand provide theoretical basis to the optimization design. In this paper the mathematical mod

7、el of the synchronous generator and its excitation system, speed regulating system will be researched; the simulation model of synchronous generator unit will be built based on MATLAB/Simulink; a single-unit infinite system will be established; finally simulate the model and verify the accuracy of t

8、he model. Key Words: Power System; Single-unit Infinite System; MATLAB/Simulink; Simulation; Synchronous Generator Unit华北电力大学本科毕业设计（论文）目录i目 录摘要? ?Abstract?I?I?论 ? 景和意义? ?电力系统仿真发展现状 ?1.3 本课题所完成的主要工作?1?4? 2.1同步发 电机数学模型?1?2.1.1同步发电机数学建模概述?2.1.2同 步 发 电 机 基?4?2.1.3 同 步发 电机三 阶模型?4?2.1.4 ?7?.2励 磁 系 统 数 学 模

9、 型?做?2出1同步发电机励磁自动控制系统概述 ?勿？伺？1 步发电机励磁自动控制系统数学模型 ?宓？?？?？?？?？1? ?1我?. 3.1同步发电机组调速控制系统概述 ?2?2?1?3?然？ a J，I £.于 MATLAB 同 步发 电机组仿真?T2?3>?1MATLAB ?3.1.1?2?MATLAB/Simulink?13>?3?1?2?S?ulink 库模块? ?13 3.2 同步发电机组仿真的初值计算?71?3>：3?1同 步 发 电 机 组 仿 真 模 型?153.3.1 同 步 发 电 机 模 型? ?6?3.2同步发电机励磁自动控制系统仿真模型?

10、3笈3?硒婚?？?？电 机 调 速 系 统 仿 真 模 型?俯？?？2?1系 统 仿 真 及 结 果 分 析?3.4.1稳 定 运 行?1 ?9?4?系统电压突增或突降 ?1?203.4.3 增加励磁系统给定电压?13.4.4 增加调速系统给定功率? 3华北电力大学本科毕业设计（论文）目录 ii 3.4.5三相突?24? 4结 论 与 展 望? ?26?卷 ? ?27?致 ? ?28?察?W?W?k设计（论 文）1 1绪论1.1课题背景和意义 随着现代电力系统网络 规模的不断扩大和电网电压等级的不断升高，电力系统规 划、 运行和控制的复杂性亦日益增加。同步发电机及其控制系统作为电力系统的重要组

11、成部分，其性能对电力系统有着极大的影响，直接关系到电力系统运行的安全和稳定为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电机组特性进行深入的研究。而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性随着机组的运行状态而不断变化，所以建立机组的模型并进行仿真研究是掌握发电机动态特性，评价其各个控制系 统 性能的有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到 很大的作用。同步发电机组模型 的建立将涉及到机组的机理分析，有利于从理论建模中引生新的设计方法，为优化设计提供理论依据。1.2电力系统仿真发展现状自20世纪40年代以来，用计算机方法去研究系统的特性成为科学发展的时尚。仿 真技术是一门多学科综合的

12、应用技术科学，也是一门近年来发展迅速的新兴学科。仿真就是建立系统的模型（数学模型、物理效应模型或数学一物理效应模型）并在模型上进行 实验1。随着电力系统发展的越来越庞大，电力系统的运行也随之越来越复杂，并且计算机应用技术发展迅速，电力系统的动态实时计算机仿真系统由于其精度高、改变参数方便、重复性好等优点，已经逐渐取代传统的物理仿真系统2 o电力系统数字仿真是在计算机上为电力系统的物理过程 建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程。电力系统数字仿真因具有不受原型系统规模和结构复杂 性限制，能保证被研究系统的安全性，且具有良好的经济性、 方便性等优点，在电力系统各个领域中已获得了广泛应用

13、。目前，电力系统的仿真技术可以总结归纳如下3:1）电力系统离线仿真技术：电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程。在建立数学模型时，往 往忽略一些次要的因素，因而常常是一个简化的模型。目前，电力系统离线仿真软件，对不同的动态过程采用不同的仿真方法，主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程 仿真 和中长期动态过程仿真 3种。2）电力系统实时仿真技术：电力系统实时仿真系统大概经历了三个历史阶段，基于相似理论的以实际旋转电机为代表的电力系统动态模拟仿真系统、数模混合式实时仿真系统、全数字实时仿真系统。我国电力系统实时仿真的发展历程基本跟踪了国

14、际上电力 系统实时仿真发展不同阶段的最新技术。在同步发电机的建模与仿真研究方面，使用的仿真工具 有多种。它们在建立同步发 华北电力大学本科毕业设计 （论文）2电机模型的方法上各有不同，在研究同步发电机不同问题上也是各有侧重与优势。目前，关于同步发电机组的常用仿真软件可以总结如下：1) Saber仿真软件4 Saber具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，采取的是组合仿真方式。在Saber软件平台上对同步发电机进行建模和仿真既简捷又有效。Saber建模分两个步骤：首先编写器件的模板，它是用Mast语言编写的源程序，用于 描述器件的工作性能； 然后利用Saber提供的Symbol E

15、dit 为第一步编写的器件画由元件图，在该图属性列表中填入primitive为模板名，实现该图与模板的连接。在建立同步发电机组数学模型时，由于不要求电机方程的解析解，电机的数学模型就采用实际的电机模型，电压与磁链方程不必进行坐标变换。2) Maxwell 2D 仿真软件5随着计算机在数值计算领域 的广泛应用，尤其是有限元法分析在电磁场中的应用，采用电磁场方法精确计算电机的动态问题已成为可能。利用ANSOFT公司的 Maxwell 2D 软件提供的二维有限 元仿真环境建立的同步发电机的二维有限元模型，可以直观 地看到 电机磁场的分布情况。选择气隙中的一个点，可以计算气隙的磁密，并以表格形 式记录

16、 下来；可以看到静态下 B6与Ff的曲线；可以得到 电机的空载特性。3) PSPICE仿真软件6 SPICE是世界著名的模拟电路 仿真标准工具，PSPICE是MicroSim公司当今众多 SPICE 不同分支中的一种，是用在PC机上作电子线路设计模拟和 仿真的软件包。PSPICE 5.0的特点是能够针对具体的电路模型，采取相 应的无源器件、有源器件和电源模型进行描述，然后作由包括直流分析、交流分析和瞬态分析等相应的分析。因此，利 用PSPICE 5.0对同步发电机进行数字仿真，研究其数学模型，并将其转换为相应的PSPICE电路模型，获得发电机三相短路数据，解决了由于同步发电机内部结构及 与之相

17、 应的数学模型所具有的独特复杂性，电气设计人员一直为三相短路精确仿真问题所困扰的问题。PSPICE是根据电路输入文件完成相应的模拟，也就是通 过PSPICE的编程来描述 同步发电机的数学模型，实现同 步发电机的建模。4) DSP(TMSF240)仿真软件7基于 DSP(TMSF240)的 同步发电机实时仿真系统是系统集检测、分析、报警于一体，并可以方便地进行同步发电机的多种工况下的过渡过程和 动态行为的实时仿真。它能取 代现实中的同步发电机组与待测励磁调节器构成的闭环系统，从而检测由励磁调节器性能。在建模与仿真的实现方法上，该系统需要设计软硬件，采 用主从CPU结构，由主控 模块、仿真计算核心

18、模块、 输入 输出模块和定时中断模块组成软件部分。1.3本课题所完成的主要工作本文是对同步发电机组进行建模与仿真，并分析所建模型的正确性。本课题是在研 华北电力大学本科毕业设计（论文）3究同步发电机组的数学模型基础上，研究单机无穷大系统的状 态方程组及励磁系统和调 速系统的传递函数，在 Matlab/Simulink 环境下搭建同步发电机组的单机对无穷大 系统，分析仿真结果。主要工作如下：1）在阅读和研究国内外关于发电机组建模和仿真的文献基 础上，结合同步发电机组特点，构思由整体的同步发电机组的设计方案。2）研究同步发电机组数学模型，结合参考文献，得由单 机对无穷大系统的状态方程，以及励磁系统

19、和调速系统的传递函数。3）在 Matlab/Simulink 环境下，搭建单机无穷大系统状 态方程和励磁系统、调速系统 传递函数，实现同步发电机 组的仿真模型。4）研究仿真中的初始化问题，对本课题的仿真模型相关变量进行初始化计算，并对模型相关参数进行设置，最后进行仿真，分析结果。华北电力大学本科毕业设计（论文）4 2同步发电机组数学模型 2.1同步发电机数学模型2.1.1同步发电机数学建模概述 同步发电机是电力系统非常重要的元件，它是一 种集旋转与静止、电磁变化和机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而其动态性能 又对 全电力系统的动态性能有极大的影响。建立的同步发电

20、机模型的类型、精度直接影响着暂态稳 定数字仿真的效果，通常在建模之前，为了简化分析，一般均假设同步电机为理 想同步电机8。在分析电力系统暂态稳定中，同步电机实用模型最重要的 简化假定是：忽 略定子绕组暂态过程，从而令定子电压微分 方程中，这样就把它化为代数方 0 dqpp程。另一假定是定子电压方程中，从而使方程线性化。另外，对实际的同步电机还要1作必要的假定：1）电机磁铁部分的磁导率为常数，既忽略磁滞、磁饱和的影响，也不计 涡流及集肤作用的影响。2）对纵轴及横轴而言，电机转子在结构上是完全对称的。3）定 子及转子的槽及通风沟等不影响电机转子及转子的 电感，即认为电机的定子及转子是光滑的。以上的

21、假定在大多数情况下都能满足实际工程研究的需 要，下面给由的同步电机 基本方程基于上述假定9。2.1.2 同步发电机基本方程同步电机数学模型在 abc坐标下为8阶模型。由于转子的旋转和凸极效应，造成发电机原始方程的系数是随着转子位置的角度 （也就是随着时间）而改变的，这些 方程是属于所谓的变系数微分方程，使得方程的求解非常 复杂困难，因此实际分析同步电机时很少采用abc坐标。派克变换是最广泛应用的坐标变换之一，可以将同步电机 含变系数的微分方 程 改造”成为常系数的微分方程。通过派克变换，可以在dq旋转轴上分析研究电机的电磁现象，进而能很好地适应转子的旋转与凸极效应2。经派克变换后得到的 dq0

22、坐标下 同步发电机微分方程， 即派克方程（电压方程、磁链方程），其中的电感参数均为定 值，从 而非常有利于同步电机动态分析与计算。2.1.3 同步发电机三阶模型在建立同步发电机的数学模型时，详简不同的数学模型 ，其主要区别在于电机的转子绕组数10,如果转子 D轴、Q轴各有两个绕组，且每一个 转子绕组有一个一阶微分方程，那么则称之为转子四阶模型，连同转子运动方程为两阶方程，则整个发电机方程组为 六阶模型。如果转子绕组数减少，则发电机方程组的阶数也相应减 少。不同阶的模型，可 以在不同目的电力系统暂态数字仿真中使用11。在实用电力系统动态分析中，当计及励磁系统动态时，最简单的模型就是三阶模型，由于

23、它简单而又能计及励磁系 统动态，因 此广泛的应用于精度要求不十分高，但仍需计 及励磁系统动态的电力系统分析中。本文 华北电力大学本科毕业设计（论文）5中将只考虑机组f绕组的电磁暂态以及转子运动过程 ，不考虑转子阻尼 绕组的暂态过程，即 所建模型为三阶模型。1）等效实用变量的定义：a）定子励磁电动势Ef :（2-l）adfffX Eu rb）电机q轴空载电动势 Eq（又称Xd后面的电动势）：（2- 2） qad f EX i c）电机q轴瞬变 电动势（又称X' d后面的电动势）：q E（2- 3） qad ffXEX2）置换用的变量表达式推导：因为，所以 0时浮血 （2-4） 0000

24、ad ffad fq f X EuX iE r由发电机基本电压方程可得：（2-5） 000000qda qqd daq ur iEX ir i（其中,）000dd dad f X iX i由发电机基本磁链方程可知：（2-6） fad dff X iX i 将上式代入式（2-3）: （2-7） 2 adad qfad f ff XX EX i XX因为一所以我们可以得到：2 ad dd f X XX X（2- 8）（） qqddd EEXXi根据式（2-5）和式（2-8）可得：(2- 9) OOOOqqd da q uEX ir i用相量图可以表示，和之间的关系，如图(2-1):0q u 0q

25、E 0q E华北电力大学本科毕 业设计(论文)6qiV 1 GI GV d u d i d S)0( xq 00fq EEq u ddl X Oq E ddl X qd EGqljx 图2-1，和之间的相量关系 0q u 0q E 0q E 3)定子 电压方程：根据电压、磁链方程(派克方程)，消去、，得到：d q(2-10) ddqa dq qa d upr iX ir i(2-11) qqda qqd da q upr i EX if i4)转子励磁绕组电压方程：根据电压方程，两边同乘以，可得：ffiffupr 1 adfXr(2-12)ad ffqfXpEEr 因为, 所以：0 f ad

26、ad ffqd fffXXX ET rXrdoqfqdTEEE dt(2-13)fqddd EEXXi其中，为励磁绕组时间常数。OfdfXTr 5)转子运动方程：()memd qq dd HPPPii dtmqddqq qd PEX iiX ii华北电力大学本科毕业设计(论文)7 (2-14) mq qdqd q PE iXXi i(2-15)1 d dt若计及转子的阻尼效应，则式(2-12)可以修改为：(2-16)1 mq qdqd q d 1IDPE iXXi i dl其中，为发电机组阻尼系数。D式(2-13)、(2-14)和(2-15)即构成同步发电机的三阶模型。2.1.4 单机无穷大系

27、统 如图2-2所示单机无穷大系统： 同步发电机变压器 T输电线路L VtVs图2-2单机-无穷大 系统 系统电压为 Vs恒定不变，变压器和线路电抗为。则可以求生：l X (2- 17)C0Sq$ddEViX(2-18) sin s q q V i X其中一；ddlXXX qqlXXX 将式(2-17)、(2-18)代入式(2-13),即得到单机无穷大系统的电压 方程：(2-19)0 1 sin dd q fqqs dd XXdE EEEV dtTX电磁功率方程：eqdqdq PEXXiicos sin qs sqdq dq EV V EXX XX(2-2()2 sin2 sin 2 sdq s

28、 q dqd VXX V eXXX华北电力大学本科毕业设计(论文)8 2.2励磁系统数学模型 2.2.1同步发电机励磁 自动控制系统概述供给同步发电机励磁的装置称为励磁系统。励磁系统是同步发电机组的重要组成部分，它由自动励磁调节器和励磁功率单元组成。自动励磁调节器分机电式励磁调节器、半导体励磁调节器和计算机励磁调节器。励磁功率单元分为直流电源励磁和交流电源励磁。直流电源励磁的电源为直流励磁机。交流电源励磁包括交流电源和整流器两部分。随着自动化技术的进步，励磁调节器经历了电磁式、模拟半导体式和数字式等几个发展阶段。目前，电力系统中运行的励磁调节器种类很多、类型各异，但就控制规律而言，绝大多数属于

29、比例式调节器。励磁系统和发电机组成一个反馈自动控制系统一一发电机励磁自动控制系统。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，励磁电流的改变会引起机端电压或无功功率的变化。励磁自动控制系 统按预定要求调节励磁电流，起到如下作用：1）电力系统正常运行时，维持发电机或系 统莫点电压水平； 2）合理分配发电机间的无功负荷。发电机的无功负荷与励磁电流有着密切的关系，励磁电流的自动调节，要影响发电机间无功负荷的分配，所以对励 磁系统 的调节特性有一定的要求；3）在电力系统发生短路 故障时，按规定的要求强行励磁；4）提高电力系统静稳定极 限；5）加快

30、系统电压的恢复，改善系统工作条件。为了使自动励 磁控制系统充分发挥上述作用，装置应满 足如下几点基本要求：1）在正常情况下，能根 据机端电压的变化自动地改变励磁 电流，维持发电机电压值在给定水平；2）并列运行发 电机上装有自动励磁调节器时，应能稳定分配机组间的无功负 荷；3）电力系统发生故障 导致电压降低时，励磁系统应有 很快的响应速度和足够大的强励顶值电压，以实现强行励磁的作用；4）装置要简单可靠， 动作要迅速，调节过程要稳 定。调节系统应无失灵区，以保证在人工稳定区内运行 12 o为了研究励磁系统对电力系统稳定的影响，就必须设计合理的励磁调节器模型，通过仿真来深入了解不同参数下的励磁系统对

31、改善电力系统稳定性的作用。对励磁自动控 制系统建立数学模型，需要根据建模的目 的和控制系统的结构及其工作条件做由一些假设，这样建立的数学模型能够突生主要矛盾，使数学式简化、物理意义 清楚。因此，由 同一个励磁系统所构成的发电机励磁自动控制 系统用于不同目的时建立的数学模型是不相同的。例如，用于电力系统稳定研究时一般都要进行较多的简化，只剩下最能表达励 磁系统本质特性的部分；用于研究 励磁系统性能的数学模型就要较少简化，以使结果尽量精确13 o本文将所建模型属于前者。2.2.2同步发电机励磁自动控制系统数学模型实际电力系统中，励磁系统的种类繁多，各不相同，本文励磁系统是 以下面的结构 华北电力大学本科毕业设计（论文）9来进行设计的。电压测量单元综合放大单元适应单元励磁功率单 元