同步发电机组戴维南等值模型
任洪林;张磊;邬桐;孟斌
【摘要】为了解决电网机电暂态仿真中利用高阶发电机实用模型和梯形法而引起的机网方程“维数灾”和迭代求解问题,基于戴维南等值原理,利用梯形积分法建立了线性发电机组的离散时域d-q轴和x-y轴戴维南等值模型.使得在仿真中发电机可以选择高阶实用模型,而不影响机网方程的维数.该模型在一段时间内与原发电机组模型等值,而非一个积分步长,从而减少了修正模型的计算量.功角计算取决于相应变量的过去时间值,从而解决了利用梯形法求解机网方程所造成的迭代求解问题.仿真结果表明,模型具有较高的仿真精度和数值计算稳定性.
【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》
【年(卷),期】2016(021)001
【总页数】4页(P62-65)
【关键词】机电暂态仿真;戴维南等值模型;同步发电机组;数值仿真
【作者】任洪林;张磊;邬桐;孟斌
【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;国网重庆市电力公司经济技术研究院设计中心,重庆401121;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001
【正文语种】中文
【中图分类】TM712
系统的等值方法可以极大地降低仿真方程的维数,减少仿真计算量,在电网暂态仿真中得到了广泛的应用[1-8]．这些方法将包含多台发电机组的外网络等值成一台发电机．其等值精度受到诸如发电机运行方式等因素的影响[4]．根据电网暂态过程的不同阶段,选择不同阶次的发电机模型和网络模型,也是降低仿真方程维数、提高仿真效率的重要方法[9-10]．这一方法的关键问题是如何准确甄别系统暂态过程处于何种阶段以及如何实现各种模型的合理转换．
文[11-14]的研究结果表明:选择不同阶次的发电机模型对电网暂态仿真结果有较大的影响;模型阶次越高,暂态仿真结果越接近实际暂态过程．然而高阶发电机模型也可能造成仿真方程的“维数灾”[15-16]．为此,本文利用戴维南等值原理,研究了发电机组的等值问题．在系统小扰动条件下,首先建立发电机机端电压与电流的积分关系式,而后利用梯形积分法建立了发电机组的离散时域d-q轴与x-y轴的戴维南等值模型．与现有的发电机组离散时域等值模型相比[17-19],该模型的变量数少,且在一个时间段内与原发电机组等值,而非一个积分步长．减少了修正模型的计算量．利用该模型对电网进行暂态仿真,可以避免由于采用梯形法带来的机网方程的迭代求解,同时也可以将用于稳态电网分析的等值方法应用于暂态仿真之中．
发电机组主要由同步发电机、励磁调节系统、原动机及调速系统组成．选择文 [20]提供的3型五阶发电机模型、1型四阶励磁调速系统模型和1型一阶汽轮机及调速器系统模型为例,讨论发电机组戴维南等值模型的建立方法．若无特殊说明,文中所用符号均采用文 [20]之规定．在系统小扰动时,选择发电机组输入变量
xb=[Id,Iq,Vt,Pe]T,输出变量y=[E″q,E″d,δ]T,则发电机组可用下列线性状态方程描述:
式中为发电机组内部状态向量;F=[ωref,vref,ωB,Efd0]T为发电机组内部激励源向量;A、Bb、BF和C为状态方程的常系数矩阵．设系统小扰动起始时间为t0=0时刻,则式(1)的解析解可以写成两项和的形式:
式中:
式(4)中:x(0)为状态变量的初始值．与之相对应,发电机组输出变量y亦表示为两项和的形式:
式中:
式(8)中:
式(6)反映了发电机组外端子输入变量与输出变量的函数关系．因此,式(6)可以视为发电机组的时域戴维南等值模型．
利用数值积分法对式(6)进行积分运算,可以建立发电机组离散时域等值模型．取积分步长为T,在时间t=nT时刻,利用梯形积分法对式(6)进行计算,可得:
式中:
f00(n)=
式中:xb(0)为输入变量的初始值．对本文中选择的发电机组模型而言,式(11)有:
由式(10)～式(13),可以得:
由五阶发电机定子电压方程及式(14)和式(15),可得发电机组机端电压与电流方程为: 式中
式(17)即为在nT时刻发电机组的d-q轴离散时域戴维南等值模型．Eq00和Ed00可视为发电机组q轴和d轴等值电势．xqd和xdq可视为发电机组q轴和d轴等值电抗．其等效电路如图1所示．
由式(12)和式(16)可见,功角变量δ(n)取决于输入变量xb的过去时间值．对式(17)进行park变换,可得到发电机组x-y轴的离散时域戴维南等值模型,即:
式中:
式(19)和式(20)可视为发电机组x-y轴的等值阻抗与等值电势．在每一步积分步长的计算中,其等值阻抗与电势需要进行修正．
由式(12)可见,利用建立的发电机组等值模型对电网进行暂态仿真时,将涉及卷积计
算．随着仿真时间的增大,其计算量将增大．为此,可将仿真时间分成若干段．当完
成一段时间的仿真后,可按式(3)重新确定发电机组的初始值,并重新建立发电机组的戴维南等值模型．这一过程称之为修正模型．为减少仿真计算量,可按下式近似选
取仿真时间的分割长度T0
式中:Nx为发电机组状态变量数．
以单机无限大系统为例验证发电机组戴维南等值模型的正确性．线路电导
G=0.234 9,电纳B=-3.564 9．发电机组模型选择本文中的文[20]模型．其参数见表1．在初始时刻,发电机处于稳态,其机端电压t=1∠16.135 9,电流
=1∠11.86 8．在时间t=3 s时刻,发电机控制参数Vref由1.0改变为1.02．机端
电压如图2所示．在图2中,实线为利用PSASP软件的仿真结果,其积分步长
T=0.01 s．虚线为利用戴维南等值模型的仿真结果,其积分步长T=0.6 s．图3给
出了发电机机端短路的仿真结果．
故障发生时间t=3 s,持续时间0.1 s．励磁电压调节器输出上限和下限设为Efdmax=1.5,Efdmin=0.5．在图3中,实线为PSASP仿真结果,其积分步长
T=0.01 s．虚线为利用戴维南等值模型的仿真结果,其积分步长T=0.2 s．
由图2和图3可见,两种方法的仿真结果基本一致．但利用本文提出的模型仿真,其积分步长远大于利用PSASP软件的积分步长．在上述仿真中,利用PSASP仿真时,在积分步长T=0.1时,仿真结果均发散．
基于发电机实用数学模型,利用梯形法,首次提出了发电机组离散时域戴维南等值模型．若发电机组为线性模型,则无论d-q轴还是x-y轴发电机组的离散时域戴维南
等值模型为线性模型．提出的发电机组等值模型在一段时间内与原系统等值,而非
一个积分步长时间内．这减少了修正模型的计算量．仿真结果表明:模型具有较高
的数值计算精度和稳定性．提出的模型建立过程简单,表述形式简洁,具有实用价值．
【相关文献】
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大规模风电场的静态及动态等值方法 引言： 工程实际中,风电并网对电网的影响经常是“场”，即若干台“机”集聚后对电网的综合效应。因此,建立能够精确反映风电场运行特性的模型是进行所有其它相关问题研究的基础。通常,大规模风电基地包含几千台风电机组,针对每台机组对风电场进行详细建模的任务相当繁琐，同时会导致潮流难于收敛，并且大大延长仿真时间，对系统分析软件计算规模提出更高要求。同时复杂的风电场模型对运行调度部门进行日常方式安排和安全稳定措施控制研究也很不方便。因此，对大规模风电场进行等值计算分析，对于工程实际很有意义。 风电场常用等值方法 风电场常用等值方法有两种。 等值方法1如图1 所示。 图1 等值方法1 图1把风电场等值成1台风电机和1台发电机，等值风电机组的容量等于所有风电机组容量的代数和，其输入为平均风速。等值参数的计算公式如下： 式中：M M为风电机组台数，下标eq表示等值后；S、P、C、H、K、D、Z G、Z T、v分别表示容量、有功功率、补偿电容、惯性时间常数、轴系刚度系数、轴系阻尼系数、发电机阻抗、机端变压器阻抗和风速。 等值方式2如图2所示。
图2 等值方法2 等值方式2中，把风电场等值为1台发电机，保留所有风力机和风速模型，叠加风力机的机械转矩Tusm，并把其作为等值发电机的输入。等值参数的计算公式如下： 当风机间风速差异较大时，风速波动下采用等值方式1会出现有功功率和无功功率误差，而等值方式2仅会出现无功功率误差；故障条件下等值方式1、2都会出现有功功率和无功功率误差，其误差大小与故障持续时间、故障前风电机组的风速有关，此时等值方式2的等值精度优于等值方式1。 故障条件下，常用等值方法与分类方法相结合，这样可以显著提高风电场动态等值模型的精度。 风电场机组稳态等值： 为了对含有风电场的电力系统进行传统的潮流分析,需要考虑不同类型风电场在潮 流程序中的节点类型，理想的情况是将风电机组的稳态等值电路添加在潮流程序中,得 到相应的滑差、有功和无功,从而求得修正方程式中的有功、无功不平衡量,进而修改 雅克比矩阵,进行后续迭代计算。但是,这种基于风电机组稳态等值电路的考虑无功变 化的等值方法复杂了潮流程序,对于现有的工程分析软件难于实现。同时,对于一定规 模的风电场来说,由于大量机组聚集后的整体效应,整体无功波动随滑差的变化较小。 随着双馈机和全变流直驱机等具有交流励磁性能的机组成为主流机组,将风电场内机组 转而等效为功率因数恒定的PQ节点或者是无功有一定限制的Pv节点,在工程实际中 是可以接受的。 在对风电场进行稳态等值时,根据风电场不同的控制方式,相应采用PQ或PV节 点类型；对于一些混合型风电场,例如定速异步机与双馈机混合型风电场,若全场采用 恒功率因数控制方式,则可将风电场等值为PQ节点;若其中双馈机采用恒电压控制方式,则可将风电场转而等效为PQ和Pv两节点。 从系统分析角度来说,重点关注的是风电并网对输电系统的影响,因此针对整个风 电场内的集电系统详细建模是没有必要的。潮流计算时应根据风电机组的排列把风电场 内部的集电线路等效成1个等值阻抗,其中风电场内部的集电线路分直埋电缆和架空线 路两种。由于电缆线路和架空线路参数差别大,应根据集电线路的种类对风电场内部的
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出新的设计方法，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II SYNCHRONOUS GENERATOR UNIT MODELING AND SIMULATION BASED ON MATLAB Abstract With the enlargement 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 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 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 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 building
第六章同期系统 将一台单独运行的发电机投入到运行中的电力系统参加并列运行的操作，称为发电机的并列操作。同步发电机的并列操作，必须按照准同期方法或自同期方法进行。否则，盲目地将发电机并入系统，将会出现冲击电流，引起系统振荡，甚至会发生事故、造成设备损坏。 准同期并列操作，就是将待并发电机升至额定转速和额定电压后，满足以下四项准同期条件时，操作同期点断路器合闸，使发电机并网。 （!）发电机电压相序与系统电压相序相同； （"）发电机电压与并列点系统电压相等； （#）发电机的频率与系统的频率基本相等； （$）合闸瞬间发电机电压相位与系统电压相位相同。自同期并列操作，就是将发电机升速至额定转速后，在未加励磁的情况下合 闸，将发电机并入系统，随即供给励磁电流，由系统将发电机拉入同步。自同期法的优点：!合闸迅速，自同期一般只需要几分钟就能完成，在系统 急需增加功率的事故情况下，对系统稳定具有特别重要的意义；"操作简便，易于实现操作自动化。因为在发电机未加励磁电流时合闸并网，不存在准同期条件的限制，不存在准同期法可能出现的问题；#在系统电压和频率因故降低至不能使用难同期法并列操作时，自同期方法将发电机投入系统提供了可能性。 自同期法的缺点是：未加励磁的发电机合闸并入系统瞬间，相当一个大容量的电感线圈接入系统，必然会产生冲击电流，导致局部系统电压瞬间下降。一般自同期法使用于水轮发电机及发电机—变压器组接线方式的汽轮发电机。在采用自同期法实施并列前，应经计算核对。 发电厂发电机的并列操作断路器，称为同期点。除了发电机的出口断路器之外在一次电路中，凡有可能与发电机主回路串联后与系统（或另一电源）之间构成唯一断路点的断路器，均可作为同期点。例如，发电机—变压器组的高压侧断路器，发电机—三绕组变压器组的各侧断路器，高压母线联络断路器及旁路断 -可编辑修改-
第1章 发电机的自动并列 1什么叫并列操作，简述同步发电机并列时应遵循的两条基本原则。 将一台发电机投入电力系统并列运行的操作，称并列操作。 对并列操作的基本要求：（1）并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值不宜超过1~2倍的额定电流。（2）发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，进入同步运行的暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。 2、并列操作有哪两种方式它们是如何实现的 并列操作的两种方式：准同期并列（一般采用）自同期并列（很少采用） 3、什么是准同期的恒定越前时间它的整定值与哪些因素有关，应当如何整定 （－）准同期并列的条件：①频率 fG=fX ②幅值 UG=UX ③相角差 δe ≠ 0 4、自动准同期装置由哪三个控制单元组成它们各自的主要任务是什么 自动准同期装置的组成: 1. 频差控制单元检测 UG 与UX 间的滑差角频率，且调节发电机转速，使发电机电压的频率接近于系统频率 2. 电压差控制单元检测 UG 与UX 间的电压差，且调节发电机电压UG ，使它与UX 间的电压差小于规定值。 3. 合闸信号控制单元 检测并列条件，当待并机组的频率和电压都满足并列条件时，控制单元就选择合适的时间(恒定越前时间）发出合闸信号，使并列断路器的主触头接通时，相角差为零。 3、什么是准同期的恒定越前时间它的整定值与哪些因素有关，应当如何整定 恒定越前时间 由于越前时间只需按断路器的合闸时间(准同期装置的动作时间可忽略)进行整定，整定值和滑差及压差无关，故称其为“恒定越前时间”。 5、何谓滑差、滑差周期与相角差δ有什么关系 频差fS ： fS ＝fG-fX 滑差ωs:电角速度之差称为滑差角速度 S S G X G 2)(2f f f s ππωωω=-=-= 滑差周期：S 1 2f T s s ==ωπ
2．1同步电机模型 同步电机是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d,q 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dqO 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。由于dqO 三轴之间的解耦以及aqO 坐标下的电感参数是常数，因此派克变换及同步电机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。 2．1．1同步电机基本方程 由同步电机在d,q 轴的park 微分方程组出发，电压和磁链方程(以标幺值形式)如(2．1)-(2．10)所示： 电压方程： 定子绕组：d q d d ri p U --=ωψψ （2.1） q d q q ri p U --=ωψψ （2.2） 励磁绕组： f f f f p r i U ψ-= （2.3） 阻尼绕组： d d d p i r 1110ψ-= （2.4） q q q p i r 1110ψ-= （2.5） 磁链方程： 定子绕组：d ad f ad d d d i X i X i X 1++-=ψ （2.6） q aq q q q i X i X 1+-=ψ （2.7） 励磁绕组：d ad f f d ad f i X i X i X 1++-=ψ （2.8） 阻尼绕组：d d f ad d ad d i X i X i X 111++-=ψ （2.9） q q q aq q i X i X 111+-=ψ （2.10） 其中，dt d p θθω==。式中各物理量的定义为：d i -负载电流d 轴分量；q i -负载电流q 轴分量；f i -励磁电流；d U -机端电压d 轴分量；q U —机端电压q 轴分量；f U -
发电机的短路比 短路比Kc，是表征发电机静态稳定度的一个重要参数。Kc原来的意义是对应于空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比，即Kc=Iko/IN。由于短路特性是一条直线，故Kc可表达为发电机空载额定电压时的励磁电流Ifo与三相稳态短路电流为额定值时的励磁电流Ifk之比，表达式为：Kc=Ifo/Ifk≈1/Xd。Xd是发电机运行中三相突然短路稳定时所表现出的电抗，即发电机直轴同步电抗(不饱和值)。 如忽略磁饱和的影响，则短路比与直轴同步电抗Xd互为倒数。短路比小，说明同步电抗大，相应短路时短路电流小，但是运行中负载变化时发电机的电压变化较大且并联运行时发电机的稳定度较差，即发电机的过载能力小、电压变化率大，影响电力系统的静态稳定和充电容量。短路比大，则发电机过载能力大，负载电流引起的端电压变化较小，可提高发电机在系统运行中的静态稳定性。但Kc大使发电机励磁电流增大，转子用铜量增大，使制造成本增加。短路比主要根据电厂输电距离、负荷变化情况等因数提出，一般水轮发电机的K，取0.9～1.3。结构上，短路比近似的等于 Kc=B*δ/【(0.3～0.4)*A*τ】 δ-----气隙长度 τ-----极距 B-----气隙磁密 A-----发电机电负荷 可见，要使Kc增大，须减小A，即增大机组尺寸;或加大气隙，须增加转子绕组安匝数 发电机“短路比”,短路比小，则电抗大，短路电流较小，当负载变化时，由于阻抗压降较大，电机的电压变化率较大，因此短路比小的电机在并联运行时稳定性差，但电机造价便宜。短路比大，电机电抗就小，气隙大，导致电机尺寸增大，励磁磁势也要增大，所以转子用铜增加，成本较高，但电机稳定性能较好，且电压变化率较小。 1、短路比指：电机空载额定电压的励磁电流下三相稳定短路的短路电流与额定电流的比值. 2、取值范围是多少：≥200MW的不小于0.4;≤200MW的不小于0.45. 3、设计时通过调整气隙来调整，生产中通过设计尺寸来保证 4、短路比和同步电抗、电机的制造成本、运行稳定性密切相关。 5、短路比通过测量电机的特性曲线来计算。 在单位电压情况下，短路容量在数值上就等于系统导纳值，即为系统戴维南等值阻抗的导数，短路容量越大，系统戴维南等效电阻越小，负荷、并联电容器或电抗器的投切不会引起电压幅值大的变化，因此系统比较强。 短路比是指表征系统短路容量除以设备容量，所以当短路比大，指这个设备是接到一个强的系统中，表明设备的投切对系统影响不是很大。
第二章同步发电机的自动并列 第一节概述一、并列操作的意义 电力系统运行中，任一母线电压瞬时值可表示为 u=U m sin(ωt+φ) 1、运行母线电压的状态量：母线电压的幅值、频率和相角。 2、并列操作：将一台发电机组进行适当的调整，使之符合并列条件后才允许断路器QF合闸，将发电机组并入电网运行。 同步发电机组并列时遵循如下的原则： (1)并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能小，其瞬时最大值一般不超过1～2倍的额定电流。 (2)发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减小对电力系统的扰动。 4、并列方法分类 （1）准同期并列 待并发电机组已经加上了励磁电流，调节待并发电机组的状态参数使之符合并列条件后合上发电机出口断路器。（2）自同期并列 将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网频率，滑差角频率ωS不超过允许值，且在机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上并列断路器QF，接着给转子加上励磁电流，在发电机电动势逐渐增长的过程中，由电力系统将并列的发电机组拉入同步运行。 二、准同期并列发电机并列的理想条件：并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等。即： 这时，并列合闸的冲击电流等于零，并且并列后发电机组与电网立即进入同步运行，不发生任何扰动现象。发电机并列的实际条件： （1）电压幅值差不超过额定电压的5％～10％ （2）频率差不超过额定频率的0.2％～0.5％合闸瞬间相角差不超过±5度(一)电压幅值不等 设发电机并列时频率f G =f X、相角差δe等于零、电压幅值不等(U G≠U X)。则冲击电流的有效值为:式冲击电流主要为无功电流分量。 1、U G > U X 冲击电流滞后发电机电压90度，并列后发电机立即带无功负荷； 2、U G < U X 冲击电流超前发电机电压90度，并列后发电机从系统吸收无功负荷； (二)合闸相角差 设并列合闸时电压幅值相等、频率相等，但合闸瞬间存在相角差。 这时发电机为空载情况，电动势即为端电压并与电网电压相等，冲击电流的有效值为式当相角差较小时，这种冲击电流主要为有功电流分量，说明合闸后发电机与电网间立刻交换有功功率，使机组联轴受到突然冲击 1、发电机电压超前，冲击电流基本与发电机电压同相，并列后发电机立即发出有功功率； 2、发电机电压滞后，冲击电流基本与发电机电压反相，并列后发电机立即从系统吸收有功功率； (三)频率不相等 设并列时电压幅值相等但频率不相等，这时断路器两侧间电压差us为脉动电压。 3、δe从0变到2π所需的时间由式(2-8)可知，相角差δe是时间的函数，所以并列时合闸相角差δe与发出合闸信号的时间有关，如果发出合闸信号的时间不恰当，就有可能在相角差较大时合闸，以致引起较大的冲击电流。如果并列时频率差较大，即
实验一电力系统元件的模型认识及操作 一、综合自动化实验教学系统由发电机组、试验操作台、无穷大系统等三大部分组成。 1．发电机组 它是由同在一个轴上的三相同步发电机（S N=2.5kV A，V N=400V，n N=1500r.p.m），模拟原动机用的直流电动机（P N=2.2kW，V N=220V）以及测速装置和功率角指示器组成。 直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。 2．实验操作台 实验操作台是由输电线路单元、微机线路保护单元、负荷调节和同期单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成。其中负荷调节和同期单元是由“TGS-04型微机调速装置”、“WL-04B微机磁励调节器”、“HGWT-03微机准同期控制器”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。 （1）输电线路采用双回路远距离输电线路模型，每回线路分成两段，并设置中间开关站，使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗，便于实验分析比较。 （2）“YHB-Ⅲ型微机线路保护”装置具有过流选相跳闸、自动重合闸功能，备有事故记录功能，有利于实验分析。在实验中可以观测到线路重合闸对系统暂态稳定性影响以及非全相运行状况。 （3）“TGS-04型微机调速装置”具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能。 （4）“WL-04B微机励磁调节器”其励磁方式可选择：它励、自并励两种：控制方式可选择恒UF、恒IL、恒α、恒Q等四种；设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬时限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能；设有按有功功率反馈的电力系统稳定器（PSS）；励磁调节器控制参数可在线修改，在线固化，灵活方便，并具有实验录波功能，可以记录UF、IL、UL、P、Q、α等信号的时间响应曲线，供实验分析用。 （5）HGWT-03微机准同期控制装置，它按恒定越前时间原理工作，主要特点如下：①可选择全自动准同期合闸；②可选择半自动准同期合闸；③可测定断路器的开关时间； ④可测定合闸误差角；⑤可改变频差允许值，电压差允许值，观察不同整定值时的合闸效果；⑥按定频调宽原理实现均频均压控制，自由整定均频均压脉冲宽度系数，自由整定均频均压脉冲周期；观察不同整定值时的均频均压效果；⑦可观察合闸脉冲相对于三角波的位置，测定越前时间和越前角度；⑧可自由整定越前（开关）时间；⑨输出合闸出口电平信号，供实验录波之用。 （6）仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮和各种类型的短路故障操作等部分组成。 实验操作台的“操作面板”上有模拟接线图，操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合起来，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。 实验数据可以通过测量仪表和LED数码显示得出，还可显示出同步发电机功率角δ、可控硅α角等量。同时可以通过数字存贮示波器，观测到发电机电压、系统电压、励磁电压以及准同期时的脉动电压等电压波形，甚至可以观测各可控硅上的电压波形以及各种控制的脉冲波形，还可以同时观测到同步发电机短路时的电流、电压波形等。 3．无穷大系统 无穷大电源是由15kV A的自耦调压器组成。通过调整自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压。 试验操作台的“操作面板”上有模拟接线图、操作按钮和切换开关以及指示灯和测量
同步电机定转子侧变量对应关系及名称 112 X ()q q 励磁电动势=i 空载电动势（后面的电动势）=瞬变电动势（后面的电动势）q 轴超瞬变电动势（后面的电动势）d 轴超瞬变电动势（后面的电动势）→→'''→=''''''→=+-''''''→=-→=-'→=-f f f f ad f f d q ad f ad f q d q f f ad D q d q D f f D f D ad aq Q d d Q Q q d aq g a q d u u E E X r E E X i X ψE X E ψX X ψE X E X ψX ψX X X X ψE X E ψX i E X i X i E ??? ? ???? ? ? ????? ? ????? q g g ψX 同步发电机16各变量： 13个电磁变量：定子侧6个（dq u 、dq i 、dq ψ）；转子侧7个（f u 、fDQ i 、fDQ ψ） 3个机电变量：（m T 、r ω、δ） 同步发电机10个基本方程（dqfDQ u 、dqfDQ ψ）： 00=-+-?? =-++??=-+??=-+? =-+?? =-++??=-+?=-++?? =-++??=-+?d d d r q q q q r d f f f f D D D Q Q Q d d d ad f ad D q q q aq Q f ad d f f ad D D ad d ad f D D Q aq q Q Q u ri p ψωψu ri p ψωψu r i p ψ r i p ψr i p ψψx i x i x i ψx i x i ψx i x i x i ψx i x i x i ψx i x i 三阶实用模型： 这种模型的导出基于如下假定： 忽略定子绕组暂态和阻尼绕组作用，计及励磁绕组暂态和转子动态 （1）忽略定子d 、q 轴暂态，即定子电压方程中d p ψ、q p ψ均为0； （2）在定子电压方程中，1(..)≈r ωp u ，在速度变化不大的过渡过程中，误差很小；
**大学电气工程学院 发电机运行实验报告 同步发电机运行与控制 专业班级： 姓名： 学号： 实验地点： 一、实验目的 同步发电机是电力系统最重要又最复杂的电气设备，在电力系统运行中起着十分重要的作用。通过实验，使学生掌握和稳固同步发电机及其运行的根本概念和根本原理，培养学生的实践能力、分析能力和创新能力，加强工程实线训练，提高学生的综合素质。 二、实验装置及接线 实验在电力系统监控实验室进展，每套实验装置以7.5KW直流电动机与同轴的5KW同步发电机为被控对象，配置常规仪表测量控制屏〔常规控制〕和计算机监视控制屏〔计算机监控〕。可实现对发电机组的测量、控制、信号、保护、调节、并列等功能，本次同步发电机运行实验，仅采用常规控制方式。 直流电动机-同步发电机组的参数如下： 直流电动机： 型号Z2-52，凸极机 额定功率7.5kW 额定电压DC220V 额定电流41A 额定转速1500r/min 额定励磁电压DC220V 额定励磁电流0.98A(5、6、7号机组为0.5A) 同步发电机 型号T2-54-55
额定功率5kW 额定电压AC400V(星接) 额定电流9.08A 额定功率因数0.8 空载励磁电流 2.9A 额定励磁电流5A 直流电动机-同步发电机组接线如图一所示。发电机通过空气开关2QS和接触器2KM可与系统并列，发电机机端装有电压互感器1TV和电流互感器1TA，供测量、同期用，系统侧装有单相电压互感器2TV作同期用，两侧电压通过转换开关6SA接入同期表S〔MZ-10〕。 发电机励磁电源可以取自380V电网〔他励方式〕，也可以取自机端〔自励方式〕，通过4QS进展切换，交流电源经励磁变压器CB降压隔离后，经分立元件整流装置或模块式晶闸管SCR-L变为直流，再通过灭磁开关3KM供电给发电机励磁绕组FLQ，励磁电流通过调压按钮或电位器2WR进展调节。Rm为灭磁电阻，通过3KM的常闭触点与励磁绕组FLQ并接。 发电机组上面有一台用皮带带动的原作为励磁机用的直流发电机，在其励磁绕组加上恒定的直流电压〔从开关稳压电源引来〕，则电枢上的电压正比于发电机组的转速，故用一只直流电压表即可测量发电机转子转速。 直流电动机的电枢电源来自电网380V交流电压，经空气开关1QS和接触器1KM 供电给模块式晶闸管SCR-T变为直流，电枢电压通过调速按钮或电位器1WR进展调节。直流电动机的励磁电源来自电网220V交流电压，经单相调压器1TB和整流块整流后供应励磁绕组B1-B2，调节调压器的输出电压可调节励磁电流。调节电枢电压或励磁电流可以调速。 发电机组控制屏屏面上装有各种仪表、控制开关、按钮、指示灯等，图一对二次控制信号回路并没有画全，屏后接线和控制回路接线可参考实验室提供的详图。 实验一电动机- 发电机组的接线 注意：以下各项都要在现场找到并认识相关设备的构造。 1〕直流电动机的接线 〔1〕电动机励磁回路的作用及其接线； 〔2〕电动机励磁电流的调节方法；〔调节晶闸管的触发角即调节输出的平均电压〕〔3〕电动机电枢回路的接线； 〔4〕三相桥式整流模块SCR-T的作用〔整流，供应电动机运行〕，电动机调速方法〔调励磁或电枢电压〕；
上篇 电力系统元件数学模型 1 同步电机数学模型 1.1 abc 坐标下的有名值方程 1.1.1 理想电机 同步电机是电力系统的心脏，它是一种集旋转与静止、电磁变化与机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而且其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大影响，因此应对它作深入分析，以便建立用于研究分析电力系统各种物理问题的同步电机数学模型。 为了建立同步电机的数学模型，必须对实际的三相同步电机作必要的假定，以便简化分析计算。通常假定： （1）电机磁铁部分的磁导率为常数，既忽略掉磁滞、磁饱和的影响，也不计涡流及集肤作用等的影响。 （2）对纵轴及横轴而言，电机转子在结构上是完全对称的。 （3）定子的3个绕组的位置在空间互相相差120º电角度，3个绕组在结构上完全相同。同时，它们均在气隙中产生正弦形分布的磁动势。 （4）定子及转子的槽及通风沟等不影响电机定子及转子的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。 满足上述假定条件的电机称为理想电机。这些假定在大多数情况下已能满足实际工程问题研究的需要，下面的同步电机基本方程推导即基于上述理想电机的假定。当需要考虑某些因素（如磁饱和等）时，则要对基本方程作相应修正。 图1-l 是双极理想电机的示意图，图中标明了各绕组电磁量的正方向。必须特别强调的是，后面导出的同步电机基本方程是与图1-l 中所定义的电磁量正方向相对应的。 下面对图1-1中所定义的各电磁量正方向作必要的说明。定子abc 三相绕组的对称轴a ，b ，c 空间互差120º电角度。设转子逆时针旋转为旋转正方向，则其依次与静止的a ，b ，c 三轴相遇。定子三相绕组磁链c b a ΨΨΨ,,的正方向分别与a ，b ，c 三轴正方向一致。定子三相电流c b a i i i ,,的正方向如图1-1所示。正值相电流产生相应相的负值磁动势和磁链。这种正方向设定与正常运行时定子电流的去磁作用（电枢反应）相对应，有利于分析计算。而定子三相绕组端电压的极性与相电流正方向则按发电机惯例来定义，即正值电流a i 从端电压a u 的正极性端流出发电机，b 相和c 相类同。 转子励磁绕组中心轴为d 轴，并设q 轴沿转子旋转方向领先d 轴90º电角度。在d 轴上有励磁绕组f 及一个等值阻尼绕组D ，在q 轴上有一个等值阻尼绕组Q 。上述假定一般能满
发电机组的转速是由作用在它转子上的转矩所决定的，作用在转子上的转矩主要包括原动机作用在转子上的机械转矩和发电机的电磁转矩两部分。原动机的机械转矩是由发电厂动力部分（例如火电厂的锅炉和汽轮机）的运行状态决定，发电机的电磁转矩是由发电机及其连接的电力系统中的运行状态决定，在这些运行状态中如发生任意干扰都会使作用在转子上的转矩不平衡，也就会使转速发生变化。因此要求系统在受到各种干扰后，发电机组经过一段过程的运动变化后仍能恢复同步运行，即δ角能达到一个稳态值。能满足这一点，系统就是稳定的，否则就是不稳定的，而必须采取相应的措施以保证系统的稳定性。 一般将电力系统稳定性问题分为两大类，即静态稳定性和暂态稳定性。所谓电力系统静态稳定性是指电力系统在某个运行状态下，突然受到任意小干扰后，能恢复到原来的（或是与原来的很接近）运行状态的能力。这里所致的小干扰，是在这种干扰作用下，系统的状态变量的变化很小，因此允许将描述系统的状态方程线性化。电力系统暂态稳定性是指电力系统在某个运行状态下，突然受到较大干扰后，能够过渡到一个新的稳态运行状态（或者回到原来运行状态）的能力。由于受到的是大干扰，系统的状态方程不能线性化。由于两种稳定性问题中受到的干扰的性质不同，因而分析的方法也不同。 电力系统的稳定性问题还可以根据需要按时间长短分为短期、中期和长期稳定，它们在分析时所用的系统元件的数学模型不同，例如长期稳定将计及锅炉的过程。 一：同步发电机转子运动方程 同步发电机组转子的机械角加速度与作用在转子轴上的不平衡转矩之间的关系： T E d J M M M dt Ω=∆=- （1） 其中，Ω为转子机械角速度，/rad s ；J 为转子的转动惯量，2kg m ；M ∆为作用在转子轴上的不平衡转矩（略去风阻，摩擦等损耗即为原动机机械转矩T M 和发电机电磁转矩 E M 之差） ，N m ；上式极为转子运动方程。 当转子以额定转速0Ω（即同步转速）旋转时，其动能为： 2012 K W J =Ω （2） 式中，K W 为转子在额定转速时的动能，J 。由式（2） 20 2K W J =Ω，代入（1）： 202K W d M dt Ω⨯=∆Ω （3） 如转矩采用标幺值，将上式两端同除以转矩基准值B M (即功率基准值除以同步转速，0/B B M S =Ω)：
同步发电机等效电路模型 同步发电机是一种常见的发电设备，它的工作原理是将机械能转化为电能。为了更好地理解和分析同步发电机的性能和特点，我们可以使用等效电路模型来进行建模和分析。 同步发电机的等效电路模型是一种简化的电路表示方法，它将发电机的电气特性转化为电路元件的形式，方便我们进行电路分析和计算。同步发电机的等效电路模型主要包括发电机的定子和转子部分。我们来看一下同步发电机的定子部分。定子是由三相绕组组成的，每个绕组分别与一个相位的电源相连。在等效电路模型中，我们可以用三个电压源来代表这三个相位的电源。 我们来看一下同步发电机的转子部分。转子是由磁极和励磁绕组组成的，它与定子的绕组之间存在磁场耦合。在等效电路模型中，我们可以用一个电感来代表转子的励磁绕组，用一个电动势源来代表转子磁场产生的电势。 在同步发电机的等效电路模型中，还需要考虑到一些其他的元件。比如，定子和转子之间存在漏抗，我们可以用电感来代表这个漏抗。此外，还需要考虑到定子和转子的电阻，以及定子的电容和转子的电容。 通过建立同步发电机的等效电路模型，我们可以进行各种电路参数的计算和分析。比如，我们可以计算发电机的电压、电流和功率等
参数。同时，还可以通过等效电路模型来分析发电机的稳定性和响应特性。 需要注意的是，同步发电机的等效电路模型是一种简化的模型，在实际应用中可能存在误差。因此，在进行具体的设计和分析时，还需要考虑到实际的电气特性和工作条件。 同步发电机的等效电路模型是一种方便我们进行电路分析和计算的工具。通过建立等效电路模型，我们可以更好地理解和分析同步发电机的性能和特点，为发电机的设计和应用提供参考和指导。希望本文对大家对于同步发电机的等效电路模型有所帮助。
含阻尼环节的电流源型风电虚拟同步发电机控制与分析 代林旺;李少林;秦世耀;王瑞明;宋鹏 【摘要】针对高比例风电电力系统频率/电压稳定性问题,介绍了虚拟同步控制的理论基础,对比分析了双馈风电机组与传统同步机数学模型.基于模型相似性推导了风电机组虚拟同步发电机的内电势、功角及功率传输方程,并揭示了其变化规律.研究了一种含阻尼环节的电流源型风电机组虚拟同步控制策略,并进行了虚拟同步控制外环和电流控制内环设计.在Matlab/Simulink中建立了双馈风电机组虚拟同步发电机仿真模型,实现了虚拟同步发电机惯量、阻尼、一次调频和无功调压特性的全过程模拟.仿真结果证实了理论分析的正确性与控制策略的有效性. 【期刊名称】《电力系统保护与控制》 【年(卷),期】2019(047)014 【总页数】8页(P20-27) 【关键词】双馈风电机组;虚拟同步发电机;转子动能;阻尼系数;内电势;功角 【作者】代林旺;李少林;秦世耀;王瑞明;宋鹏 【作者单位】新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司),北京 100192;新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司),北京 100192;新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司),北京 100192;新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司),北京 100192;国网冀北电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责任公司), 北京 100045;风光储并网运行技术国家电网公司重点实验室, 北京 100045
【正文语种】中文 随着化石能源的消耗和环境的恶化，许多国家在寻求清洁能源替代方案，风力发电作为重要的清洁能源之一，已被广泛应用。然而，以双馈型和永磁直驱型变速恒频风电机组为主的风电系统，均通过电力电子变流器并网，实现了转速与电网频率解耦，功率输出与电网状态无直接关系，导致变速风电机组不能快速响应系统频率变化[1]。与此同时，风电装机的增加不断挤占常规机组空间，降低了电力系统的等 效转动惯量和阻尼，常规火电机组不得不提高功率备用水平以应对系统大功率缺失及故障情况，电力系统的调节压力逐步攀升，安全稳定运行风险日益增加[2]。 为应对大规模风电/光伏并网安全稳定运行的挑战，借鉴传统同步机组的优良特性，国内外学者提出了虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator, VSG)概念[3-5]。该技术可以通过模拟同步发电机组的机电暂态特性，使采用变流器的电源 具有同步发电机组的惯量、阻尼、一次调频、无功调压等并网运行外特性[6]，从 而实现新能源的友好接入。 综合已有研究成果，对于虚拟同步发电机的研究与应用主要集中在微电网领域以及光伏系统的并网控制[7-9]。针对风电系统的虚拟同步技术，尤其是双馈型风电并 网系统相对较少[10-14]，文献[10]基于PLL动态特性的分析，构建了同步旋转的 虚拟转子轴，利用虚拟转轴运动方程产生虚拟同步机电角度，无功闭环产生励磁电流，频率和电压的下垂方程模拟同步发电机的调速器和励磁调节器，进而实现虚拟同步控制。文献[11]提出了一种应用于弱电网的风电虚拟同步发电机的控制方法，转子运动方程代替PLL产生角度，机端电压闭环产生励磁电压幅值，两者合成双 馈电机转子励磁电压矢量。文献[12]将通过同步控制(虚拟转子运动方程)和转子磁 链的闭环控制，得到虚拟励磁电压，然后再变换为实际的转子励磁电压，与此思想相似，文献[13]进一步分析了机组并网电压的影响因素。文献[14]提出了一种基于虚拟阻抗的电压源型双馈风电机组虚拟同步策略，实现了功率解耦。然而文献[11-
同步发电机的原理20同步发电机原理 2007-12-06 15:01 同步发电机的原理 2007-11-18 16:28 同步发电机原理 一、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功率绕组，成为感应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。 · 感应电势有效值：由第11章可知，每相感应电势的有效值为 · 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 ，即 · 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。 二、同步发电机工作原理动画展示 同步发电机工作原理动画展示1同步发电机工作原理动画展示2 三、同步发电机结构模型 ·同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一 般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。 ·图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定 子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 ·转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。
永磁同步发电机的结构 直驱式永磁发电机在结构上主要有轴向与盘式两种结构，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；另外还有双凸极发电机与开关磁阻发电机。 一、内转子永磁同步发电机 1.结构模型 图6-9为内转子永磁同步风力发电机组的结构模型。与普通交流电机一样，永磁同步发电机也由定子和转子两部分组成，定子、转子之间有空气隙，转子由多个永久磁铁构成。图6-10为内转子永磁同步发电机的结构模型。 图6-9 内转子永磁同步风力发电机组的结构模型
图6-10 内转子永磁同步发电机的结构模型 2.定子结构 永磁同步发电机的定子铁芯通常由0.5mm厚的硅钢片制成以减小铁耗，上面冲有均匀分布的槽，槽内放置三相对称绕组。定子槽形通常采用与永磁同步电动机相同的半闭口槽，如图6-11所示。为有效削弱齿谐波电动势和齿槽转矩，通常采用定子斜槽。 定子绕组通常由圆铜线绕制而成，为减少输出电压中的谐波含量，大多采用双层短距和星形接法，小功率电机中也有采用单层绕组的，特殊场合也采用正弦绕组。 3.转子结构 由于永磁同步发电机不需要起动绕组，转子结构比异步启动永磁同步电动机简单，有较充足的空间放置永磁体。转子通常由转子铁芯和永磁体组成。转子铁芯既可以由硅钢片叠压而成，也可以是整块钢加工而成。 根据永磁体放置位置的不同，将转子磁极结构分为表面式和内置式两种。表面式转子结构的永磁体固定在转子铁芯表面，结构简单，易于制造。内置式转子结构的永磁体位于转子铁芯内部，不直接面对空气隙，转子铁芯对永磁体有一定的保护作用，转子磁路的不对称产生磁阻转矩，相对于表面式结构可以产生更强
直驱永磁同步风力发电机的等效建模 肖园园;李欣然;张元胜;马亚辉;徐振华 【摘要】直驱永磁同步风力发电机(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator,DPMSG)是分布式电源中的主要发电机型.通过分析D-PMSG的工作机理和运行特性；结合双环控制及功率追踪策略,分别构建了D-PMSG及含有D-PMSG的配电网络的仿真模型；将D-PMSG视为功率消耗为负的广义动态负荷,提出了基于恒定功率控制电流源的D-PMSG暂态等值电路,推导出了以三阶微分方程描述的机电暂态等效数学模型.通过不同程度故障下的仿真样本的总体测辩建模,从拟合程度、泛化能力及参数稳定性等方面验证了所提出模型的合理性和有效性.%D-PMSG is the main type generator in distributed power. Through analyzing the characteristics of the D-PMSG, distribution system with D-PMSG was built using the dual-loop control and maximum power point tracker method. The D-PMSG could be seen as a generalized dynamic load with negative power consumption, then the transient equivalent circuit was put forward based on the constant power control current source, and the equivalent model describing by the third order differential equations was presented. Through different degrees of fault, the reasonableness of the equivalent model is proved from the angles of generalization, fitting degree and parameters stability. 【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》 【年(卷),期】2013(025)001 【总页数】7页(P12-17,28)