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 (4)
1.1本课题研究意义 (4)
1.2本文主要内容 (4)
第二章发电机励磁系统的数学模型 (6)
2.1励磁系统数学模型的发展 (6)
2.2发电机励磁系统原理与分类 (6)
2.3发电机励磁系统的数学模型 (7)
2.3.1励磁机的传递函数 (7)
2.3.2励磁调节器各单元的传递函数 (8)
2.3.3同步发电机的传递函数 (9)
2.3.4励磁稳定器 (9)
2.4励磁控制系统的传递函数 (10)
第三章励磁控制系统的稳定性 (11)
3.1传统方法绘制根轨迹 (11)
3.2用MATLAB绘制根轨迹 (13)
第四章 PID在发电机励磁系统中的应用 (14)
4.1同步发电机的励磁系统的动态指标 (14)
4.2无PID调节的励磁系统 (14)
4.2.1源程序 (14)
4.2.2数值计算结果 (16)
4.3有PID调节的励磁系统 (17)
4.3.1源程序 (18)
4.3.2数值计算结果 (19)
第五章总结与体会 (21)
参考文献 (22)
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。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。在电力系统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可靠运行，提供合格的电能，而且还可有效地提高系统的技术指标。
励磁控制系统承担着如下重要任务：（1）维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。（2）合理分配并列运行机组之间的无功分配。（3）提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。（4）改善电力系统的运行条件。（5）水轮发电机组的强行减磁[1]。
同步发电机的励磁控制系统是一个自动控制系统。一般说来,对于自动控制系统的基本要求是:首先,系统必须是稳定的;其次是系统的暂态性能应满足生产工艺所要求的暂态性能指标;其三是系统的稳态误差要满足生产的工艺要求[2]。其中,稳定性是控制系统的首要条件,一个不稳定的系统是无法完成预期控制任务的。因此,如何判别一个系统是否稳定以及怎样改善其稳定性乃是系统分析与设计的一个首要问题。
在经典控制理论中,对于单输入单输出线形定常系统,应用劳斯判据和胡维茨判据等代数方法间接判定系统的稳定性,而用根轨迹法及频域中的奈奎斯特判据和波德图则是更为有效的方法,它不仅用于判定系统是否稳定,还能指明改善系统稳定性的方向。但这些方法在绘图和计算时需要花费大量的时间和精力。MATLAB是1980年推出的用于工程计算和数值分析的交互式语言。经过多年的完善,它已成为当前最受流行的软件,集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体[3]。MATLAB有很强的绘图功能,只要写两三句代码就能得到所需要的图形。
1.2本文主要内容
本课题通过对电力系统的基本知识的学习,和以往电力系统励磁控制方法的学习、总结、研究,提出了基于matlab的同步发电机励磁控制系统的仿真,文章的主要内容是:
第一章,具体说明了同步发电机励磁控制系统的重要作用及其稳定性研究的意义。
第二章,通过查阅资料和之前所学过自动控制原理的基本知识,构建本文所采用的同步发电机励磁控系统数学模型，即建立了分析发电机励磁系统稳定性的传递函数。
第三章,利用控制理论中的根轨迹法研究励磁系统的稳定性。
第四章, 采用文中建立的模型,进行仿真研究数值分析，是本文的重点。
第五章, 对本文所做工作进行了总结并指出了本文存在的一些不足之处和下一步需要继续工作的方向。
第二章发电机励磁系统的数学模型
2.1励磁系统数学模型的发展
励磁控制对电力系统输送功率的能力和电力系统稳定性有着重要的影响。人们对励磁控制系统的认识，是随着电力系统的不断扩大、计算机技术、控制理论等的不断进步而逐渐加深的。
在20世纪30年代，北美创建了第一个大型水电站，长距离的输电线以及慢速的动作的继电器和线路开关，使得稳定问题突出。当时，前苏联、美国和加拿大等国都对此进行了深入的研究，但都没有考虑控制系统的影响，发电机是利用暂态电抗表示的，这一方法一直沿用了许多年。
从40年代到50年代，前苏联和北美的学者在研究励磁调节器对系统的影响时，用一阶惯性环节的比例放大器来模拟实际的励磁调节系统。到了50年代末期，数字计算机的出现，使计算速度得到了很大的提高，虽然当时仍用暂态电抗后的恒定电势来表示发电机，但却可以计算更多的发电机和更大规模的电网。
进入60年代后，随着计算程序和计算机技术的发展，人们用更符合实际、更精确的发电机模型代替了以前的恒定电势，但同时却出现了许多不同标准的数学模型。在此基础上，美国电气电子工程师学会(IEEE)电力生产委员会励磁系统分委会进行了大量的工作，提出了用于模拟当时存在的各种不同励磁控制系统的计算机模型和通用的专业术语，并于1968年在IEEE的学术刊物上发表。
60年代以后对励磁系统模型的研究有了更大的发展。因为随着时代的进步出现了许多新型的励磁调节器，也采用了新的控制策略，已有的模型已不能满足要求，新的模型就不断被开发出来。为此，IEEE于1981年又推出了新一版的励磁系统数学模型。它比1968年版的数学模型更加详细、准确，同时也推出了新的交流励磁机模型。1992年，IEEE的标准委员会再次对模型进行了更新，提出了附加控制特性的模型，并用标准推荐的准则将这些模型规格化。
我国在80年代前一直采用E恒定的模型，没有励磁系统模型。N80年代初，中国电力科学研究院在电力系统分析综合程序里，开发了两种励磁模型，不但能模拟一般的直流励磁机励磁系统，也能模拟自并励和它励可控硅励磁系统。由于IEEE的模型并不完全适合我国的情况，因此，中国电机工程学会大电机专委会励磁分委会，于1989年成立了励磁系统数学模型专家小组，对国内的大型发电机励磁系统的数学模型进行了深入、广泛的研究，在1991年发表了适合于我国电力系统稳定计算的励磁系统数学模型。又在1997年颁布了《同步电机励磁系统电力系统研究用模型》，此后，电科院又结合实际，提出了一组更为通用的新型励磁系统模型，EFM-FV共10种励磁模型。新模型吸收了IEEE模型的精华，并溶入了新的东西，形成了自己独特的风格。这些模型已被编进了中国版的BPA 暂态稳定程序和PSASP电力系统分析综合程序里，成为电力分析计算的基础[4]。
2.2发电机励磁系统原理与分类
根据我国国家标准，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”。励磁系统分为直流励磁机励磁系统、交流励磁机励磁系统和静止励磁机励磁系统三类。静止励磁机系统即是（晶闸管）励磁系统、与电力系统
稳定计算有关的部件有励磁机、功率整流器（可控和不可控）、自动电压调节器（AVR）、电力系统稳定器（PSS）及各种限制和保护。例如过磁通(伏赫)限制、低励磁限制和保护，过励磁限制和保护，高起始励磁系统的励磁机磁场电流瞬时过流限制等。励磁系统数学模型由各个部件的模型组合而成。发电机励磁系统的调节原理框图如图2-1所示。
按不同的分类标准，励磁系统有不同的种类。按励磁系统电源供给方式的不同，励磁系统可分为三类：
（1）直流励磁机励磁系统：包括他励和自励励磁系统。
（2）交流励磁机励磁系统：又可分为他励静止整流器方式和他励旋转整流器方式。这一类励磁系统采用与主机同轴的交流电机作为交流励磁电源，经可控硅整流后供给励磁绕组励磁电流，由于励磁电源来自主机以外的独立电源，故又称他励励磁系统。
（3）静止励磁系统：又可分为交流侧自并励方式和交流侧串并联自复励方式。
2.3发电机励磁系统的数学模型
通常将励磁功率单元(励磁电源)和励磁调节器叫做励磁系统，而同步发电机和励磁系统组成同步发电机励磁控制系统。建立同步发电机励磁控制系统的数学模型，是为了分析它本身的稳定性和动、静态性能，以及励磁系统的整定调试；特别是为了分析计算励磁控制系统对电力系统稳定性的影响，附加励磁控制(PSS)的设计及其参数的整定调试。
为简单起见，我们建立直流励磁机励磁系统的传递函数。
2.3.1励磁机的传递函数
以他励直流励磁机为例，假设其转速恒定。
励磁调节器的输出加于励磁绕组输入端、输出为励磁机电压，如图2-2所示。励磁机绕组两端的电压方程为
(2-1)
式中—励磁机励磁绕组的磁链
—励磁机励磁绕组的电阻
—励磁机励磁绕组的电流
—励磁机励磁绕组的输入电
用磁通代换磁链，并且假定磁通与N 匝键链，则可得
(2-2)
对应不同的运行点，采用饱和系数S E 来表达i EE 与u EE 之间的非线性关系。通
常用图2-3所示的励磁机的饱和特性曲线来计及其饱和影响。定义饱和函数为
B
B A E I I I S -=(2-3) S E 随运行点而变，时非线性的，在整个运行范围内可用某一线性函数来近似的表示。如果气隙特性的斜率是1/G ，则可写出励磁机电压与励磁电流间的关系式，即
G U S i E E EE )1(+=(2-4)
在恒定转速下，电压与气隙磁通成正比，即
a E K u φ=(2-5)
又有
a E K φφ)1(+=(2-6)
故可得
EE E EE E E E
u U GR S dt
du T =++)1((2-7) 表示为典型的传递函数为
(2-8)
所以他励直流机的传递函数框图如图2-4所示。
2.3.2励磁调节器各单元的传递函数
励磁调节器主要由、综合放大及功率放大等单元组成。这里以电子模拟式励磁调节器为例。
（一）电压测量比较单元的传递函数
电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。其中电压测量的整流滤波电路略有延时，可用一阶惯性环节来近似描述。比较电路一般可以忽略它们的延时。因此，测量比较电路的传递函数可表示为
(2-9)
式中—电压比例系数；
—电压测量回路的时间常数。
（二）综合放大单元的传递函数
综合放大单元在在电子型调节器中是由运算放大器组成，在电磁型调节器中则采用磁放大器。它们的传递函数通常都可视为放大系数为的一阶惯性环节，其传递函数为
(2-10)
式中—电压放大系数；
—放大器的时间常数。
对于运算放大器，由于其响应快，可近似地认为。此外，放大器具有一定的工作范围，输出电压
综合放大单元的框图和工作特性如图2-5所示。
（三）功率放大单元的传递函数
电子型励磁调节器的功率放大单元是晶闸管整流器。包括触发器在内的晶闸管整流器的传递函数为
(2-11)
可展开为泰勒级数，略去高次项得到简化后的传递函数
(2-12)
2.3.3同步发电机的传递函数
同步发电机是电力系统中物理过程最复杂的的元件，既有机械运动过程又有电磁暂态过程，并且包含变量众多。因此只能是根据某种目的，按照某种要求来建立相应的数学模型，这里要建立的是分析发电机励磁控制系统所用的传递函数，故发电机的近似传递函数为：
(2-13)
表示发电机的放大倍数，表示其时间常数，忽略饱和现象。
2.3.4励磁稳定器
为了提高励磁控制系统的稳定性，改善其调节品质，通常设有串、并联校正单元。串联校正单元又叫做PID调节器。
模拟式PID传递函数为：
(2-14)
为积分环节（亦称滞后环节），它可以提高稳态增益，保证发电机的电压精度。为微分环节（亦称超前环节），可以提高励磁电压初始上升速度，低频震荡区增益较低，可以提高励磁控制系统的稳定性。
数字式PID 传递函数为：
(2-15)
并联校正单元又称为励磁系统稳定器(ESS)，其模型如图2-6所示。其输入信号可以是发电机的励磁电压(仅用于有刷励磁
系统)或交流励磁机的励磁电流 (有刷或无刷系
统均有使用)。输出信号的嵌入点可因调节器的不
同而不同。
并联校正单元模型参数有两个和。都应通过
测量或辨识取得。
2.4励磁控制系统的传递函数
求得励磁控制系统各单元的传递函数后，可组成励磁控制系统的传递函数框图，如图2-7所示。
图2-7 励磁控制系统的传递函数框图
忽略励磁机的饱和特性和放大器的饱和限制，则由图2-7可得
()()()()()()()R
G A R d E E A R G A REF G K K K s T s T s T K s T s T K K s U s U ++'++++=11110(2-16) 上式即为空载时同步发电机励磁控制系统的传递函数。
第三章励磁控制系统的稳定性
1948年，W.R.Evans 提出了一种求特征根的简单方法，并且在控制系统的分析与设计中得到广泛的应用。这一方法不直接求解特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系，当这一参数取特定值时，对应的特征根可在上述关系图中找到。这种方法叫根轨迹法。根轨迹法具有直观的特点，利用系统的根轨迹可以分析结构和参数已知的闭环系统的稳定性和瞬态响应特性，还可分析参数变化对系统性能的影响。在设计线性控制系统时，可以根据对系统性能指标的要求确定可调整参数以及系统开环零极点的位置，即根轨迹法可以用于系统的分析与综合。
3.1传统方法绘制根轨迹
设某励磁控系统的参数如下：
A T =0s ，'0d T =8.38s ，E T =0.69s ，R T =0.04s ，E K =1，G K =1
由图2-7得系统的开环传递函数为
)
25)(45.1)(12.0(32.4)()(+++=s s s K K K s H s G R G A )
25)(45.1)(12.0(+++=s s s K 其中=K R A G K K K 32.4
开环极点为：s=-0.12, s=-1.45, s=-25
为了确定根轨迹的形状，根据根轨迹绘制原则，进行以下计算步骤：
1、根轨迹的连续性
闭环系统特征方程的系数是增益Kg 的函数。当Kg 从0到无穷变化时，这些系数是连续变化的。故特征方程的根是连续变化的，即根轨迹曲线是连续曲线。
2、根轨迹的对称性：
系统特征方程的系数是实数，其根必为实根或共轭复根。即根轨迹位于复平面的实轴上或对称于实轴。
3、根轨迹的分支数：
3阶特征方程有3个根。当Kg 从0到无穷大变化时，3个根在复平面内连续变化组成3 支根轨迹。即根轨迹的分支数等于闭环特征根的数目。
4、根轨迹的起点和终点：
⑴根轨迹起始于开环极点，终止于开环零点。在该传递函数中开环零点数目为0小于开环极点数目3，所以有3条根轨迹终止于无限远处的零点（无限零点）。 ⑵由于根轨迹是当Kg 从0变到∞时闭环极点的轨迹，所以根轨迹的起点是对应于系统参数Kg ＝0时特征根在S 平面上的位置；而根轨迹的终点则是对应于Kg ＝∞时特征根在S 平面上的分布位置。
5、实轴上的根轨迹：
实轴上具有根轨迹的区间是：其右侧开环实极点数和实零点数的总和为奇数。 所以该传递函数的根轨迹区间为：（-∞，-25），（-1.45，-0.12）
6、根轨迹的会合点和分离点：
⑴若实轴上两相邻开环极点之间有根轨迹，则这两相邻极点之间必有分离点，该传递函数在（-1.45，-0.12）区间上必然存在分离点。
⑵在分离点处根轨迹的切线方向与实轴正方向的夹角，称为分离角。设有 l 条根轨迹分支进入分离点又离开，则分离角为：
)1,,1,0()12(-=+=l k l
k d πθ
闭环特征方程为：()()()()01s 1s 1'0=+++++R A G d E E R A K K K s T s T K T T
用给定值代入，得()
32.442.3957.26s 23+++-=s s K 由=0，及K>0
解得s=-0.775，这就是根轨迹在实轴上的分离点。
7.根轨迹的渐近线
系统有3个开环极点，0个开环零点，当k ∞时，有3条根轨迹分支沿着它们的渐近线趋于无限零点，而且渐近线的条数为3条，渐近线就是决定这3条根轨迹趋向无穷远处的方位。渐近线包括两个内容：
渐近线的倾角；
...)2,1,0(,)12(±±=-+=k m
n k π?α 令k=0,±1,则=,=,=,
渐近线与实轴的交点
m n z p m i i
n j j
--=∑∑==11ασ
=
=-8.86
8、根轨迹的出射角和入射角：
根轨迹的出射角是指起始于开环极点的根轨迹在起点处的切线与水平正方向的夹角。
根轨迹的入射角是指终止于开环零点的根轨迹在终点处的切线与水平正方向的夹角。
9、根轨迹和虚轴的交点
根轨迹和虚轴相交时，系统处于临界稳定状态。则闭环特征方程至少有一对纯虚根。这时的增益K c 称为临界根轨迹增益。由项的辅助多项式可计算根轨迹与
虚轴的交叉点，解得
3.2用MATLAB 绘制根轨迹
除用常规的方法计算出根轨迹外，还可以使用MATLAB 提供的根轨迹函数，可方便、准确地绘制控制系统的根轨迹图，并可利用根轨迹图对控制系统进行分析。
源程序为：
num=1;
den=conv([1,0.12],conv([1,1.45],[1,25]));
rlocus(num,den)
axis equal
所得根轨迹图如图3-1所示
图3-1根轨迹图
-30-20
-10
10
20
30
Root Locus
Real Axis I m a g i n a r y A x i s
第四章 PID在发电机励磁系统中的应用
4.1同步发电机的励磁系统的动态指标
同步发电机的励磁系统的动态指标通常是采用机组额定转速下零起升压的参数来衡量的, 同步发电机励磁控制系统的动态特性是指在外界干扰信号作用下, 该系统从一个稳定工作状态变化到另一个稳定工作状态的时间响应特性。我国同步发电机励磁系统国家标准中对同步发电机励磁自动控制系统动态特性的超调量、调节时间和摆动次数有明确规定, 在我国大中型同步发电机励磁自动控制系统技术要求（GB/T7409-1997）对同步发电机动态响应的技术规定为：
1.同步发电机在空载额定电压下，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量的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启动升压时，自动电压调节器应保证发电机端电压超调量不得超过额定值的15%,调节时间不应大于10s，电压摆动次数不应大于3次。
下面我们将通过对比加入PID控制前后发电机励磁系统的动态响应指标来观察PID调节对发电机励磁系统性能改善的作用。
4.2无PID调节的励磁系统
在simulink中建立如图4-1所示的仿真图。
图4-1无PID的励磁系统仿真原理图
4.2.1源程序
我们也可以直接用M语言编写程序来生成如图4-1所示的模型，并进行指标计算。
%没有PID的励磁系统
%0s开始零起升压
%传递函数计算
%绘制根轨迹
%指标计算
TA=0;
Td0=8.38;
TE=0.69;
TR=0.04;
KE=1;
KG=1;
KA=25;
KR=1;% KA*KR<241 系统才会稳定
sysa=tf([KA],[TA,1]);
syse=tf([1],[TE,KE]);
sysg=tf([KG],[Td0,1]);
sysr=tf([KR],[TR,1]);
sysopen=series(series(sysa,series(syse,sysg)),sysr);%开环传递函数sysclose=feedback(series(sysa,series(syse,sysg)),sysr);%闭环传递函数
figure
rlocus(sysopen);%绘制根轨迹
figure
[y,t]=step(sysclose,60);%阶跃响应，仿真时间60s
plot(t,y)
%计算0s时100%阶跃响应的指标，上升时间，超调量，调整时间，摆动次数。
tck=0; %参考时间值，即阶跃发生的时间/s
yck=1; %参考电压值
yfn=y(end); %稳态电压值
ess=(yfn-yck)/yck %稳态误差
%计算上升时间
for n=1:length(t)
if y(n)>=yfn
break
end
end
tr=t(n)-tck
%计算超调量
overshoot=(max(y)-yfn)/yfn
%计算调整时间
for n=length(t):-1:1
if abs(y(n)-yfn)>=0.05*yfn
break
end
end
ts=t(n)-tck
%计算摆动次数
bd=0;
z=y-1.05*yfn;
for n=1:length(t)-1
if z(n)==0 &&z(n+1)==0
break
elseif z(n)==0
if z(n-1)*z(n+1)<0
bd=bd+1;
end
elseif z(n)*z(n+1)<0
bd=bd+1;
end
end
4.2.2数值计算结果
取不同的值，观察阶跃响应的各项指标
令K
A
当同步发电机突然零启动升压时，自动电压调节器应保证发电机端电压超调量不得超过额定值的15%,调节时间不应大于10s，电压摆动次数不应大于3次。
a b
c d
图4-2 K A 取不同值的阶跃响应曲线
a. K A =5;
b. K A =25;
c. K A =45;
d. K A =65
由以上计算结果和图4-2都可以看到，K A 取值大了会导致不稳定，K A 取值小了会
导致误差增大，这两者矛盾。我们采用的解决办法是加入PID 控制。
4.3有PID 调节的励磁系统
在目前控制系统设计中，大多采用微机控制技术,此时使用的是数字PID 控
制器, 它是将模拟PID 控制算法离散化，通过程序实现，不需要像模拟控制系统那样用硬件电路来实现，因此使系统设计更灵活、方便，由于PID 控制算法具有直观的物理解释, 并且能满足大多数系统的要求，因此至今PID 控制仍然是常规控制系统设计应用最普遍的控制算法。
PID 是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的
数值，其输入为误差值（设定值减去测量值后的结果）或是由误差值衍生的信号。这三种算法是：
1.比例，控制当前，误差值和一个正值的常数P （表示比例）相乘。P 只是
在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。比如说，一个电热器的控制器
的比例尺范围是10°C ，它的预定值是20°C 。那么它在10°C 的时候会输出100%，在15°C 的时候会输出50%，在19°C 的时候输出10％，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。
2.积分，控制过去，将误差值过去一段时间和（误差和）乘以一个正值的常
数I 。I 从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会震荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID 回路系统会在预定值稳定下来。
3.微分，控制将来，计算误差的一阶导，并和一个正值的常数D 相乘。这个
导数的控制会对系统的改变做出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果做出更快速的反应。这个D 参数也是PID 被称为可预测的控制器的原因。D 参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D 参数。
在系统中加入PID 模块，，在Simulink 中建立如图4-3所示的模型。
图4-3有PID的励磁系统仿真原理图
4.3.1源程序
%simulink仿真之后处理ScopeData的函数
%计算0s时100%阶跃响应的指标，上升时间，超调量，调整时间，摆动次数。
tck=0; %参考时间值，即阶跃发生的时间/s
yck=1; %参考电压值
y=ScopeData(:,2); %提取y轴数据
t=ScopeData(:,1); %提取x轴数据
%根据绝对时刻寻找阶跃发生后的数据
for n=1:length(t)
if t(n)>=tck
break
end
end
y=y(n:end,1); %提取阶跃发生后的y轴数据
t=t(n:end,1); %提取阶跃发生后的x轴数据
yfn=y(end); %稳态电压值
ess=(yfn-yck)/yck
plot(t,y)
%计算上升时间
for n=1:length(t)
if y(n)>=yfn
break
end
end
tr=t(n)-tck
%计算超调量
overshoot=(max(y)-yfn)/yfn
%计算调整时间
for n=length(t):-1:1
if abs(y(n)-yfn)>=0.05*yfn
break
end
end
ts=t(n)-tck
%计算摆动次数
bd=0;
z=y-1.05*yfn;
for n=1:length(t)-1
if z(n)==0 &&z(n+1)==0
break
elseif z(n)==0
if z(n-1)*z(n+1)<0
bd=bd+1;
end
elseif z(n)*z(n+1)<0
bd=bd+1;
end
end
4.3.2数值计算结果
令KA 取不同的值，并且调节PID参数，观察阶跃响应的各项指标。
在调节PID参数时，可以参考表4-2来进行参数调节。
表4-2 PID参数对各个指标的影响
当同步发电机突然零启动升压时，自动电压调节器应保证发电机端电压超调量不得超过额定值的15%,调节时间不应大于10s，电压摆动次数不应大于3次。
表4-3 指标计算汇总表
可以看到，加入PID 控制后，各项指标明显改善，全部达标。
a b
c d
图4-4 K A 取不同值的阶跃响应曲线(有PID)
a. K A =5;
b. K A =25;
c.=45;
d. K A =65
可见, 引人PID 控制算法后明显改善了发电机励磁系统的调节特性, 并具有良好的跟踪特性。仿真结果表明, 基于PID 算法的励磁系统的调节过程, 都能很好地满足励磁系统的动态特性, 所得到的系统响应曲线过程极小, 调节速度快且调节过程平稳(没有频繁的波动)具有良好的调节品质。
一、名词解释 1．励磁系统 答：与同步发电机励磁回路电压建立、调整及在必要时使其电压消失的有关设备和电路。 2．发电机外特性 答：同步发电机的无功电流与端电压的关系特性。 3．励磁方式 答：供给同步发电机励磁电源的方式。 4．无刷励磁系统 答：励磁系统的整流器为旋转工作状态，取消了转子滑环后，无滑动接触元件的励磁系统。 5．励磁调节方式 答：调节同步发电机励磁电流的方式。 6．自并励励磁方式 答：励磁电源直接取自于发电机端电压的励磁方式。 7．励磁调节器的静态工作特性 答：励磁调节器输出的励磁电流（电压）与发电机端电压之间的关系特性。 8.发电机调节特性 答：发电机在不同电压值时，发电机励磁电流IE与无功负荷的关系特性。 9．调差系数 答：表示无功负荷电流从零变至额定值时，发电机端电压的相对变化。 10．正调差特性 答：发电机外特性下倾，当无功电流增大时，发电机的端电压随之降低的外特性。11．负调差特性 答：发电机外特性上翘，当无功电流增大时，发电机的端电压随之升高的外特性。12．无差特性 答：发电机外特性呈水平．当无功电流增大时，发电机的端电压不随之变化的外特性。
13．强励 答：电力系统短路故障母线电压降低时，为提高电力系统的稳定性，迅速将发电机励磁增加到最大值。 二、单项选择题 1．对单独运行的同步发电机，励磁调节的作用是( A ) A．保持机端电压恒定； B．调节发电机发出的无功功率； C．保持机端电压恒定和调节发电机发出的无功功率； D．调节发电机发出的有功电流。 2．对与系统并联运行的同步发电机，励磁调节的作用是( B ) A．保持机端电压恒定； B．调节发电机发出的无功功率； C．调节机端电压和发电机发出的无功功率； D．调节发电机发出的有功电流。 3．当同步发电机与无穷大系统并列运行时，若保持发电机输出的有功 PG = EGUG sinδ为常数，则调节励磁电流时，有( B )等于常数。 X d A．U G sinδ； B．E Gsinδ； C．1 X d ?sinδ； D．sinδ。 4．同步发电机励磁自动调节的作用不包括( C )。 A．电力系统正常运行时，维持发电机或系统的某点电压水平； B．合理分配机组间的无功负荷； C．合理分配机组间的有功负荷； D．提高系统的动态稳定。 5．并列运行的发电机装上自动励磁调节器后，能稳定分配机组间的( A )。A．无功负荷；
发电机励磁系统
发电机励磁系统 一、简介： 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统，励磁系统是一种直流电源装置。励磁系统一般由两部分组成：（如图一所示）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，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。 励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流,即励磁电流，以建立直流磁场。励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调节容量。在电力系统运行中，发电机依靠电流的变化进行系统电压和本身无功功率的控制因此，励磁功率单元应具备足够的调节容量以适应电力系统中各种运行工况的要求。而且它有足够的励磁顶值电压和电压上升速度具有较大的强励能力和快速的响应能力。 励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出，是整个励磁系统中较为重要的组成部分。励磁调节器的主要任务是检测和综合系统运行状态的信息，以产生相应的控制信号，经放大后控制励磁功率单元以得到所要求的发电机励磁电流。系统正常运行时，励磁调节器就能反映发电机电压高低以维持发电机电压在给定水平。应能迅速反应系统故障，具备强行励磁等控制功能以提高暂态稳定和改善系统运行条件。
在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。 图一 二、励磁系统必须满足以下要求： 1、正常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。 2、整流装置提供的励磁容量应有一定的裕度，应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。 3、调节器应设有相互独立的手动和自动调节通道； 4、励磁系统应装设过电压和过电流保护及转子回路过电压保护装置。 三、励磁系统方式： 励磁方式，就是指励磁电源的不同类型。 一般分为三种：直流励磁机方式、交流励磁机方式、静止励磁方式。 静止励磁系统。由机端励磁变压器供给整流器电源，经三相全控整流桥控制发电机的励磁电流。
发电机励磁系统建模及参数测试现场试验方案 1．概述 电网“四大参数”中发电机励磁系统模型和参数是电力系统稳定分析的重要组成部分，要获得准确、可信度较高的模型和参数，现场测试是重要的环节。根据发电机励磁系统现场交接试验的一般习惯和行业标准规定的试验内容，本文选择了时域法进行发电机励磁系统的参数辨识及模型确认试验。这种试验方法的优点在于可充分利用现有设备，在常规性试验中获取参数且物理概念清晰明了容易掌握。发电机励磁参数测试确认试验的内容包括：1)发电机空载、励磁机空载及负载试验；2）发电机、励磁机时间常数测试；3）发电机空载时励磁系统阶跃响应试验；4)发电机负载时动态扰动试验等。现场试验结束后，有关部门要根据测试结果，对测试数据进行整理和计算，针对制造厂提供的AVR等模型参数，采用仿真程序或其他手段，验证原始模型的正确性，在此基础上转换为符合电力系统稳定分析程序格式要求的数学模型。为电力系统计算部门提供励磁系统参数。 2．试验措施编制的依据及试验标准 1）《发电机励磁系统试验》 2）《励磁调节器技术说明书》及《励磁调节器调试大纲》 3） GB/T7409.3-1997同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求 4） DL/T650-1998 大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件 3 试验中使用的仪器设备 便携式电量记录分析仪，8840录波仪，动态信号分析仪以及一些常规仪表。 4 试验中需录制和测量的电气参数 1）发电机三相电压UA、UB、UC（录波器录制）； 2）发电机三相电流IA、IB、IC（录波器录制）； 3）发电机转子电压和转子电流Ulf、Ilf（录波器录制）； 对于三机常规励磁还应测量： 1)交流励磁机定子电压（单相）Ue（标准仪表监视） 2)交流励磁机转子电压和转子电流Uef、Ief（录波器录制）； 3)永磁机端电压Upmg（录波器录制和中频电压表监视）； 4)发电机端电压给定值Vref（由数字AVR直读）； 5)励磁机用可控硅触发角（由数字AVR自读）； 对于无刷励磁系统除发电机电压电流外，仅需测量励磁机励磁电压电流；但需制造厂家提供励磁机空载饱和特性曲线及相关参数。 5．试验的组织和分工 参加发电机励磁系统模型参数确认试验的单位有：发电厂、励磁调节器制造厂、山东电力调度中心、山东电力研究院等。因有关方面提供的机组参数不完整或不正确，使励磁系统参数测试工作有一定的难度和风险性，为保证试验工作的正常顺利进行和机组的安全，应建立完善的组织机构，各部门的职责和分工如下： 1)电厂生技部负责整个试验的组织和协调。 2)电厂继电保护班负责试验的接线及具体安全措施。 3)电厂运行人员负责常规的操作及机组运行状态的监视。
发电机的心脏——励磁系统 发电机励磁系统概述励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：（如图一所示）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，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求： 图一 1、常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自 动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。 2、应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。 3、励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。我热电分厂现共有三期工程，5台同步发电机采用了3种励磁方式: 1、图二为一期两台QFG-6-2型发电机的励磁系统方框图。 图二
2、图三为二期两台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图。 图三 3、图四为三期一台QF2-12-2型发电机的励磁系统方框图 图四 一、三种发电机励磁系统的组成 一期是交流励磁机旋转整流器的励磁系统，即无刷励磁系统。如图二所示，它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反，其电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一轴上旋转，不需任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。二期是自励直流励磁机励磁系统。如图三所示，发电机转子绕组由专用的直流励磁机DE供电，调整励磁机磁场电阻Rc可改变励磁机励磁电流中的IRC从而达到调整发电机转子电流的目的。三期采用的是静止励磁系统。这类励磁系统不用励磁机，由机端励磁变压器供给整流器电源，经三相全控整流桥控制发电机的励磁电流。 二、励磁电流的产生及输出
同步电动机励磁系统常见故障分析 作者：陆业志 本文结合KGLF11型励磁装置，对其在运行中的常见故障进行分析。 1 常见故障分析 (1)开机时调节6W，励磁电流电压无输出。 原因分析：励磁电流电压无输出，肯定是晶闸管无触发脉冲信号，而六组脉冲电路同时无触发脉冲很可能是移相插件接触不良，或者同步电源变压器4T损坏，造成没有移相给定电压加到六组脉冲电路的1V1基极回路上，从而六组脉冲电路无脉冲输出导致晶闸管不导通。 (2)励磁电压高而励磁电流偏低。 原因分析：这是个别触发脉冲消失或是个别晶闸管损坏的缘故。个别触发脉冲消失可能是脉冲插件接触不良。另外图1中三极管1V1、单极晶体管2VU及小晶闸管9VT损坏，或者是电容2C严重漏电或开路。如果主回路中晶闸管1VT～6VT中有某一个开路或是触发极失灵，同样会导致输出励磁电流偏低的现象。 (3)合励磁电路主开关时，励磁电流即有输出。 原因分析：这是由于图1所示脉冲电路中的三极管1V1集电极-发射极之间漏电，即使移相电路还未送来正确的控制电压，也会导致1C充电到2VU导通的程度。2VU即输出触发使小晶闸管9VT导通，2C经9VT放电而发出脉冲令1VT、3VT、6VT之一触发导通，使转子励磁电路中流过直流电流。 (4)同步电动机起动时，励磁不能自行投入。 原因分析：励磁不能自行投入。肯定是自动投励通道电路中断或工作不正常，因此可能是投励插件与插座间接触不良，或是图2所示投励电路中的三极管3V1、单结晶体管4VU工作不正常，电容5C漏电、电位器W′损坏。另外是移相插件同样有接触不良现象，或者是图3所示移相电路的小晶闸管10VT损坏等等。 (5)运行过程中励磁电流电压上下波动。 原因分析：引起励磁电流电压输出不稳的原因很多，主要有1)脉冲插件可能存在接触不良，造成个别触发脉冲时有时无。2)图1所示脉冲电路的电位器4W松动，使三极管1V1电流负反馈发生变化，造成放大器工作点不稳定，从而影响晶闸管主回路输出的稳定性。另外，如果电容2C漏电或单结晶体管2VU及三极管1V1性能不良，也会引起触发脉冲相位移动。3)图3所示移相电路的电位器6W松动或接触不良，将会使移相控制电压Ed间歇性消失，引起励磁电流电压输出大幅度波动。另外，如果稳压管7VS、8VS损坏，都会使Ey随电网电压波动而波动，使Ed输出波动，造成晶闸管主回路直流输出不稳。 (6)励磁装置输出电压调不到零位。
发电机励磁系统的数 学模型
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 (6) 第二章发电机励磁系统的数学模型 (8) 2.1励磁系统数学模型的发展 (8) 2.2发电机励磁系统原理与分类 (9) 2.3发电机励磁系统的数学模型 (11) 2.3.1励磁机的传递函数 (11) 2.3.2励磁调节器各单元的传递函数 (12) 2.3.3同步发电机的传递函数 (14) 2.3.4励磁稳定器 (14) 2.4励磁控制系统的传递函数 (15) 第三章励磁控制系统的稳定性 (16) 3.1传统方法绘制根轨迹 (16) 3.2用MATLAB绘制根轨迹 (19) 第四章 PID在发电机励磁系统中的应用 (21) 4.1同步发电机的励磁系统的动态指标 (21) 4.2无PID调节的励磁系统 (21) 4.2.1源程序 (22) 4.2.2数值计算结果 (24) 4.3有PID调节的励磁系统 (25) 4.3.1源程序 (26) 4.3.2数值计算结果 (28) 第五章总结与体会 (31) 参考文献 (32)
发电机励磁系统的数学模型
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 (6) 1.1本课题研究意义 (6) 1.2本文主要内容 (6) 第二章发电机励磁系统的数学模型 (8) 2.1励磁系统数学模型的发展 (8) 2.2发电机励磁系统原理与分类 (9) 2.3发电机励磁系统的数学模型 (9) 2.3.1励磁机的传递函数 (9) 2.3.2励磁调节器各单元的传递函数 (11) 2.3.3同步发电机的传递函数 (11) 2.3.4励磁稳定器 (12) 2.4励磁控制系统的传递函数 (12) 第三章励磁控制系统的稳定性 (13) 3.1传统方法绘制根轨迹 (13) 3.2用MATLAB绘制根轨迹 (15) 第四章 PID在发电机励磁系统中的应用 (16) 4.1同步发电机的励磁系统的动态指标 (16) 4.2无PID调节的励磁系统 (16) 4.2.1源程序 (16) 4.2.2数值计算结果 (20) 4.3有PID调节的励磁系统 (21) 4.3.1源程序 (22) 4.3.2数值计算结果 (25) 第五章总结与体会 (27) 参考文献 (28)
发电机励磁系统 1、励磁系统的重要作用 励磁系统的主要作有：1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态稳定性；4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。二、励磁系统的工作原理励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气调控装置。励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。励磁系统包括励磁电源和励磁装置，其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器；励磁装置则根据不同的规格、型号和使用要求，分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。励磁装置的使用，是当电力系统正常工作的情况下，维持同步发电机机端电压于一给定的水平上，同时，还具有强行增磁、减磁和灭磁功能。对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能。励磁装置可以单独提供，亦可作为发电设备配套供应。三、发电机励磁系统的组成励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。同步发电机的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器；励磁装置需要提供以下电流，厂用AC380v、厂用DC220v控制电源.厂用DC220v合闸电源；需要提供以下空接点，自动开机.自动停机.并网（一常开，一常闭）增，减；需要提供以下模拟信号，发电机机端电压100V，发电机机端电流5A，母线电压100V，励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变过流，失磁，励磁装置异常等。励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关，助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器
励磁系统建模试验方案
目录 1.试验目的 (1) 2.试验内容 (1) 3.试验依据 (1) 4.试验条件 (1) 5.设备概况及技术数据 (2) 6.试验内容 (4) 7.试验分工 (5) 8.环境、职业健康安全风险因素辨识和控制措施 (6) 9.试验设备 (6)
1.试验目的 对被测试机组的励磁系统进行频率响应以及动态响应测试，确认励磁系统模型参数和特性，为电力系统分析计算提供可信的模型数据。 2.试验内容 2.1励磁系统模型传递函数静态验证试验。 2.2发电机空载特性测量及空载额定状态下定子电压等各物理量的测量。 2.3发电机时间常数测量。 2.4 A VR比例放大倍数测量试验。 2.5系统动态响应测试（阶跃试验）。 2.6 20%大干扰阶跃试验。 2.7对发电机进行频率响应测试。 3.试验依据 Q/GDW142-2012《同步发电机励磁系统建模导则》 设备制造厂供货资料及有关设计图纸、说明书。 4.试验条件 4.1资料准备 励磁调节器制造厂应提供AVR和PSS模型和参数。 电机制造厂应提供发电机的有关参数和特性曲线。 4.2设备状态要求 被试验发电机组励磁系统已完成全部常规的检查和试验，调节器无异常，具备开机条件。
5.设备概况及技术数据 容量为135MW，励磁系统形式为自并励励磁方式，励磁调节器采用南瑞电控公司生产的NES6100型数字励磁调节器。其励磁系统结构框图如图1： 图1 励磁系统框图 5.1励磁调节器模型： 图2 励磁调节器模型
5.2发电机： 生产厂家：南京汽轮机电机厂 型号：QFR-135-2 额定视在功率：158.8 MV A 额定有功功率：135 MW 额定定子电压：13.8 kV 额定定子电流：6645 A 额定功率因数：0.85 额定励磁电流：893 A 额定励磁电压：403 V 额定空载励磁电流：328 A 额定空载励磁电压：147 V 额定转速：3000 r/min 发电机轴系（发电机+燃气轮机）转动惯量（飞轮转矩）：18.91t.m2 转子绕组电阻：0.3073Ω（15℃）0.3811Ω(75℃), 0.4179Ω(105℃试验值) 转子绕组电感： 直轴同步电抗Xd（非饱和值/饱和值）：219.04/197.15 直轴瞬变电抗Xd’（非饱和值/饱和值）：30.02/27.02 直轴超瞬变电抗Xd”（非饱和值/饱和值）：19.63/17.67 横轴同步电抗Xq（非饱和值/饱和值）：205.96/182.36 横轴瞬变电抗Xq’（非饱和值/饱和值）：36.03/32.42 横轴超瞬变电抗Xq”（非饱和值/饱和值）：23.1/20.79 直轴开路瞬变时间常数Td0’ : 9.8 秒 横轴开路瞬变时间常数Tq0’ : 1.089秒 直轴开路超瞬变时间常数Td0” : 0.06秒 横轴开路超瞬变时间常数Tq0” : 0.054秒
同步电机励磁系统 Excitation system for synchronous electricalmachines-Definitions GB/T 7409.11997 本标准是对GB 7409—87的修订。 GB 7409—87执行七年来，技术已有新的发展，其中有些内容IEC已制定了国际标准。为适应技术发展的要求和贯彻积极采用国际标准的精神，原标准需作修订。 为便于采用IEC标准和今后增补、修订标准的方便，经技术委员会研究，将GB 7409改编为系列标准：修订后的GB 7409.1等同采用IEC 34-16-1：1991；GB 7409.2等同采用IEC 34-16-2：1991，至于GB 7409.3，由于IEC目前还没有相应的标准，此部分是根据GB 7409执行七年的情况并参考了美国IEEE std 421.1—1986、421.A—1978、421.B—1979和原苏联ГОСТ21558—88等标准编写的。 本标准定义的同步旋转电机的励磁系统术语为一般通用的术语。同步电机励磁系统所有 各分标准在使用同步电机励磁系统技术名词和术语时均符合本标准之规定。其他未包括的术 语，应在同步电机励磁系统各分标准中作补充规定。 本标准由全国旋转电机标准化技术委员会汽轮发电机分技术委员会提出并归口。 本标准负责起草单位：哈尔滨大电机研究所。 主要起草人：忽树岳。 IEC
1)IEC(国际电工委员会)是由所有国家的电工技术委员会(IEC国家委员会)组成的世界范围内的标准化组织。IEC的目的是促进电工和电子领域内所有有关标准化问题的国际间的合 作。为此目的和除其他活动之外，IEC出版国际标准。这些标准是委托各个技术委员会制定 的；对所讨论的主题感兴趣的任何一个国家委员会都可以参加起草工作，与IEC有联系的国际的，政府的和非政府的组织也可以参加起草工作。IEC和ISO(国际标准化组织)按两大组织之间共同确定的条件紧密合作。 2)IEC关于技术问题的正式决议或协议是由代表各国家委员会专门利益的技术委员会 所制定的，这些决议或协议都尽可能充分地表达了国际上所涉及的问题的一致意见。 3)这些决议或协议均以标准、技术报告或导则的形式出版且以推荐的形式供国际上使 用，并在此意义上为各国家委员会所承认。 4)为了促进国际上的统一，IEC各国家委员会应尽最大可能在各自的国家和地区标准中 明确地采用IEC国际标准，并应清楚地指明IEC标准与对应的本国或本地区标准之间的某 些分歧。 5)IEC对任何申明符合其某些标准的设备不提供表明它已被认可的标记过程，并且也不 对其负责。 IEC
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)
同步发电机励磁的简述 摘要：励磁系统是同步发电机组的重要构成部分，它的技术性能及运行的可靠性，对供电质量、继电保护可靠动作、加速异步电动机自启动和发电机与电力系统的安全稳定运行都有重大的影响。随着国内外励磁系统的研制不断取得进展，各型励磁系统不断涌现。综合各种因素的比较，交流无刷励磁机励磁系统和静止励磁系统（发电机自并励系统）两种励磁系统在工程是实际应用中占有很大的优势。 关键词：励磁直流发电机交流励磁机永磁机稳定 笔者所涉及的火电厂主要为中小型火力发电厂，下面着重介绍在我们所涉及的工程中常用的他励交流励磁机励磁系统和静止励磁系统（发电机自并励系统）两种励磁系统，其他励磁系统只做简单介绍。 一、概述 励磁系统是提供同步发电机可调励磁电流装置的组合。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流：励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元、发电机构成的一个反馈控制系统。 对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。电力系统在正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配，在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致
电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障的时候，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性，可见，同步发电机励磁的自动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运行的可靠性方面都起着非常重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可以有效提高系统的技术指标。 二、同步发电机励磁系统的分类及其性能特点 同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场，而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。 同步发电机的励磁电源实质上是一个可控的直流电源。为了满足正常运行的要，发电机励磁电源必须具备足够的调节容量，并且要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度。在设计励磁系统方案时，首先应考虑他的可靠性。为了防止系统电网故障对他的影响，励磁功率单元往往作为发电机的专用电源，另外，它的起励方式也应力求简单方便。 在电力系统发展初期，同步发电机容量不大，励磁电流由与发电机组同轴的直流发电机供给，既所谓直流励磁机励磁系统。随着发电机容量的提高，所需励磁电流也相应增大，机械整流在换流方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件制造工艺却日益成熟，于是大容量机组的励磁功率单元就采用了交流发电机和半
发电部培训专题（发电机的励磁系统）（因为目前我公司的励磁系统的资料还没有到，该培训资料还是不全面的，其间还有许多不足之处希望大家批评指正）
我厂励磁系统采用的是机端自并励静止励磁系统，全套引入ABB公司型号为UNITROL5000励磁系统。 发电机励磁系统能够满足不超过额定励磁电压和额定励磁电流倍情况下的连续运行。励磁系统具有短时间过负荷能力，励磁强励倍数为2倍，允许强励时间为20秒，励磁系统强励动作值为倍的机端电压值。 我厂励磁系统可控硅整流器设置有备用容量，功率整流装置并联支路为5路。当一路退出运行后还可以满足强励及额定励磁电压和额定励磁电流倍情况下的连续运行工况；当两路退出运行时还可以满足额定励磁电压和额定励磁电流倍情况下的连续运行工况，但闭锁强励功能。5路整流装置均设有均流装置，均流系数不低于95%。整流柜冷却风机有100%的额定容量，其通风装置有两路电源供电并可以自动进行切换。任意一台整流柜或风机有故障时，都会发生报警。每一路整流装置都设有快速熔断器保护。 我厂励磁系统主要包括：励磁变、励磁调节器、可控硅整流器、起励和灭磁单元几个部分。如图所示：
我厂励磁变采用三相油浸式变压器，其容量为7500KV A，变比为，接线形式为△/Y5形式，高压侧每相有3组CT ，其中两组分别提供给发变组保护A、C柜，另一组为测量用。低压侧设有三组CT其中两组分别提供给发变组保护A、C柜，另一组为备用。高压侧绝缘等级是按照35KV设计的，它设有静态屏蔽装置。 我厂励磁调节器采用的是数字微机型，具有微调节和提高暂态稳定的特性。励磁调节器设有过励限制、过励保护、低励限制、电力系统稳定器、过激磁限制、过激磁保护、转子过电压和PT断线保护单元。自动调节器有两个完全相同而且独立的通道，每个通道设有独立的CT、PT稳压电源元件。两个通道可实现自动跟踪和无扰动切换。单通道可以完全满足发电机各种工况运行。自动调节器具备以下4种运行方式：机端恒压运行方式、恒励磁电流运行方式、恒无功功率运 行方式、恒功率因数运行方式。自动调节器采用风机强制通风。
无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。 无刷励磁发电机的轴端头是一台交流发电机，其转子是发电绕组，发出的电流通过固定在发电机轴上的导线引导固定在轴上的硅整流管，整流后的直流直接进入转子绕组，其中没有整流刷这个东西，所以成为无刷励磁。曾经风靡过一段时间，但是由于整流管坏了就得停机，所以现在已经用的很少了，基本都采用自复励系统。 同步发电机励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下： 1.直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。 2.静止励磁器励磁 同一轴上有3台发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励（有时采用永磁发电机）。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 3.旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到了数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。用于这种励磁系统取消了集电环和集电装置，故又称为无刷励磁系统。
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同步发电机励磁系统的建模及仿真 发电机的三分之一故障来自于同步发电机的励磁系统，所以研究同步发电机励磁系统对于电力系统有举足轻重的作用。所谓同步发电机励磁系统就是向励磁绕组供给励磁电流的整套装置。按照励磁功率产生的方式不同，同步发电机的励磁方式可以分为自励式和他励式两种。自励式是将发电机发出的交流电经过整流后输送到同步发电机的励磁侧，而他励式是同步发电机的励磁侧单独采用直流励磁机或交流励磁机作为电源供电。 以单机―无穷大系统为模型进行研究。单机―无穷大系统模型是简单电力系统分析中最简单最常用的研究对象，其示意图如图1所示，该仿真系统由同步励磁发电机、变压器、双回路输电线和无穷大系统构成。其中，同步励磁发电机参数为200MVA、13800V、112.5r/min、50Hz,变压器参数为Y―Y型210MVA。 图１单机―无穷大系统示意图 建模及其仿真步骤如下。 1.选择模块 首先建立一个Simulink 模型窗口，然后根据系统的描述选择合适的模块添加至模型窗口中，建立模型所需的模块如下：
1）选择Machines 模块库下的Synchronous Machine pu Standard 模块作为同步励磁发电机、Excitation System 模块作为励磁控制器。 2)选择Elements 模块库下的Three-Phase Transformer (Two Windings) 模块作为三相升压变压器、Three-Phase Series RLC Load 模块作为三相并联RLC 负载接地、Three-Phase Fault 模块作为任意相之间或者任意相与地之间的短路、Ground 模块作为接地。 3）选择Electrical Source 模块库下的Three-Phase Source 模块作为无穷大系统。 4)选择Measurements 模块库下的Voltage Measurement 模块作为电压测量。 5）选择Math Operation 模块库下的Gain 模块。 6）选择Sources 模块库下的Constant 模块。 7）选择Signal Routing 模块库下的Bus Selector 模块作为输出信号选择器。 8）选择Sinks 模块库下的Scope 模块。 2. 搭建模块 将模块放在合适的位置，将模块从输入端至输出端进行连接，搭建完的Simulink 励磁系统模型如图2 所示。 图2 Simulink 励磁系统模型
四川大学 电力系统自动装置 题目同步发电机励磁系统 学院电气信息学院 专业电气工程及其自动化
同步发电机励磁系统及励磁调节器工作原理 一励磁系统的结构 励磁系统,一般来讲，就是与同步发电机励磁回路电压建立，调整以及必要时使其电压消失的有关元件和设备的总称。 同步发电机的自动励磁调节通常分为两部分： 第一部分是励磁功率单元，用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，已建立直流磁场。 第二部分是励磁调节器，用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流或自动灭磁等以满足运行的需要。 二自动励磁调节系统的作用： 1。电力系统正常运行时，维持发电机或系统某点电压水平。当发电机无功负荷变化时，一般情况下机端电压要发生相应的变化，此时自动励磁调节装置应能供给要求的励磁功率，满足不同负荷情况下励磁
电流的自动调节，维持机端或系统某点电压水平。 负荷波动—功率变化—电压变化 负荷增大—电压降低—励磁电流增大 同步发电机的励磁系统就是通过不断调节励磁电流来维持给定的电压。 2。合理分配发电机间的无功功率。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征有一定的要求。
励磁电流的变化只是改变了机组的无功功率和功率角的大小。 与无限大母线并列运行的机组，调节励磁电流可以改变发电机无功功率的数值即控制无功分配。 3。提高电力系统稳定性 电力系统在运行中随时可能受到各种干扰，受到干扰后，电力系统稳定性的要求能够恢复到原来的状态或者过渡到一个新的运行状态。其主要标志是暂态过程结束后，同步发电机能维持或恢复同步运行。励磁调节系统对静态稳定和暂态稳定的影响 （1）对改善静态稳定的影响
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 。 （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、设计与论证 同步发电机励磁系统的数学模型 在仿真设计之前，有必要分析系统中各个环节的工作原理，得出其传递函数，从而完成系统的开环、闭环传递函数的分析，本文采用简化的传递函数来表征系统各个组成部分的数学模型。 2.1同步发电机传递函数 假设该系统中的发电机的双输出绕组是严格同步变化的，在不考虑发电机磁路的饱和特性是，同步发电机的传递函数可以简化为以下一阶滞后环节： s Td K G G S G 01+= ）（ 式子中：G K 为发电机的放大系数取1，0Td 为其时间常数取1，忽略发电机磁场饱和现象。 2.2电压测量单元 电压测量完成励磁同步发电机输出电压到数字控制器输入信号的转化，其中镇流滤波电
定义:励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励 磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气 调控装置。励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。 励磁系统包括励磁电源和励磁装置,其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器;励磁装置则根据不同的规格、型号和使用要求,分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。励磁装置的使用,是当电力系统正常工作的情况下,维持同步发电机机端电压于一给定的水平上,同时,还具有强行增磁、减磁和灭磁 功能。对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整 流功能。励磁装置可以单独提供,亦可作为发电设备配 套供应。 励磁系统的主要作用有: 1)根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流,以维持机端电压为给定值; 2)控制并列运行各发电机间无功功率分配; 3)提高发电机并列运行的静态稳定性; 4)提高发电机并列运行的暂态稳定性; 5)在发电机内部出现故障时,进行灭磁,以减小故障损失程度; 6)根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。 原理:利用导线切割磁力线感应出电势的电磁感应原理,将原动机的机械能变为电能输出。同步发电机由定子和转子两部分组成。定子是发出电力的电枢,转子是磁极。定子由电枢铁芯,均匀排放的三相绕组及机座和端盖等组成。转子通常为 隐极式,由励磁绕组、铁芯和轴、护环、中心环等组成。汽轮发电机的极数多为两 极的,也有四极的。转子的励磁绕组通入直流电流,产生接近于正弦分布磁场(称为转子磁场),其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。转子旋转时,转子磁场随同一起旋转、每转一周,磁力线顺序切割定子的每相绕组,在三相定子绕组内感应出三相交流电势。发电机带对称负载运行时,三相电枢电流合成产生一个同步转速的旋 转磁场。定子磁场和转子磁场相互作用,会产生制动转矩。从汽轮机输入的机械转
发电机励磁系统模型的选择和励磁系统参数整定（提纲） 浙江省电力试验研究院竺士章 1 励磁系统模型的选择 自动电压调节器模型一般应符合GB/T7409.2的要求。在常规励磁调节模型器模型结构不能解决电力系统稳定问题时需要选用特殊控制原理和模型结构。 自并励静止励磁系统的自动电压调节器不宜采用磁场电流反馈。 交流励磁机励磁系统宜采用励磁机励磁电流反馈。 2 校正环节的限幅模型对电力系统稳定的影响 采用IEEE标准模型。 3 励磁系统的参数整定 3．1 由电压静差率决定励磁系统静态增益 1）较小的电压静差率对电力系统稳定有较好的作用 2）估计励磁系统静态增益的两种方法：Xd法和励磁电压法 3．2 由机端电压突降控制角移到最小决定PID环节最小的动态增益，同时满足规定的励磁系统动态增益（低频振荡范围内的增益） 3．3 发电机空载阶跃响应确定PID参数 1）自并励励磁系统发电机空载阶跃响应指标与发电机在线对电力系统稳定的影响 2）自并励励磁系统发电机空载阶跃响应的优化指标 3）交流励磁机励磁系统发电机空载阶跃响应指标的影响 4）交流励磁机励磁系统发电机空载阶跃响应的优化指标 4 发挥发电机组短时工作能力，保护发电机组安全 5 过励限制的整定 5．1 过励限制整定的一般原则 顶值电压倍数大于2倍的励磁系统应有顶值电流瞬时限制功能。励磁系统顶值电流一般应等于发电机标准规定的最大磁场过电流值，当两者不同时按小者确定。 过励反时限特性函数类型与发电机磁场过电流特性函数类型一致。因励磁机饱和难以与发电机磁场过电流特性匹配时宜采用非函数形式的多点表述反时限特性。 过励反时限特性与发电机转子绕组过负荷保护特性之间留有级差。顶值电流下的过励反时限延时应比发电机转子过负荷保护延时适当减少，但不宜过大，一般可取2s，并大于发变组后备保护的延迟时间。 过励反时限启动值小于发电机转子过负荷保护的启动值，一般为105%～110%发电机额定磁场电流。启动值一般不影响反时限特性。 过励反时限限制值一般比启动值减少5%～10%发电机额定磁场电流，以释放积累的热量。也可限制到启动值，再由操作人员根据过励限制动作信号，减少磁场电流。 5．2以发电机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定 5．3以励磁机磁场电流作为过励限制控制量的过励限制整定 当不采用发电机转子过电流保护时过励限制仍按照上述方法确定。 5．4 合理整定定子过电流限制和保护、合理整定励磁变和主励磁机保护 6 关于过励报警、切换和保护的意见 6．1 设置过励报警信号 6．2 误强励至保护动作的时间——完善调节器故障检测 6．3 顶值电流瞬时限制失败的判断 6．4 过励反时限限制失败的判断