2023年度电力系统同步发电机励磁系统的建模与仿真

浅析同步发电机励磁系统建模摘要：励磁系统的建模是提高电力系统稳定分析水平的关键手段，对应于不同的电厂其建立励磁系统模型的过程也不尽相同，本文在励磁系统参数完备的基础上，通过对励磁系统调节器的参数实测和幅值实测来建立原始的模型参数，再通过固定模式转换和模型校验来得到最终的励磁系统的模型。

关键词：励磁系统模型参数实测幅值实测固定模式转换发电机励磁系统在电力系统中起着非常重要的作用。

其主要作用是维持发电机端电压恒定，控制并列运行发电机间无功功率合理分配，提高发电机及电力系统的稳定性，这些都是励磁系统的基本作用。

在诸多改善发电机稳定性措施中，提高励磁系统的控制性能是最有效和经济的措施之一，随着大电网的互联，电力系统容量倍增，加上快速励磁装置的广泛应用，使得电力系统出现了许多新的问题。

比如由于系统阻尼不足出现的低频振荡，远距离输电线路的串联补偿电容引起的次同步振荡及轴系扭振，系统无功不足、无功功率平衡破坏导致的电压崩溃，这些都威胁着电力系统的稳定运行。

二、建立励磁系统原始模型参数1.调节器各个环节参数实测。

频域辨识方法：在电压叠加点加上白噪声信号或正弦信号，进行频率特性测量，获得频率特性之后可以使用专用的拟合程序拟合获得传递函数。

相频、幅频特性应与实际测得的特性进行比较，各个环节可以分开进行，也可以几个环节合起来进行。

时域辨识方法：在电压叠加点加上阶跃信号，进行时域特性测量，获得时域响应之后可以使用专用的拟合程序拟合获得传递函数。

2.调节器各限幅值实测。

制造厂应提供AVR调节器的环节限幅值，主要是一些非线性环节限幅，如电压偏差值限幅、各运算放大器限幅、积分限幅、最大最小可控硅控制角限制等。

在静态试验中，通过改变电压信号和电压给定值使各个环节输出达到其限幅值，然后测量该值。

三、励磁原始模型向PSS/E和BPA固定模型转换发电机励磁系统按照励磁方式可分为3种基本型式：励磁机励磁系统（直流励磁机、交流励磁机）无刷励磁系统和自并励静止励磁系统。

控制系统仿真结课作业同步发电机励磁系统的建模及仿真专业：电气工程及其自动化姓名：学号：指导教师：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。

无刷同步发电机励磁系统设计及仿真摘要：励磁系统是无刷同步发电机的重要组成部分，其性能对于发电机组乃至整个电力系统的运行效率和运行特性都具有决定性作用，一般来说，性能优良的励磁系统不仅能保证发电机安全稳定运行，还能保证电能质量以及电力系统静态、暂态稳定。

本文首先对无刷同步发电机励磁系统的作用进行简要论述，并着重在常规PID控制的励磁系统的基础上对基于模糊PID控制和基于BP神经网络PID控制的无刷同步发电机励磁系统的设计及仿真进行研究。

关键词：无刷同步发电机；励磁系统；模糊PID；BP神经网络；仿真无刷同步发电机具有改善电力系统稳定性的优良特性，而励磁系统在发挥无刷同步发电机的优良特性方面起着关键作用，可靠性高、性能优良且具有良好稳定性的励磁系统对于发电机组乃至整个电力系统的的安全运行起着非常重要的作用，因而在电机设计中的电磁设计占有重要地位。

无刷励磁系统由于无碳刷和滑环，要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，所以其维护工作量较少，能承受高速旋转的离心力，且适合在危险的环境中运行，另外，由于没有接触部件的磨损，可延长电机绝缘寿命，是现代中小型电机和大型无刷励磁系统首选励磁方式。

本文将对基于模糊PID控制和基于BP神经网络PID控制的无刷同步发电机励磁系统的设计及仿真进行研究。

一、无刷同步发电机励磁系统的作用无论发电机机组或电力系统是在稳定状态下还是在固定状态下运行，无刷同步发电机的励磁系统都起着非常关键的作用。

首先，在发电机正常运行工况下，励磁系统向发电机提供励磁电流，并且根据电力负载情况进行实时调节励磁电流，以将发电机端口电压维持在给定水平；其次，当机组并网运行时，无刷同步发电机的励磁系统合理分配机组间的无功功率；第三，改变励磁电流从而改变总含有发电机空载电动势，以此来改善系统稳定性，提高有功功率的传输能力，扩大机组运行的稳定区域；当电力系统发生电路故障比如出现短时低电压等情况，励磁系统可通过大幅增加励磁以提高电压，改善发电机运行条件，提高继电保护装置动作准确性，进而保证整个电力系统的暂态稳定性。

发电机励磁系统建模与参数辨识综述摘要：发电机励磁系统对电力系统的电压控制和稳定控制具有重要作用。

随着电力系统的发展，我国电网规模越来越大，电网安全及其稳定运行问题的重要性日益突出，通过电力系统稳定计算以确定系统最优运行工况是提高系统稳定性的一个重要手段，而电力系统安全稳定计算的关键是建立准确的数学模型和采用与实际系统相吻合的模型参数。

因此，结合发电机励磁系统的特点，开展模型参数辨识工作，从而建立起准确的励磁系统数学模型的研究非常必要。

关键词：发电机；励磁系统建模；参数辨识一、励磁系统和发变组概述（一）励磁系统概述在常规化运行环境或者是电力系统出现故障的环境中，都需要配合发电机励磁系统限制器，建构完整的应用模式和控制机制。

一般而言，励磁系统主要指的就是基于电源的整流装置，励磁静止系统完成能源的供给。

一方面，励磁系统能对发电机出口电压参数和无功功率参数予以控制，维持其稳定性和运行的合理性，并配合发电机并列运行处理机制，打造良好的应用环境。

另一方面，励磁系统凭借其较快的响应速度和可靠的运行维护模式，能更好地满足静态应用效果，提高电力系统运行的稳定性，最大程度上打造良好的运行载体。

自并励励磁系统无论是暂态稳定性还是运行安全性都要高于常规的励磁系统，能维持较好的应用环境，并且能更好地处理距离较近的电压降失衡问题，保证调节工序的合理性、稳定性和安全性。

（二）发变组定值设置概述在发变组定值设置的过程中，要结合具体应用规范和标准落实匹配的设置机制。

（1）设置零序补偿机制。

在电力变压器应用运行过程中，其自身配置的接线组会出现扭转现象，尤其是普通变压器，扭转角度一般为15～30°，为了保证其应用效果，就要配合行测绕组，有效对变压器的扭转角度予以补偿处理，维持继电器运行的稳定性。

另外，三角形接线还能配合电流零序结构，有效消除零序分量造成的影响，打造更加稳定的运行环境。

（2）设置基础性制动模式，在变压器设置工序中，基础性差动保护具有重要的应用价值，能减少合闸空载产生的励磁涌流，其主要的工作原理在于二次谐波的产生，能形成良好的制动模式。

硕士研究生学位论文X X大学论文题目(中文)：基于MATLAB的同步发电机励磁系统的建模仿真论文题目(外文)：Modeling and Simulation of excitation system of synchronous generator based on MATLAB/simulink 研究生姓名：XXXX学科、专业：电气工程研究方向：导师姓名职称：论文答辩日期年月日学位授予日期年月日摘要近些年来,电力系统发展迅速,基本形成了高电压、大机组、超远距离输送的模式。

因此,保证电力系统的安全、稳定、高效运行成为了研究的热点与难点。

同步发电机励磁控制系统是同步发电机控制系统的核心。

经过长年的研究证明, 实现对同步发电机励磁的合理有效控制,是实现电力系统稳定运行要求的最快捷、最有效、最廉价的方法。

传统PID控制需要线性的精确模型,无法实现对非线性对象的有效控制,不能及时应对系统运行中被控对象发生的改变,对于目前以至未来电力系统的发展特点,难以实现有效控制。

模糊控制是一种智能控制方法,它不需要精确的数学模型,鲁棒性强,同时设计简单方便,易于实现。

本文从同步发电机励磁控制系统原理入手,在深入学习PID控制与模糊控制理论之后,将两者结合起来,提出了基于模糊PID同步发电机励磁控制策略。

详细阐述了该模糊PID励磁控制器的设计过程,实现了针对同步发电机励磁控制这一非线性系统的实时在线控制。

选取了多组参数对所设计的励磁控制器进行仿真,与常规PID控制效果进行比较分析。

实验结果表明本文提出的基于模糊PID的同步发电机励磁控制效果良好,系统的动态特性和静态特性相对于传统PID励磁控制都得到改善,能够对系统运行状态的改变做出及时合理的调整,响应速度快,超调量小,调整时间短,使系统具有较强的适应和抗干扰能力,控制效果明显提高；对于传统PID控制无法解决的非线性问题,模糊PID控制依然有良好的控制效果,体现出解决非线性控制问题的优势。

同步发电机励磁系统实时数字仿真模型及参数研究的开题报告一、研究背景随着电力系统规模不断扩大和电力质量要求的不断提高，同步发电机励磁系统的稳定性和动态响应特性越来越受到关注。

数字仿真技术作为一种有效的分析工具，已广泛应用于电力系统的研究和分析中。

因此，对于同步发电机励磁系统实时数字仿真模型及参数的研究具有重要的现实意义和理论价值。

二、研究内容和目标本文的研究内容主要为同步发电机励磁系统的实时数字仿真模型及参数的研究。

通过分析同步发电机励磁系统的结构特点和工作原理，建立相应的数字仿真模型，并针对不同的方案和参数进行研究和分析，以提高同步发电机励磁系统的动态响应和稳定性。

本文的研究目标主要有以下几个方面：1.建立同步发电机励磁系统的实时数字仿真模型，考虑其结构特点和工作原理，并对相应的参数进行调整和优化。

2.通过对比实验和仿真结果，验证数字仿真模型的准确性和可靠性。

3.研究同步发电机励磁系统的动态响应特性和稳定性，并提出改进措施，以优化其性能。

三、研究方法和技术路线本文的研究方法可分为以下几步：1.收集同步发电机励磁系统相关文献，了解其结构特点和工作原理。

2.建立同步发电机励磁系统的实时数字仿真模型，考虑其结构和参数等因素。

3.编写仿真程序，进行数字仿真，获得模拟结果。

4.与实验数据进行对比，验证数字仿真模型的准确性和可靠性。

5.对数字仿真模型进行优化，改进同步发电机励磁系统的动态响应特性和稳定性。

四、研究意义和预期结果本文的研究意义在于提高同步发电机励磁系统的动态响应特性和稳定性，以保证电力系统的稳定供电。

同时，通过建立实时数字仿真模型，可以更好地了解同步发电机励磁系统的运行机理和工作性能，为其改进和优化提供理论依据。

预期结果主要包括以下几个方面：1.建立同步发电机励磁系统的实时数字仿真模型，考虑其结构特点和工作原理，并调整优化其相关参数。

2.验证数字仿真模型的准确性和可靠性，并分析其适用范围和局限性。

同步发电机励磁系统设计与优化一、综述在发电机组中，励磁系统是保证发电机输出电流大小和品质的重要部分。

同步发电机励磁系统需要满足调节可靠、稳定性好、响应速度快等多个特点。

针对同步发电机励磁系统设计与优化问题，本文就同步发电机、励磁系统这两个问题进行了细致的分析和探讨。

二、同步发电机同步发电机是以旋转的机械能为输入，以旋转的电磁场为输出的能量转换装置。

在同步发电机运行过程中，Pole flux和Armature flux是建立在转子和定子之间的两个磁环，Pole flux与转速同步，并在空气隙中旋转；而Armature flux是由电流激励在三相定子绕组中形成的。

同步发电机的3个重要参数：功率（Power）、电压（Voltage）和频率（Frequency）。

电压和频率是由转子的转速决定的，因此后者也是一个重要的参数。

三、励磁系统同步发电机内部的电磁感应所导致的电动势在定子绕组中诱导出电流，进而输出电力。

为了控制这个过程，在发电机的转子内设置了励磁绕组。

这个励磁绕组通过产生磁场导致定子绕组中的电磁感应强度，从而能够调节输出电流大小和品质。

在设计励磁系统之前，需要对发电机的特点进行充分的认识和分析，主要考虑以下几个方面：1. 发电机的类型、功率和额定电压；2. 动态响应的要求，包括对速度变化的响应，功率因数等；3. 对于工程实现的要求，例如励磁绕组的物理尺寸、适应于特殊环境的特殊要求等等。

四、优化方案一般情况下，在同步发电机的励磁系统中，我们会采用静态投切法或是滑模控制等方法进行励磁。

其中静态投切法是在运行时直接断开控制电源，然后等待发电机励磁系统恢复到一个稳定状态；而滑模控制则会通过一个模型来实现控制。

在优化励磁系统之前，我们还需要注意的是控制参数的一致性和可控性，包括波形、非线性响应等指标。

同时，优化的目标需要考虑到如下几个方面：1. 响应速度与动态质量，通常采用对系统的稳态和动态响应进行评估；2. 功率效率和电力质量，包括功率因数和谐波等指标；3. 控制可行性，即技术的可用性和资源的可行性。

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，dtd p θθω==。

发电机励磁系统建模及参数测试现场试验方案一、背景介绍发电机励磁系统是发电机的重要组成部分，控制和调节发电机输出电压和电流的稳定性。

励磁系统的合理运行对于保证发电机的安全运行和电力系统的稳定性至关重要。

因此，对发电机励磁系统建模和参数测试进行现场试验是必要的。

二、试验目的1.建立发电机励磁系统的数学模型，准确描述其工作原理，对励磁系统进行仿真分析。

2.测试励磁系统参数，评估其性能和稳定性，发现存在的问题并提出优化建议。

三、试验方案1.建模与仿真1.1收集和分析发电机的电气参数，包括发电机的电感、电阻、励磁电枢电阻、励磁电枢电感等。

1.2根据收集的参数，建立发电机励磁系统的数学模型。

模型可以采用经典的励磁系统模型，如PI控制、PID控制等。

1.3 利用仿真软件，如MATLAB/Simulink，进行励磁系统的仿真分析，观察发电机输出电压和电流的波形，评估励磁系统的性能和稳定性。

2.参数测试2.1制定测试计划，明确测试的参数和步骤。

2.2测试发电机励磁系统的基本参数，包括励磁电流、励磁电流反馈回路增益、励磁电枢电流反馈系数等。

2.3测试励磁系统的稳定性参数，如动态响应时间、控制精度、超调量等。

2.4根据测试结果，分析励磁系统的工作状态和性能，对比模拟结果，确定是否存在问题。

3.问题发现与优化建议3.1根据测试结果和模拟分析，发现存在的问题，如励磁系统的响应速度过慢、控制精度不高等。

3.2针对存在的问题，提出优化建议，如调整控制器参数、增加反馈环节等。

3.3制定优化方案，对励磁系统进行优化，并再次进行现场试验，验证优化效果。

四、试验计划1.准备工作1.1收集发电机的电气参数，包括电感、电阻等。

1.2确定试验设备和工具，如发电机功率测试仪、多用表等。

1.3建立仿真模型，准备仿真软件。

2.建模与仿真2.1建立发电机励磁系统的数学模型。

2.2利用仿真软件进行仿真分析。

3.参数测试3.1制定测试计划，明确测试的参数和步骤。

电力系统稳态分析中的发电机建模方法概述：在电力系统中，发电机是电能转化的关键组成部分。

发电机的建模是电力系统稳态分析的基础，准确的发电机模型可以有效地预测电力系统稳态行为，使电力系统运行更加可靠和稳定。

本文将介绍在电力系统稳态分析中常用的发电机建模方法。

一、同步发电机建模同步发电机是电力系统中常见的发电机类型，其建模方法有多种，常用的包括：1. 线性化模型：将同步发电机抽象为线性模型，通常使用Park转换将其转换到dq坐标系统中，其中dq坐标系相对于三相坐标系更具优势。

线性化模型简化了发电机的复杂动态行为，适用于大规模电力系统稳态分析。

2. 非线性模型：考虑发电机的非线性特性，如饱和、饱和损耗和电机动画线性负载特性等。

非线性模型能更准确地描述发电机在不同工况下的行为，适用于小规模电力系统和特殊场景。

二、永磁同步发电机建模永磁同步发电机是一种使用永磁体进行励磁的同步发电机，具有高效率、轻量化和快速响应等优势。

其建模方法主要包括：1. 百分数定转矩模型：将永磁同步发电机抽象为百分数定转矩模型，通过控制转矩百分比实现功率调节。

该模型简单易用，适用于短期功率调节或小规模电力系统。

2. 细致转子模型：考虑永磁同步发电机的细致转矩特性，包括励磁磁场、转矩控制和电流限制等。

这种模型更适合长期功率调节和大规模电力系统。

三、异步发电机建模异步发电机是另一种常见的发电机类型，其建模方法有以下几种：1. 等效电路模型：将异步发电机抽象为等效的电路模型，包括定子电流、气隙电磁场和转子电流等。

该模型能够较好地描述异步发电机在不同运行模式下的行为。

2. 动态模型：考虑异步发电机的动态响应特性，特别是短路转矩和错轴转矩等。

动态模型能更准确地预测电力系统的暂态行为，适用于系统故障分析和保护策略设计。

总结：发电机建模是电力系统稳态分析的重要组成部分，准确的发电机模型对于电力系统运行的可靠性和稳定性具有重要意义。

常用的发电机建模方法包括同步发电机建模、永磁同步发电机建模和异步发电机建模等。

励磁系统参数实测与仿真建模综合实验指导书徐俊华李啸骢编广西大学电气工程学院电力系统动模—数模一体化仿真实验室目录第一章前言 (1)第二章励磁系统参数实测试验 (2)2.1设备参数 (2)2.1.1 模拟水轮发电机组参数 (2)2.1.2 励磁变压器参数 (3)2.1.3 PT、CT及转子分流器参数 (3)2.1.4 A VR参数 (3)2.2励磁系统参数实测试验 (4)2.2.1 发电机空载特性试验 (4)2.2.2 发电机空载时间常数Tdo’测试 (4)2.2.3 励磁系统开环放大倍数测试 (5)2.2.4 小阶跃响应试验 (5)2.2.5 大阶跃响应试验 (5)第三章试验结果分析 (6)3.1确定发电机励磁回路基值及饱和系数 (6)3.2调节器最大内部电压V AMAX和最小内部电压V AMIN (7)3.3换相电抗的整流器负载因子K C（标幺值） (7)3.4可控硅整流器的最大/最小触发角计算 (7)3.5最大输出电压V RMAX和最小输出电压V RMIN (7)3.6发电机电压测量环节等值时间常数 (8)第四章BPA仿真建模及小干扰校核 (8)4.1BPA仿真建模 (8)4.2励磁系统模型小干扰校核 (9)参考文献 (10)第一章 前言发电机励磁控制对于电力系统的稳定性起着重要的作用，在研究分析电力系统稳定性时需要掌握励磁控制系统的特性及参数，并建立准确可信的模型。

以往计算常常将电力系统暂态过程中励磁系统的作用简化维持暂态电动势不变，不计及励磁系统的具体模型参数，即采用qE '恒定的模型。

许多研究报告已指出，对于快速励磁系统，采用q E '恒定的模型将导致计算结果偏保守，对于常规三机励磁系统则偏冒进。

早在上世纪60 年代末IEEE 就提出了励磁系统的数学模型，并先后作了三次更新，我国在90 年代初提出了稳定计算用的励磁系统模型，并一直在进行改进。

随着全国联网工程的实施，互联电网的动态稳定性及电压稳定性问题越来越突出，电力系统四大元件（发电机、励磁系统、调速系统及负荷）的模型和参数对系统计算结果的影响已变得不容忽视。