同步发电机非线性电阻灭磁仿真研究
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1 非线性电阻灭磁原理及过程
图1为非线性电阻灭磁原理图，在发电机励磁回 路装有开关LMK，正常运行时，触头1闭合，触头2断 开，非线性电阻R所在的支路是处于断路状态。当收 到紧急停机指令，灭磁时，LMK动作，触头2首先闭 合，触头1断开。由于励磁绕组大电感作用以及断路 器LMK-1的作用，非线性电阻R的端电压升高达到的 导通电压值，使励磁电流由主开关支路转移到非线 性电阻支路，成功换流。在采用非线性电阻灭磁时，灭 磁开关的作用，仅在于在电路上切断励磁电源与磁 场绕组之间的联系，基本上不承担消能的任务，磁场 绕组的大部分能量将消耗在非线性电阻上。由于非 线性电阻的伏安特性，灭磁电流在衰减的过程中， 始终使非线性电阻的可变阻值与衰减的灭磁电流 的乘积基本保持常数，并且可抑制转子过电压，使 其灭磁过程很接近于理想的灭磁过程，可实现快速 灭磁。因此，它已成为国内外普遍采用的灭磁方式。
图3 受空载特性饱和影响的各电感
Lfs=Xfs
Lf Xf
0.227
3伊
1.963 1.080
2 5
=0.413
0
H
7）d轴阻尼绕组漏抗，由
可得
蓸 蔀 Xd义=Xp+
1 Xad
+
1 Xfs
+
1 XDs
-1
图4 Subsystem 模块
XDs=0.171 9 8）d轴阻尼绕组漏感
LDs=XDs
Lf Xf
阻的励磁电流；k 为灭磁常数；琢为非线性电阻系数。
对于理想非线性电阻，琢=0，通常非线性电阻0<琢<1。
非线性电阻属于不易老化元件，又可以以不同
的方式进行串、并联来满足不同灭磁容量的要求，
维护量大大缩小，因此，采用非线性电阻灭磁是经
济的，也较灵活。目前，国外普遍采用碳化硅非线性
电阻，而国内大多选用氧化锌非线性电阻。
表2 灭磁电阻及灭磁结果
灭磁电阻 灭磁时间/s iD最大值/A W R /MJ W f /MJ W rD /MJ
SiC
4.64
158
2.61
0.86
0.24
ZnO
2.42
174
2.69
0.7
0.31
仿真的动态过程如图5—图8所示。比较图5—图8
图6 磁场电流、电压，d轴阻尼绕组电流 图7 用ZnO灭磁SiC时，磁场绕组，阻尼绕组吸收的磁能
8
=1.080
5
4）换算到转子侧的d轴电枢反应电感
第27卷 第7期
电网与清洁能源
智能电网 Smart Grid
23
图2 同步发电机非线性电阻灭磁仿真结构图
Lad=
XadLf Xf
=
0.853 2伊1.963 1.080 5
2
=1.550
2
H
5）磁场绕组漏抗
Xfs=Xf-Xad=1.080 5-0.853 2=0.227 3 6）磁场绕组漏感
根据以上数据还需进行以下参数的计算[11-14]：
1）d轴电枢反应电抗
Xad=Xd-Xp=0.996 5-0.143 3=0.853 2 2）转子磁场自感
Lf=rf伊T忆d0=0.154 1-12.74=1.963.2H
3）换算到定子侧的磁场绕组电抗
载f=
X
2 ad
Xd-X鸳d
=
0.853 22 0.996 5-0.332
Vol.27 No.7
由于误强励时励磁功率整流器输出电压达最大
值，且在发电机达1.3倍额定电压或励磁绕组达2.47 倍额定励磁电流时，发电机转子电流上升速度很
快，因此误强励灭磁是发电机最严重的灭磁工况。
若发电机空载时励磁系统误强励，励磁电流将达到
正常额定励磁电流的2倍，即2伊1 734=3 468 A，反压 为1 kV。对于非线性电阻的参数的选取，可按式（7）， ZnO电阻，式中琢=0.046，k=688.95；SiC电阻，式中琢=0.36， k=53.06。
第27卷 第7期 2011 年 7 月
文章编号：1674-3814（2011）07-0021-05
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TM312
智能电网 Smart Grid
Vol.27 No.7 Jul. 2011
文献标志码：粤
同步发电机非线性电阻灭磁仿真研究
ABSTRACT：De -excitation with non -linear resistance is usually adopted in large synchronous generators. This paper describes the Matlab Mathematical simulation models of the de -excitation with non -linear resistance with consideration given to the nonlinearity of no-load characteristic of generator and the induction effect of rotor damper winding. The de excitation simulation of a 667 MW hydro-turbine generator in the Pubugou Hydropower Station is conducted with curves of the field current and voltage and the damping winding current
3 非线性电阻灭磁仿真
本文采用易于仿真的Matlab/Simulink仿真工具[7-10]。
对于同步发电机空载特性的数学处理如下：
用标幺值表示时，本文研究的发电机的空载特
性参考表1中的常规空载特性U0=f (if)。
表1 同步发电机常规空载特性及其替代特性
pu
Uf
0 ~ 0.55 1.0
1.21
1.33
随着发电机组容量的不断增加，发电机的灭磁 显得越来越重要，它影响到发电机的安全。因此，能 否安全、可靠地快速灭磁是判断灭磁的一个重要技 术指标，同时要能有效地限制转子两端的过电压值 在规程所允许的范围之内。目前，世界所发展的灭 磁系统，就其原理而言主要有线性电阻灭磁，非线 性电阻灭磁，利用短弧阴极效应原理设计的带灭弧 栅的自动灭磁开关灭磁、逆变灭磁等[1-5]。
0.171
9伊
1.963 1.080
2 5
=0.312
3
H
9）d轴阻尼绕组电抗
XD=XDs+Xad=0.853 2+0.171 9=1.025 1 10）d轴阻尼绕组电阻，由
可得
2
Td0义=
XD-Xad/X rD
f
rD=3.489 6 赘
智能电网 Smart Grid
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张扬:同步发电机非线性电阻灭磁仿真研究
如图2所示。
图2表示了用灭磁微分方程组（5），（6）构成的
Simulink结构图，该图的顶部中间部分模块表示的
是非线性电阻，左边的子模块即图3表示的是受空
载特性饱和影响的各电感，图4 Subsystem模块的作
用是保证磁场电流If为0后可以一直保持下去。
4 仿真实例
现以某水电站的水轮发电机为例，其主要参数如
on the d-axis obtained. At the same time, the magnetic energy absorbed by de -excitation resistor, field winding and damping winding on d-axis, the de-excitation time are also obtained, so a true and visual observation of the de -excitation process is provided. KEY WORDS: large generator; de -excitation; non -linear resistance; Matlab simulation 摘要：同步发电机通常采用非线性电阻灭磁方式，建立了非 线性电阻（包括碳化硅和氧化锌）灭磁的Matlab仿真模型。其 中考虑了空载特性的非线性和转子阻尼绕组的效应。通过对 某水电站的667 MW水轮发电机进行灭磁仿真，最终得出了 磁场电流、电压、d轴阻尼绕组电流的变化情况，以及非线性 电阻等各部分吸收的磁能和灭磁时间，从而更真实直观地展 示了非线性电阻灭磁过程。 关键词：大型发电机；灭磁；非线性电阻；Matlab仿真
本文就目前常用的非线性电阻灭磁方式进行 研究，并通过Matlab对大型同步发电机灭磁进行仿 真来展现非线性电阻灭磁过程中灭磁电阻等部分 吸收的磁能和灭磁时间，励磁电流，电压等变化情 况，并分析和比较了用SiC压敏电阻和ZnO压敏电阻 两种非线性电阻灭磁的特点。为更接近实际其中考 虑了同步发电机转子上的阻尼绕组，及其空载特性 因饱和引起的非线性。
灭磁时空载误强励的电流if0=3 468 A的初始值 是通过给定图2左上角的积分器的初始值来完成 的，因为积分器的输入是Lfif的微分，其应该保证输 出的Lfif除Lf后得到if0=346 8 A。因此，由图3子系统模 块可推出
Lf=k
M N+jfb/ij
+Lfs=
0.600
9伊
1.95 0.95+2
张扬
（榆林电力设计院，陕西 榆林 719000）
Simulations of Non-Linear Resistance De-Excitation of
Synchronous Generators
ZHANG Yang
