基于matlab的同步发电机励磁系统仿真分析与调试毕业设计

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基于MATLAB的同步发电机励磁系统仿真分析与调试

摘要

同步发电机为电力系统提供能量，其控制性能的好坏将直接决定电力系统的安全与稳定运行状况。通过掌握利用MATLAB对励磁控制进行分析和研究的技能，能灵活应用MATLAB的SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。通过使用这一软件工具从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。

文章介绍了MATLAB/Simulink的主要特点、基本模块和功能，分析了同步发电机励磁调节系统的组成及其各个部分原理，建立了基于MATLAB的同步发电机及其励磁调节系统仿真模型，最后建立了以PID和PSS为励磁控制方式的同步发电机励磁调节系统数学模型，在Simulink环境下进行了仿真，收到了很好的效果。

关键词：MATLAB；同步发电机；励磁调节系统；建模；仿真；校正

ABSTRACT

Synchronous generator is the energy of the power system provider, and its performance will directly determine the quality of power system security and stability in operation. Through mastering the use of MATLAB for analysis of the excitation control and research skills, flexibility SIMULINK of MATLAB simulation software to analyze performance of the system. Through the use of the software tools from the boring red tape out of the computational burden, and more reflection on the nature of the problem used to solve practical production and research issues.

The article introduced the main features of the MATLAB/Simulink，the basic module and function，illustrated the composition of synchronous generator excitation system and its principle of every part，established the simulation model of generator from MATLAB and that of generator excitation system，established synchronous generator excitation system mathematical model that is controlled by the way of PID and PSS，simulate it in the environment of Simulink，get pretty good results.

Key words: MATLAB；synchronous generator；excitation control system；modeling；simulation；Correction

目录

1 绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 MATLAB 软件介绍 (1)

1.2.1 MATLAB 软件简介 (1)

1.2.2 MATLAB 软件语言特点 (2)

1.3 Simulink 介绍 (4)

1.3.1 Simulink 简介 (4)

1.3.2 Simulink 功能介绍 (4)

1.3.3 Simulink 特点介绍 (5)

2 同步发电机的励磁系统控制原理 (6)

2.1 同步发电机介绍 (6)

2.1.1 同步发电机工作原理 (6)

2.2 励磁系统概述 (7)

2.3 励磁系统的分类 (8)

2.3.1 直流励磁机励磁系统 (8)

2.3.2 半导体励磁系统 (9)

2.3.3 静止励磁机励磁系统 (11)

2.4 励磁系统在电力系统中的作用 (12)

3 同步发电机励磁系统MATLAB 的建模 (15)

3.1 励磁控制系统数学模型[3] (15)

3.2 励磁控制系统的传递函数[3] (16)

4 励磁控制系统的MATLAB 仿真 (17)

4.1 励磁系统的仿真 (17)

4.1.1 闭环传递函数 (17)

4.1.1.1 闭环传递函数模型 (17)

4.1.1.2 求阶跃响应 (18)

4.1.2 开环传递函数 (18)

4.1.2.1 开环传递函数模型 (18)

4.1.2.2 根轨迹图设计器 (19)

4.2 Simulink 求阶跃响应 (21)

4.2.1 阶跃响应的暂态指标 (22)

5 励磁控制系统的校正 (23)

5.1 校正的概念 (23)

5.2 校正的分类 (23)

5.3 PID 对励磁系统的仿真 (23)

5.4 励磁系统稳定器（PSS）对系统的校正 (25)

5.5 PID 校正和PSS 校正的分析比较 (27)

6 总结 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

附录 (31)

附录A 计算暂态指标的程序1 (31)

附录B 计算暂态指标的程序2 (33)

1 绪论

1.1 引言

同步发电机是电力系统的能量提供者, 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。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；当电力系统发生故障而使电网电压下降时，励磁系统应能快速强行励磁，以提高系统的稳定性；当同步电机内部发生短路故障时，为迅速排除故障并使故障局限在最小范围内，应能快速灭磁。按照所采用的整流装置，目前的励磁系统可分为2类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流变成直流后供给励磁的半导体励磁系统。无论采取哪种方式，同步发电机励磁系统都是通过调节发电机励磁绕组两端的励磁电压，从而影响发电机的电动势，达到稳定端电压的目的。

在MATLAB中，电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以据所研究对象物理模型建立其数学模型，并进行封装和自定义为用户自己的模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。同时更重要的是，MATLAB提供了丰富的工具箱资源。以及大量的实用模块，在Simulink环境下，不仅可以进行电力系统的仿真计算，还可以实现复杂的控制方法仿真，使得我们更加深入地研究电力系统的行为特性。

1.2 MATLAB软件介绍

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

1.2.1 MATLAB软件简介

在20世纪70年代中期,Cleve Moler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发

了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库.EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序库,LINPACK是解线性方程的程序库.在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平.到20世纪70年代后期,身为美国New Mexico大学计算机系系主任的Cleve Moler,在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库,但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间,于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序.Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB,该

名为矩阵(matrix)和实验室(laboratory)两个英文单词的前三个字母的组合.在以后的数年里,MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流传.

在当今30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类.一类是数值计算型软件,如MATLAB、Xmath、Gauss等,这类软件长于数值计算,对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件,如Mathematica、Maple等,这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精度解,其缺点是处理大量数据时效率较低.Math Works公司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓了其符号计算,文字处理,可视化建模和实时控制能力,开发了适合多学科,多部门要

求的新一代科技应用软件MATLAB.经过多年的国际竞争,MATLAB已经占据了数值型软件市场的主导地位.

时至今日,经过Math Works公司的不断完善,MATLAB已经发展成为适合多学科,多种工作平台的功能强劲的大型软件.在国外,MATLAB已经经受了多年考验.在欧美等高校,MATLAB已经成为线性代数,自动控制理论,数理统计,数字信号处理,时间序列分析,动态系统仿真等高级课程的基本教学工具;成为攻读学位的大学生,硕士生,博士生必须掌握的基本技能.在设计研究单位和工业部门,MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题.

1.2.2 MATLAB软件语言特点

一种语言之所以能如此迅速地普及,显示出如此旺盛的生命力,是由于它有着不同于其他语言的特点.正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样,被称作为第四代计算机语言的MATLAB,利用其丰富的函数资源,使

编程人员从繁琐的程序代码中解放出来.MATLAB的最突出的特点就是简洁.MATLAB用更直观的,符合人们思维习惯的代码,代替了C和FORTRAN语言的冗长代码.MATLAB给

用户带来的是最直观,最简洁的程序开发环境.以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。

①语言简洁紧凑,使用方便灵活,库函数极其丰富.MATLAB程序书写形式自由,利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务,压缩了一切不必要的编程工作.由于库函数都由本领域的专家编写,用户不必担心函数的可靠性.可以说,用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上.具有FORTRAN和C等高级计算机语言知识的读者可能已经注意到, 如果用FORTRAN或C语言去编写程序,尤其当涉及矩阵运算和画图时,编程会很麻烦.例如,如果用户想求解一个线性代数方程,就得编写一个程序块读入数据,然后再使用一种求解线性方程的算法(例如追赶法)编写一个程序块来求解方程,最后再输出计算结果.在求解过程中,最麻烦的要算第二部分.解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环,选择稳定的算法以及代码的调试都不容易.即使有部分源代码,用户也会感到麻烦,且不能保证运算的稳定性.解线性方程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写至少需要好几十行. 再如用双步QR方法求解矩阵特征值,如果用FORTRAN编写,至少需要四百多行,调试这种几百行的计算程序可以说很困难。

②运算符丰富.由于MATLAB是用C语言编写的,MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符,灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短,具体运算符见附表。

③MATLAB既具有结构化的控制语句(如for循环,while循环,break语句和if语句),又有面向对象编程的特性。

④语法限制不严格,程序设计自由度大.例如,在MATLAB里,用户无需对矩阵预定义就可使用。

⑤程序的可移植性很好,基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

⑥MATLAB的图形功能强大.在FORTRAN和C语言里,绘图都很不容易,但在MATLAB里,数据的可视化非常简单.MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。

⑦MATLAB的缺点是,它和其他高级程序相比,程序的执行速度较慢.由于MATLAB 的程序不用编译等预处理,也不生成可执行文件,程序为解释执行,所以速度较慢。

⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色.MATLAB包含两个部分:核心部分和各种可选的工具箱.核心部分中有数百个核心内部函数.其工具箱又可分为两类:功能性工具箱和学科性工具箱.功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能,图示建模仿真功能,文字处理功能以及与硬件实时交互功能.功能性工具箱能用于多种学科.而学科性工具

箱是专业性比较强的,如control,toolbox,signal processing toolbox,communication toolbox 等。这些工具箱都是由该领域内的学术水平很高的专家编写的,所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序,而直接进行高,精,尖的研究。

⑨源程序的开放性.开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点.除内部函数以外,所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件,用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。

1.3 Simulink介绍

1.3.1 Simulink简介

Simunlink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

1.3.2 Simulink功能介绍

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密

集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

1.3.3 Simulink特点介绍

①丰富的可扩充的预定义模块库。

②交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。

③以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。

④通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。

⑤提供API 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。

⑥使用Embedded MATLAB? 模块在Simulink 和嵌入式系统执行中调用MATLAB 算法。

⑦使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal Accelerator Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C 代码的形式来运行模型。

⑧图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。

⑨可访问MATLAB 从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。

⑩模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。本论文在进行励磁调节设计仿真时主要用到了MATLAB中的电力系统软件模块库Sim Power System和Simulink软件包，二者的结合使用户既可以方便地利用现成的电力模块进行仿真又可以自由地创建新的电力模块，从而大大的增强了MATLAB的电力系统仿真能力。

2 同步发电机的励磁系统控制原理

2.1 同步发电机介绍

同步发电机是一种最常用的交流发电机。在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。

同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。

2.1.1 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。

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。

同步转速：从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致，我国电网的频率为50Hz。

2.2 励磁系统概述

在我国乃至全世界，发电设备绝大部分都是同步发电机，其发电量占总发电量的90%以上，而同步发电机的重要组成部分励磁调节器又称为励磁控制器，是电力系统最主要的自动控制装置之一，它的特性好坏直接影响到同步发电机运行的可靠性与稳定性。励磁系统一般由两部分组成（如图2-1 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，通常称为励磁功率输出部分(或称为功率单元)，实质上它是一个发电机专用的可控直流电源。另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流以满足运行的需要。这一部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等。一般称为励磁控制部分(或控制单元或励磁调节器)。

励磁调节器通过检测发电机的电压、电流或其他状态量，按给定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，控制励磁功率单元的输出，实现对系统的控制功能。其最基本的功能是调节发电机的端电压或无功功率。

图2-1 同步发电机励磁自动控制系统构成框图

由于大型机组的这些参量直接影响电力系统的运行状态，因此，在某种程度上也可以说励磁调节器也控制着系统的运行状态，特别强调的是，电力系统的定和励磁控制方式有密切联系。

励磁系统只是发电机组的组成部件，而发电机组是电力系统的重要组成元件，电力系统是一个复杂的动态系统，其稳定性分析是十分复杂的。随着社会的发展，电力系统容量扩大，大容量发电机组投入运行，并且远离负荷中心，需要充分利用输电线路的送电能力，这些原因使电力系统的稳定问题更加突出，而电力系统稳定的重要性不言而喻。

根据电力参数控制，电力系统的稳定性包括功角稳定、电压稳定和频率稳定。根据干扰的大小，又可以分为静态稳定和暂态稳定。失去功角稳定，电力系统将发生振荡，

引起系统中枢纽点电压、输电设备中的电压电流，以及输送功率的大幅度波动，电力系统因而不能向负荷正常供电，处理不当会引起长时间大面积停电：失去电压稳定的后果是电压崩溃，导致大面积停电；失去频率稳定导致系统频率崩溃，引起电力系统大面积停电。除了频率稳定，其余的稳定性都与发电机组励磁系统相关。

由于快速响应励磁控制、静止无功补偿器以及直流输电系统的引入，为提高电力系统稳定性提供了先进的技术和设备。与此同时，由于它们的存在，电力系统出现了低频振荡、次同步振荡、轴系扭振等问题。这些问题又反过来促进了对其机理和与励磁相关的控制策略的研究，也促进了电力系统稳定的研究。

2.3 励磁系统的分类

在我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，分为直流励磁机励磁系统和半导体励磁系统。

2.3.1 直流励磁机励磁系统

直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。其中直流发电机称为直流励磁机。直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。

图2-2 自励直流励磁机励磁系统原理接线图

上图中LH——电流互感器；YH——电压互感器；

F ——同步发电机；FLQ——同步发电机的励磁线圈；

L——直流励磁机；LLQ——直流励磁机的励磁线圈；Rc——可调电阻用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。缺点是：运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机，很不方便。近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。目前，在100MW及以上发电机上很少采用。

2.3.2半导体励磁系统

半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后，作为供给同步发电机励磁电流的直流电源。半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。

（1）静止式半导体励磁系统：静止式半导体励磁系统

又分为自励式和它励式两种。

1）自励式半导体励磁系统自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制

整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压恒定的励磁系统，是无励磁机的发电机自励系统。最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。下图为无励磁机发电机自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR 由自动励磁调节器控制。系统起励时需要另加一个起励电源。

图2-3 无励磁机发电机自并励系统原理接线图

无励磁机发电机自并励系统的优点是：不需要同轴励磁机，系统简单，运行可靠性高；缩短了机组的长度，减少了基建投资及有利于主机的检修维护；由可控硅元件直接控制转子电压，可以获得较快的励磁电压响应速度；由发电机机端获取励磁能量，与同轴励磁机励磁系统相比，发电机组甩负荷时，机组的过电压也低一些。其缺点是：发电机出口近端短路而故障切除时间较长时，缺乏足够的强行励磁能力对电力系统稳定的影响不如其它励磁方式有利。由于以上特点，使得无励磁机发电机自并励系统在国内外电力系统大型发电机组的励磁系统中受到相当重视。

2 ）它励式半导体励磁系统它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机JL和一

台交流副励磁机FL，三套整流

装置。两台交流励磁机都和同步发电机同轴，主励磁机为100HZ中频三相交流发电机，它的输出电压经过硅整流装置向同步发电机供给励磁电流。副励磁机为500HZ中频三相交流发电机，它的输出一方面经可控硅整流后作为主励磁机的励磁电流，另一方面又经过硅整流装置供给它自己所需要的励磁电流。自动调励的装置也是根据发电机的电压和电流来改变可控硅的控制角，以改变励磁机的励磁电流进行自动调压。

图2-4 它励式半导体励磁系统原理接线图

它励式半导体励磁系统的优点是：系统容量可以做得很大，励磁机是交流发电机没有换向问题而且不受电网运行状态的影响。缺点是：接线复杂，有旋转的主励磁机和副励磁机，启动时还需要另外的直流电源向副励磁机供给励磁电流。

2.3.3静止励磁机励磁系统

静止励磁机是指从一个或多个静止电源取得功率，使用静止整流器向发电机提供直流励磁电源的励磁机。由静止励磁机向同步发电机提供励磁的励磁系统称为静止励磁机励磁系统。

静止励磁机励磁系统分为复合源静止励磁机励磁系统和电势源静止励磁机励磁系统。

（1）复合源静止励磁机励磁系统又称为自复励静止励磁系统，它采用电压源整流变压器和电流源整流变压器两种整流变压器。

复合源静止励磁机励磁系统主要有三种形式：

1）整流器直流侧两个电源串联、电压相加；

2）整流器交流侧两个电源并联、电流相加；

3）整流器交流侧两个电源串联、电压相加。国产水轮发电机上曾采用过整流器交流侧两个电源串联、电压相加的复合源静止

励磁机励磁系统，进口水轮发电机上曾采用过整流器直流侧两个电源串联、电压相加的复合源静止励磁机励磁系统。现在已经基本上不再采用复合源静止励磁机励磁系统了。

（2）电势源静止励磁机励磁系统又称为自并励静止励磁系统，有时也简称为机端变励磁系统或静止励磁系统。同步电机的励磁电源取自同步电机本身的机端。它主要由励磁变压器、自动励磁调节器、可控整流装置和起励装置组成。励磁变压器从机端取得功率并将电压降低到所要求的数值上；可控整流装置将励磁变压器二次交流电压转变成直流电压；自动励磁调节器根据发电机运行工况调节可控整流器的导通角，调节可控整流装置的输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求；起励装置给同步电机一定数量（通常为同步电机空载额定励磁电流的10～30%）的初始励磁，以建立整个系统正常工作所需的最低机端电压，初始励磁一旦建立起来，起励装置就将自动退出工作。从厂用电系统取得励磁电源的可控整流器励磁系统，当其电压基本稳定，与发电机端电压水平基本无关时，可以看作为它励可控硅励磁系统；当厂用电系统电压与发电机端电压水平密切相关时，看作为自并励静止励磁系统。自并励静

止励磁系统的主要优点是：

1）运行可靠性高。自并励励磁系统为静态励磁，与励磁机系统相比，由于没有旋转部件，运行可靠性高。而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行更换，有效地减少停机概率。该励磁系统对运行、维护的要求相对较低。国内外统计资料表明，自并励励磁系统造成发电机强迫停机率低于励磁机励磁系统。

2）能改善发电机机组的轴系稳定性。自并励励磁系统可缩短发电机组的轴系长度，减少轴承数量。如300MW及以上的汽轮发电机的轴系长度可减少大约3米，因而，可提高轴系的稳定性，改善轴系振动，从而提高了机组的安全运行水平。可提高电力系统稳定水平。在小干扰方面，自并励励磁系统配置PSS后，小干扰稳定水平较励磁机励磁系统有明显提高；在大干扰稳定方面，电力系统计算表明，自并励励磁系统的暂态稳定水平与交流励磁机系统相近或略有提高。

3）经济性好。主要决定于：①设备容易定型，系统造价低；②部件紧凑，减少厂房及基础造价；③采用软件控制，调整容易，维护简单，故障后修复时间短，可提高发电效益。

励磁调节器是励磁系统控制的智能部件，是根据发电机机端电压(和电流)的变化对机组励磁产生校正作用的装置，用来实现正常和事故情况下励磁的自动调节。所以除了应具有调节器可靠性高的性能和便于维护外，还必须是连续作用的比例型调节装置，即它产生校正作用的大小应与输出电压的偏差成正比。这就要求调节器反应灵敏、没有死区、响应速度快、时滞尽可能小，并满足正常和事故情况下的要求。励磁调节器经过不断的发展也由模拟式到半导体式，最后到现在最常用的微机式调节器。微机调节器电压偏差的计算、移相触发、调差环节、自动零起升压、低励限制、过励限制、系统稳定等控制功能，都可以由相应的软件来完成，不需增加相应功能的硬件电路。同时，各种控制功能都可以根据需要随意的取舍，十分灵活。

2.4 励磁系统在电力系统中的作用

无论在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁自动控制系统都起着重要的作用。一个好的励磁自动控制系统不仅可以保证发电机的可靠运行，提供合格的电能，还可以有效地提高系统的技术指标。根据运行的要求，励磁控制系统应承担以下的任务：

（1）保持发电机运行中机端或系统中某一点处的电压恒定

在发电机正常运行工况下，励磁系统能维持发电机端电压(或变压器高压侧电压) 在给定水平。当负荷变化导致发电机机端电压变化时，励磁系统能使之维持在给定水平并保持一定精度。同样，当机组甩负荷时通过励磁系统的调节作用，能限制机端电压，使之不致过高。

（2）合理分配并联运行发电机间的无功功率电力系统中有许多台发电机并联运行。

为了保证系统的电压质量和无功潮流合理分

布，要求合理控制电力系统中并联运行发电机输出的无功功率。所谓“合理控制”包含两层意思：①每台发电机发出的无功功率数量要合理；②当系统电压变化时，每台发电机输出的无功功率要随之自动调节，而且调节量要合理。

（3）提高电力系统的静态稳定性当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电力系统的

静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这需要解决许多技术问题。而其中最重要的和最基本的问题之一是同步发电机只具有较小的静态稳定性。但自从自动励磁调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。

（4）提高电力系统的暂态稳定性暂态稳定是电力系统受大扰动后的稳定性。励磁控制系统的作用主要由以下三个参

数决定：

1）励磁系统强励顶值倍数提高励磁系统强励倍数可以提高电力系统暂态稳定。

提高励磁系统强励倍数的要

求，与提高调压精度并没有矛盾。

2）励磁系统电压响应比励磁系统电压响应比越大，励磁系统输出电压达到顶值的时间越短，对提高暂态

稳定性越有利。电压响应比主要由励磁系统的型式决定，但是，励磁控制器的控制规律和参数对电压响应比也有举足轻重的影响。在相同的控制规律下，增大励磁控制系统的开环增益可以提高励磁电压响应比，同时，也提高了电压的调节精度。

3）励磁系统强励倍数的利用程度充分利用励磁系统强励倍数，也是发挥励磁系统改善暂态稳定作用的一个重要因

素。如果电力系统发生故障时励磁系统的输出电压达不到顶值，或者维持顶值的时间很短，在发电机电压还没有恢复到故障前的值时，就不再进行强励了，那么它的强励倍数

就没有得到很好发挥，改善暂态稳定的效果也就不好。充分利用励磁系统顶值电压的措施之一，就是提高励磁控制系统开环增益。开环增益越大，强励倍数利用就越充分，调压精度也越高，也越有利于改善电力系统的暂态稳定性。由此可见，提高励磁控制系统保持端电压水平的能力，与提高电力系统的暂态稳定性是一致的。

（5）提高电力系统动态稳定性当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然短路等

故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性。这也是同步发电机的重要性能之一。增加励磁调节系统强励能力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措施。

电力系统的动态稳定性问题，可以理解为电力系统机电振荡的阻尼问题。许多分析证明，励磁控制系统中的自动电压调节作用，是造成电力系统机电振荡阻尼变弱(甚至变负)的最重要的原因之一。在一定的运行方式及励磁系统参数下，电压调节作用在维持发电机电压恒定的同时，将产生负的阻尼作用。许多研究表明，在正常实用的范围内，励磁电压调节器的负阻尼作用会随着开环增益的增大而加强。因此提高电压调节精度的要求和提高动态稳定性的要求是不相容的。解决电压调节精度和动态稳定性之间矛盾的有效措施，是在励磁控制系统中增加其他控制信号。这种控制信号可以提供正的阻尼作用，使整个励磁控制系统提供的阻尼是正的，而使动态稳定极限的水平达到和超过静态稳定的水平。这种控制信号不影响电压调节通道的电压调节功能和维持发电机端电压水平的能力，不改变其主要控制的地位，因此，称为附加励磁控制。

（6）提高继电保护装置动作的准确性当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大。若系统此时发生短路故

障，短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限继电保护不能正常动作。励磁自动控制系统可以通过调节发电机励磁电流来增大短路电流，使继电保护正确动作。

（7）保证并联运行系统的正常工作系统的无功分配单元可保证参加并联运行的各发电机的输出无功功率获得均衡分

配，增加了稳定环节的无功分配单元是保证强励能力大的并联运行系统能正常稳定工作的重要条件之一。

E d 0 d 0

3 同步发电机励磁系统MATLAB 的建模

3.1 励磁控制系统数学模型[3]

励磁控制系统的构成框图如下图3-1所示，其由励磁机、发电机、电压测量比较单 元、综合放大单元、功率放大单元等组成。

图 3-1 励磁控制系统构成框图

（1）励磁机的传递函数为： G E (s ) = 1 T E S + K E + S ' （4-13）

式中 T E 为励磁机时间常数， S E 为饱和函数， K E 为由励磁回路电阻和气隙特性斜

率构成。

（2）同步发电机的传递函数为：

G (s ) = K G

G 1 + T ' s （4-25）

式中 T ' 为发电机空载转自时间常数， K G 为发电机放大倍数。

（3）励磁调节器各单元的传递函数 1）电压测量比较单元： 有测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成，因此测量比较电路的传递

函数为： G R (s ) = K R 1 + T R s （4-18）