3 同步发电机建模
2023年度电力系统同步发电机励磁系统的建模与仿真
2023年度电力系统同步发电机励磁系统的建模与仿真随着电力系统的快速发展和电力负荷的不断增加，同步发电机在电力系统中的作用日益重要。
在发电过程中，同步发电机的励磁系统起着至关重要的作用，它不仅决定了发电机的输出功率和电压稳定度，还直接影响到电力系统的稳定性和安全性。
因此，对同步发电机励磁系统进行建模和仿真，分析其特性及优化其性能具有十分重要的实用价值和工程应用前景。
本文将针对电力系统同步发电机励磁系统的建模和仿真，从理论分析、实验研究和实际应用等角度进行探讨，并提出相应的解决方案和建议。
一、同步发电机励磁系统的基本原理同步发电机是电力系统中常用的发电设备之一，其工作原理是通过励磁系统对转子产生恒定电磁势，使得电动机的旋转速度与电网同步。
励磁系统由调节回路和发电机励磁机组成，前者用于调节励磁电流大小，后者用于产生励磁电流。
励磁机由交流电源供电，将电能转换为磁能，形成恒定的磁场，以激励转子产生电势，并与电网同步。
二、同步发电机励磁系统的建模方法同步发电机励磁系统建模方法通常采用开环和闭环两种方法。
开环方法着重考虑发电机励磁机的特性和参数，而忽略负载和电力系统的影响；闭环方法则将发电机励磁系统与负载和电力系统耦合起来，考虑更加全面的影响因素。
基于此，可以利用MATLAB等软件对同步发电机励磁系统建立模型并进行仿真。
三、同步发电机励磁系统的特性分析同步发电机励磁系统特性分析是建模和仿真的重要内容，其目的是分析系统的性能和稳定性。
特性分析主要包括励磁电路特性分析、励磁系统数学模型建立、励磁机暂态过程仿真等方面。
四、同步发电机励磁系统的优化同步发电机励磁系统的优化可以通过改变发电机励磁电路参数、控制环节参数等方式进行。
其中，提高励磁机的内部反馈控制效果，降低负载波动对励磁系统的影响，并采用先进的励磁控制算法等方法，可以显著提升系统的质量和性能。
五、同步发电机励磁系统仿真结果分析通过对同步发电机励磁系统的仿真分析，可以建立电网和发电机系统的各种工况和稳态性能参数，并提出相应的改进措施和建议。
同步发电机机端三相短路的建模与仿真课设
同步发电机机端三相短路的建模与仿真课设同步发电机机端三相短路是电力系统中一种常见的故障情况，对于电力系统的稳定运行和设备的安全运行具有重要影响。
因此，对同步发电机机端三相短路进行建模与仿真分析是电力工程专业学生进行课程设计的一项重要内容。
建模与仿真是电力工程领域中常用的方法，通过建立系统的数学模型并利用计算机软件进行仿真，可以模拟出系统在不同工况下的运行情况，从而帮助工程师分析系统的稳定性、安全性和经济性等方面的问题。
在进行同步发电机机端三相短路的建模与仿真时，首先需要建立电力系统的数学模型。
通常，可以采用dq轴定子参考框架下的同步发电机数学模型，将机端三相短路作为外部故障输入到系统中。
接下来，需要确定故障的类型和位置。
同步发电机机端三相短路可以分为对称短路和非对称短路，对称短路是指三相之间短路电阻相等，而非对称短路则是指三相之间短路电阻不相等。
根据实际情况，可以选择不同的故障类型和位置进行仿真分析。
然后，需要确定电力系统的参数。
包括同步发电机的电气参数、传动系统的参数以及负载的参数等。
通过测量和计算可以得到这些参数的数值。
在确定了模型和参数之后，可以利用电力系统仿真软件（如PSCAD、Simulink等）进行仿真分析。
通过改变故障类型、故障位置以及系统参数的数值，可以模拟不同的故障情况，并观察系统的响应。
最后，根据仿真结果可以对同步发电机机端三相短路进行评估和分析。
可以通过观察发电机的转速、电流、电压、功率等参数的变化情况，来评估故障对系统的影响。
同时，还可以分析电力系统的保护装置的动作情况，判断保护装置的可靠性和动作速度等。
总之，同步发电机机端三相短路的建模与仿真是电力工程学生进行课程设计的一项重要任务。
通过建立电力系统的数学模型，确定故障类型和位置，确定系统参数，利用仿真软件进行仿真分析，可以评估和分析故障对电力系统的影响，为电力工程的实际应用提供有价值的参考。
浅析同步发电机励磁系统建模
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。
同步发电机建模
研究先进的控制策略和优化算法，以提高同步发电机的运行效率和稳定性。例如，采用滑模控制、自适应控制和强化学习等算法，实现发电机的快速响应、稳定运行和智能控制。
并网与分布式发电系统
研究同步发电机在并网和分布式发电系统中的应用，实现与可再生能源的高效集成。探讨分布式发电系统中的协同控制策略，以及在微电网和智能电网中发挥同步发电机的关键作用。
多物理场耦合建模
深入研究同步发电机的多物理场耦合建模，包括电气、机械、热和流体等多个方面。通过建立精确的数学模型，模拟发电机的动态行为和相互作用，为优化设计和控制提供理论支持。
同步发电机研究展望
THANKS
容量匹配
根据电力系统的需求和规模，合理配置同步发电机的容量，以满足电力系统的供电需求。
布局优化
根据电力系统的地理分布和负荷分布，优化同步发电机的布局，以提高电力系统的运行效率和可靠性。
技术升级
对老旧的同步发电机进行技术升级和改造，提高其运行效率和性能，降低对环境的影响。
在电力系统中的优化配置
延时符
Байду номын сангаас
励磁控制策略
总结词
并网控制是同步发电机并入电网的关键环节，需要确保发电机的频率、相位和电压幅值与电网一致。
详细描述
并网控制策略通过调节发电机的转速和励磁电流，使发电机的输出频率和相位与电网一致。在并网过程中，通常采用准同期并网方法，通过调节发电机的频率和相位来实现与电网的同步。
并网控制策略
VS
无功功率控制是同步发电机中用于平衡无功功率和维持电网电压稳定的重要手段。
稳态方程
02
稳态模型的核心是建立同步发电机的电压、电流和功率平衡方程。这些方程通常包括电机的电压方程、磁链方程、功率方程等，用于计算发电机的运行参数。
基于Dymola及Modelica语言的飞机三级发电机的建模与仿真
２．Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｓｙｓｔｅｍｅｓ Ｃｅｎｔｅｒ ｏ ｆ Ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１２０，Ｃｈｉｎ ａ ）
合调压器及相关 电气负载得 到三级 发电机的部分动态仿真结果 ，仿真结果 能够很好地显 示三级发 电机对不 同负载 的
响应 ，与理论结果一致 ，证 明了模 型的正确性 ，为飞机 电源系建 模与仿真 ；Ｍｏｄｅｌｉｃａ；Ｄｙｍｏｌａ
中图分 类号 ：ＴＭ３５１；ＴＭ３４１；ＴＭ３６＋１
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ａｉｒｃｒａｆｔ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｏｏｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｔｏ ｗｏｒｋ． Ｎｏｗ ，Ａｉｒｃｒａｆｔ ＡＣ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ａｌｗａｙｓ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｒｅｅ－ｓｔａｇｅ ｔｙｐｅ ＡＣ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｂｙ ｔｈｅ ｍ ａｉｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｈｅ ＡＣ ｅｘｃｉｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ａｉｒｃｒａ ｆｔ
第 ４９卷 第 ３期 ２０１６焦 ３月
＇Ｉ｝
ＭＩＣＲＯＭ ＯＴＯＲＳ
Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．３ Ｍ ａＬ ２０１６
基 于 Ｄｙｍｏｌａ及 Ｍｏｄｅｌｉｃａ语 言 的 飞 机 三 级 发 电 机 的 建 模 与 仿 真
同步发电机数学模型详解
同步电机正方向的规定
abc坐标下的电压方程
ua
ub
ra
rb
ia
ib
a
b
uucf
rc rf
i
ic
f
电感系数都为常数，但非互易。
电感系数矩阵中的系数
Ld
l0
m0
3 2 l2
Lq
l0
m0
3 2
l2
L0 l0 2m0
L f L ff
LD LDD
LQ LQQ
m fD M fD
都为常数
dq0变换的物理解释
将静止的定子三相绕组用与转子同步旋转 的两相绕组和一个零轴绕组来代替。d绕组和q 绕组的轴线正方向分别与转子的d轴和q轴相同， 与转子保持相对静止，用来反映定子三相绕组 的电气量在d轴和q轴方向的行为；而0绕组用 于反映定子三相中的零序分量。
X ad IaB U aB
X ad*
同理可以证明，在 BM dDIDB X ad IaB 条件下，有 M dD* X ad*
再根据第一约束下的电感系数可逆，有 M df * M fd* M dD* M Dd* X ad*
对于交轴，也可证明在BM I qQ QB X aqIaB 条件下有
i0
f
p
0 f
0 0
0
同步发电机的建模及在稳态系统中的应用
同步发电机的建模及在稳态系统中的应用摘要本文以同步发电机为研究对象，通过对其建模的建立，来研究其建模在稳态系统中的具体应用，以确定同步电机的参数作为测定方法，通过对其伺服系统的稳定性的分析，得出一些具体的理论推导以及实践应用。
关键词同步电机；参数；永磁随着人工智能化的不断发展，应用于电机方面的基于电机参数变化进行的在线识别技术可以运用采集的参数对系统进行调速控制，智能控制成为电机传动控制系统中的重要技术。
基于人工智能的专家系统（ExpertSystem），基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制和基于人工神经网络（Artificia1NeuraNetwork）的神经控制，这三条是实现智能控制的有效途径。
根据测量得到的电机电流和电压信号的数值及其关系，可以得到永磁同步电机无速度传感器矢量的控制技术。
通过测得的电机的转速以估算转子的位置，这是对永磁同步电机调速系统采用的直观的一种方法。
这是一种利用其特殊的电磁特性以确定和构造速度与转子之间关系的方法，通过对定子磁链矢量的空间计算可以求的转子的位置，或者通过计算定子相电感来确定转子的位置。
随着识别控制技术的不断发展，在电机的无速度传感器矢量控制技术中主要采用的观测器有：全阶状态观测器、自适应观测器、变结构观测器、卡尔曼滤波器等，采用这些方法构造的电机转子位置和速度观测器具有动态性能好、稳定性强。
参数敏感性小等特点。
随着高速数字信号处理器（DSP）技术的发展，使得各种具有优良性能的速度观测器能够在无速度传感器矢量控制系统中广泛运用。
1 同步电机参数的测定用空载特性和短路特性确定Xd 空载特性可以用空载试验测出：1）电枢开路（空载），用原动机把被试同步电机拖动到同步转速；改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0（空载时即等于E0），直到U0≈1.25UN左右，可得空载特性曲线、气隙线空载曲线。
2）将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2 IN左右，便可得到短路特性曲线短路时，端电压U=0短路时，端电压U=0。
同步发电机励磁系统建模导则-国网
Q/GDW 142-2006
前言
本标准根据国家电网公司《关于下达 2004 年度国家电网公司技术标准制订计划的通知》（国家电 网科[2004]337 号文）编制。
本标准用于建立电力系统稳定计算用的发电机励磁系统数学模型。励磁系统部件的数学模型与 GB/T7409《同步电机励磁系统》和 IEEE Std421.5《IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies》相一致，励磁系统整体数学模型与 GB/T7409 规定的发 电机励磁系统数学模型相一致，且适合在广泛使用的电力系的模型应符合 GB/T7409 和 IEEE Std421.5-1992 的要求。 3.2 由于受数据获取和程序编制的限制，在满足稳定分析要求的情况下，可采用具有适当精度的简化 模型。 3.3 通过测辨建立与实际励磁系统结构一致的励磁系统数学模型——原型模型。 3.4 根据原型模型建立电力系统稳定计算用的励磁系统模型——计算模型。 3.4.1 可选与原型模型结构一致的计算模型——等同计算模型。等同计算模型可以是电力系统计算程 序中的固定模型，也可以是其自定义模型，直接将原型模型参数转换为等同计算模型参数。进行发电机 空载阶跃的仿真和试验校核，确认等同计算模型参数。 3.4.2 无法选择与原型模型结构一致的计算模型时，首先进行发电机空载阶跃的仿真和试验校核，确 认原型模型参数。其次选择与实际励磁系统结构相近的计算模型——近似计算模型，进行计算校核，即 原型模型和近似计算模型在电力系统分析程序上进行发电机负载下的大、小扰动计算，调整近似计算模 型的参数使得两种模型响应的差别在许可范围内。 3.5 进行稳定计算至少应提供自动电压调节器、电力系统稳定器（PSS）、调差特性和强励限制数学模 型和参数，进行电压稳定计算和中、长期稳定计算还应当提供低励限制（UEL）、过励限制（OEL）和伏 赫限制数学模型和参数。
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E id0
X d X d
t
e Td0 id 0
X d X d
t 2
e Td0
iq
完全已知
未知
q轴参数 均未知
辨识结果
辨识效果 很好！
辨识效果 很好！
II. 基于励磁小扰动的参数辨识
2.1 试验方法
➢ 以往试验：抛载试验、系统故障 ➢ 励磁小干扰：改变电压参考值 Uref ➢ 输入变量：励磁（绕组）电压 Uf ➢ 输出变量：发电机功角、端口三相交流电
-3
x 10 1.6
RTDS仿 真 的 励 磁 电 压 曲 线 图
1.5
1.4
1.3
Uf(p.u)
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0
1
2
3
4
5
6
7
8
t(s)
➢ 两种情况下 Uf 的功
40 20
power spetral density(dB/Hz)
率谱如图。可见， Uf
0 -20
的功率谱在 Uref 上施
压、端口三相交流电流 ➢ 测量：RTDS试验 PMU测量
2.2 参数辨识
现场测量
现场 测量
除三相短路、抛载等特殊扰 动能获得解析解外，一般采 用数值解，如Runge－Kutta
法
从PMU读数据
数据处理
优化算法辨识
相序变换 Park变换 标么化等
蚁群算法
辨识结果
RDTS直接出来的数据辨识q轴结果
第3讲 同步发电机建模
I.一次任意抛载测试法
1.1 传统方法
分2次甩负荷，测量端口电压、功角
q
d轴抛载：使发电机 Id = 0，
亦即 0o 或者 180o
q轴抛载：使发电机 Iq = 0 ，
Eq
EQ
j(xd xq)id
jIxq
亦即 90o
U&
I&
Ir
d
1.2 新方法
1次任意状态甩负荷 －增加测量励磁电流和功角 －先利用前后稳态条件
0 0
X0 0
0 Xf
0 X ad
0
0
i
i0
f
D X ad 0 0 X ad X D 0 iD
Q
0
X aq
0
0
0
X
Q
iQ
ud d q raid
u
q
q
d
ra
iq
uu0f
0f
0 0
ra rf i
i0
f
uD D 0 rDiD
方法：时域法没有严格条件， 频域法有条件，
➢ 忽略脉变电势 ➢ 忽略转速变化 ➢ 忽略电阻 ➢ 励磁电压不变
➢ 对q轴动态参数，时域法略差于频域法； ➢ 对d轴动态参数，时域法优于频域法法； ➢ 各有千秋，可以同时使用对比，但时域法更
好些。
干扰方式
➢ 励磁白噪声好 ➢ 甩负荷辨识较好 ➢ 励磁阶跃扰动方式次之 ➢ 外部断线扰动方式再次之
PMU采集到的数据辨识q轴结果
RDTS直接出来的数据辨识d轴结果 PMU采集到的数据辨识d轴结果
励磁扰动大小对辨识精度的影响
q轴辨识结果
2％阶跃时
10％阶跃时
q轴2％扰动下辨识结果
q轴10％扰动下辨识结果:
d轴辨识结果
2％阶跃时
10％阶跃时
➢ 结果表明： 扰动大小的改变对于稳态参数的辨 识精度没有明显的影响，对于暂态与次暂态参 数，辨识精度的改变相对明显。
时不变
只能辨识 二者之差
慢过程
快过 程的 幅值
快过程
利用电压辨识剩余参数 －Xd” ，Xq”，Tq0”
t
t 2
U
cos
id 0
Xd
X
d
X
d
e
Td0 X d X d e
Td0
ua
t 2
U
sin
iq0
Xq
X q X q
e Tq0
由包络线只能 辨识两个电抗
power spetral density(dB/Hz)
-20 -40
-40
-60
-60
-80 -80
-100
-120 -100
-140
-120 0
-160
5
10
15
20
25
0
Frequency(Hz)
两 种 扰 动 下 ud功 率 谱
白 噪 声 扰 动 下 ud功 率 谱 励 磁 阶 跃 扰 动 下 ud功 率 谱
结果分析
➢ 信噪比在2.0～4.0时具有较好的精度，其中在信噪 比为2.5时q轴辨识精度最好；
➢ 两种激励方式下，稳态电抗的辨识精度没有明显 提高，暂态和次暂态电抗的辨识精度有较为明显 的提高；
➢ 因此，白噪声扰动方式更有利于激发同步发电机 的动态过程，有利于提高动态参数的辨识精度。
2.3 对比研究
-40 -60
加白噪声信号时要好
-80
-100
于阶跃信号，但并不
-120
是恒定的。
-140 -160
0
两 种 扰 动 下 uf功 率 谱
0
40
白 噪 声 扰 动 下 uf的 功 率 谱
励 磁 阶 跃 扰 动 下 uf的 功 率 谱
20
-20 0
power spetral density(dB/Hz)
扰动类型对辨识精度的影响
➢ 注意，扰动是通过改变电压参考值 Uref 来产生的， 而不能直接改变励磁绕组上的电压 Uf 来产生的， 两者之间经过了电压调节器、稳定器和励磁机；
➢ Uref 为阶跃变化时的 Uf 图形如下； ➢ 另外，研究了在Uref 上施加白噪声。白噪声是一
个在全频段具有平均功率的随机过程，是理想 的试验信号，但经过中间环节后则已经不再是 白噪声了；
III. 基于Park模型的参数辨识
3.1 两种模型
结构示意图
d b
b +ub-ib
+
q
- uf f
Q iQ
iD D
b o
c a
- ua+
ia
a
a
c ic+ u-c
c
Park模型
d X d 0 0
q
0
Xq
0
X ad X ad 0 id
00
X aq
iq
0 f
0 X ad
5
10
15
20
25
Frequency(Hz)
两 种 扰 动 下 uq功 率 谱
白 噪 声 扰 动 下 uq功 率 谱 曲 线 励 磁 阶 跃 扰 动 下 uq功 率 谱 曲 线
5
10
15
20
25
Frequency(Hz)
励磁阶跃10％扰动下q轴辨识结果 白噪声扰动下q轴辨识结果
励磁阶跃10％扰动下d轴辨识结果 白噪声扰动下d轴辨识结果
ud rid X qiq uq riq X did Eq
－确定 r, X d , X q
利用励磁电流辨识部分参数
－利用暂态辨识 Xd’ 和 Td0’ －利用次暂态辨识 Td0”
i f
if
0
U
id0i f 0
cos X d id0
Xd
X d
e
t
Td
0
1
TDl Td0
e
t Td0