1、基于matlab的同步發電機組建模與仿真基于matlab的同步發電機組建模與仿真I基于 MATLAB 的同步發電機組建模與仿真摘要 隨著電網的規模越來越大，電力系統的運行也隨之越來越復雜。同步發電機及其控 制系統作為電源是電力系統中的重要 組成部分，其性能對電力系統有著極大的影響，直 接關系 到系統的穩定運行。為了使電力系統安全而經濟地運行，我們必須對同步發電 機組特性進行深入的研究。而同步發電機組運行是一個相當復雜的過程，其動態特性 隨著機組的運行狀態而不斷變化，所以建立機組的模型并 進行仿真研究是掌握發電機動態特性，評價其各個控制系統性能的有效手段，并且對工作人員的培訓和研究將起到很 大的

2、作用。同步發電機組模型的建立將涉及到機組的機理分析，有利 于從理論建模中引生新的設計方法，為優化設計提供理論依據。本文將對同步發電機及其勵磁系統、調速系統的數學模型進行研究，利用 MATLAB/Simulink 搭建同步發電機組的 仿真模型，建立單機無窮大系統，最后對模型進行仿真，并分析仿真結果。關鍵詞：電力系統；單機無窮大系統；MATLAB/Simulink ;仿真；同步發電機組華北電力大學本科畢業設計（論文）摘要 IISYNCHRONOUS GENERATOR UNIT MODELING AND SIMULATION BASED ON MATLAB Abstract With the en

3、largement of the power grid scale, the operation of the power system is becoming more and more complex. As supply unit of the system, synchronous generator and its control system plays an important part in the power system. Their performance also imposes great influence to the power system and has a

4、 direct connection with the power system stability. In order to ensure the safe and economic operation of the power system, we shall do a profound research on the synchronous generator unit characteristics. However, the operation of the synchronous generator unit is a extremely complex process. Its

5、dynamic characteristics are subject to the changing states of the unit operation. Therefore, it is efficient to build a unit model and do simulations research to acquire the dynamic characteristics of the unit, and evaluate the performance of each control system. This will also play a great role in

6、the staff training and researches. The building of the synchronous generator unit model will involve the mechanic analysis of the unit, do favor to deduce new designing methods from theoretical model buildingand provide theoretical basis to the optimization design. In this paper the mathematical mod

7、el of the synchronous generator and its excitation system, speed regulating system will be researched; the simulation model of synchronous generator unit will be built based on MATLAB/Simulink; a single-unit infinite system will be established; finally simulate the model and verify the accuracy of t

8、he model. Key Words: Power System; Single-unit Infinite System; MATLAB/Simulink; Simulation; Synchronous Generator Unit華北電力大學本科畢業設計（論文）目錄i目 錄摘要 ? ?Abstract?I?I?論 ? ? 景和意義 ? ?電力系統仿真發展現狀 ?1.3 本課題所完成的主要工作 ?22 同步發 電機組數學模型?4? 2.1同步發 電機數學模型? ?2.1.1 同步發電機數學建模概述?2.1.2同 步 發 電 機 基?4?2.1.3 同 步發 電機三 階模型 ?4?2.1.

9、4 ?7?.2勵 磁 系 統 數 學 模 型 ? ?做?2出1同步發電機勵磁自動控制系統概述 ?i 步發電機勵磁自動控制系統數學模型 ?>?,? ?1?.3.1同步發電機組調速控制系統概述 ?2?2?1?3?攤？ a J，I £. 于 MATLAB 同 步發 電機組仿真 ?Tr2?iMATLAB ?3.1.1?2?MATLAB/Simulink?12?3?2?S?ulink 庫模塊 ? ?13 3.2 同步發電機組仿真的初值計算 ?7I?P?.?!?1 同 步 發 電 機 組 仿 真 模 型 ?153.3.1 同 步 發 電 機 模 型 ? ?6?3.2同步發電機勵磁自動控制系

10、統仿真模型?3?>?,3?/?1?婚?電 機 調 速 系 統 仿 真 模 型 ?1 系 統 仿 真 及 結 果 分 析?3.4.1穩 定 運 行? ?9?4?系統電壓突增或突降 ?203.4.3 增加勵磁系統給定電壓 ?i13.4.4 增加調速系統給定功率 ?i 3華北電力大學本科畢業設計（論文）目錄 ii 3.4.5三相突?24? 4結 論 與 展 望? ?26?卷 ? ?27?致 ? ?28?W?W?lk設計（論 文）1 1緒論1.1課題背景和意義 隨著現代電力系統網絡 規模的不斷擴大和電網電壓等級的不斷升高，電力系統規 劃、 運行和控制的復雜性亦日益增加。同步發電機及其控制系統作為

11、電力系統的重要組成部分，其性能對電力系統有著極大的影響，直接關系到電力系統運行的安全和穩定為了使電力系統安全而經濟地運行，我們必須對同步發電機組特性進行深入的研究。而同步發電機組運行是一個相當復雜的過程，其動態特性隨著機組的運行狀態而不斷變化，所以建立機組的模型并進行仿真研究是掌握發電機動態特性，評價其各個控制系 統 性能的有效手段，并且對工作人員的培訓和研究將起到 很大的作用。同步發電機組模型 的建立將涉及到機組的機理分析，有利于從理論建模中引生新的設計方法，為優化設計提供理論依據。1.2電力系統仿真發展現狀自20世紀40年代以來，用計算機方法去研究系統的特性成為科學發展的時尚。仿 真技術是

12、一門多學科綜合的應用技術科學，也是一門近年來發展迅速的新興學科。仿真就是建立系統的模型（數學模型、物理效應模型或數學一物理效應模型）并在模型上進行 實驗1。隨著電力系統發展的越來越龐大，電力系統的運行也隨之越來越復雜，并且計算機應用技術發展迅速，電力系統的動態實時計算機仿真系統由于其精度高、改變參數方便、重復性好等優點，已經逐漸取代傳統的物理仿真系統2 o電力系統數字仿真是在計算機上為電力系統的物理過程 建立數學模型，用數學方法求解，以進行仿真研究的過程。電力系統數字仿真因具有不受原型系統規模和結構復雜 性限制，能保證被研究系統的安全性，且具有良好的經濟性、 方便性等優點，在電力系統各個領域中

13、已獲得了廣泛應用。目前，電力系統的仿真技術可以總結歸納如下3:1）電力系統離線仿真技術：電力系統離線仿真是在數字計算機上為電力系統的物理過程建立數學模型，用數學方法求解，以進行仿真研究的過程。在建立數學模型時，往 往忽略一些次要的因素，因而常常是一個簡化的模型。目前，電力系統離線仿真軟件，對不同的動態過程采用不同的仿真方法，主要有電磁暫態過程仿真、機電暫態過程 仿真 和中長期動態過程仿真 3種。2）電力系統實時仿真技術：電力系統實時仿真系統大概經歷了三個歷史階段，基于相似理論的以實際旋轉電機為代表的電力系統動態模擬仿真系統、數模混合式實時仿真系統、全數字實時仿真系統。我國電力系統實時仿真的發展

14、歷程基本跟蹤了國際上電力 系統實時仿真發展不同階段的最新技術。在同步發電機的建模與仿真研究方面，使用的仿真工具 有多種。它們在建立同步發 華北電力大學本科畢業設計 （論文）2電機模型的方法上各有不同，在研究同步發電機不同問題上也是各有側重與優勢。目前，關于同步發電機組的常用仿真軟件可以總結如下：1) Saber仿真軟件4 Saber具有很大的通用模型庫和較為精確的具體型號的器件模型，采取的是組合仿真方式。在Saber軟件平臺上對同步發電機進行建模和仿真既簡捷又有效。Saber建模分兩個步驟：首先編寫器件的模板，它是用Mast語言編寫的源程序，用于 描述器件的工作性能； 然后利用Saber提供的

15、Symbol Edit 為第一步編寫的器件畫由元件圖，在該圖屬性列表中填入primitive為模板名，實現該圖與模板的連接。在建立同步發電機組數學模型時，由于不要求電機方程的解析解，電機的數學模型就采用實際的電機模型，電壓與磁鏈方程不必進行坐標變換。2) Maxwell 2D 仿真軟件5隨著計算機在數值計算領域 的廣泛應用，尤其是有限元法分析在電磁場中的應用，采用電磁場方法精確計算電機的動態問題已成為可能。利用ANSOFT公司的 Maxwell 2D 軟件提供的二維有限 元仿真環境建立的同步發電機的二維有限元模型，可以直觀 地看到 電機磁場的分布情況。選擇氣隙中的一個點，可以計算氣隙的磁密，并

16、以表格形 式記錄 下來；可以看到靜態下 B6與Ff的曲線；可以得到 電機的空載特性。3) PSPICE仿真軟件6 SPICE是世界著名的模擬電路 仿真標準工具，PSPICE是MicroSim公司當今眾多 SPICE 不同分支中的一種，是用在PC機上作電子線路設計模擬和 仿真的軟件包。PSPICE 5.0的特點是能夠針對具體的電路模型，采取相 應的無源器件、有源器件和電源模型進行描述，然后作由包括直流分析、交流分析和瞬態分析等相應的分析。因此，利 用PSPICE 5.0對同步發電機進行數字仿真，研究其數學模型，并將其轉換為相應的PSPICE電路模型，獲得發電機三相短路數據，解決了由于同步發電機內

17、部結構及 與之相 應的數學模型所具有的獨特復雜性，電氣設計人員一直為三相短路精確仿真問題所困擾的問題。PSPICE是根據電路輸入文件完成相應的模擬，也就是通 過PSPICE的編程來描述 同步發電機的數學模型，實現同 步發電機的建模。4) DSP(TMSF240)仿真軟件7基于 DSP(TMSF240)的 同步發電機實時仿真系統是系統集檢測、分析、報警于一體，并可以方便地進行同步發電機的多種工況下的過渡過程和 動態行為的實時仿真。它能取 代現實中的同步發電機組與待測勵磁調節器構成的閉環系統，從而檢測由勵磁調節器性能。在建模與仿真的實現方法上，該系統需要設計軟硬件，采 用主從CPU結構，由主控 模

18、塊、仿真計算核心模塊、 輸入 輸出模塊和定時中斷模塊組成軟件部分。1.3本課題所完成的主要工作本文是對同步發電機組進行建模與仿真，并分析所建模型的正確性。本課題是在研 華北電力大學本科畢業設計（論文）3究同步發電機組的數學模型基礎上，研究單機無窮大系統的狀 態方程組及勵磁系統和調 速系統的傳遞函數，在 Matlab/Simulink 環境下搭建同步發電機組的單機對無窮大 系統，分析仿真結果。主要工作如下：1）在閱讀和研究國內外關于發電機組建模和仿真的文獻基 礎上，結合同步發電機組特點，構思由整體的同步發電機組的設計方案。2）研究同步發電機組數學模型，結合參考文獻，得由單 機對無窮大系統的狀態方

19、程，以及勵磁系統和調速系統的傳遞函數。3）在 Matlab/Simulink 環境下，搭建單機無窮大系統狀 態方程和勵磁系統、調速系統 傳遞函數，實現同步發電機 組的仿真模型。4）研究仿真中的初始化問題，對本課題的仿真模型相關變量進行初始化計算，并對模型相關參數進行設置，最后進行仿真，分析結果。華北電力大學本科畢業設計（論文）4 2同步發電機組數學模型 2.1同步發電機數學模型2.1.1同步發電機數學建模概述 同步發電機是電力系統非常重要的元件，它是一 種集旋轉與靜止、電磁變化和機械運動于一體，實現電能與機械能變換的元件，其動態性能十分復雜，而其動態性能 又對 全電力系統的動態性能有極大的影響

20、。建立的同步發電機模型的類型、精度直接影響著暫態穩 定數字仿真的效果，通常在建模之前，為了簡化分析，一般均假設同步電機為理 想同步電機8。在分析電力系統暫態穩定中，同步電機實用模型最重要的 簡化假定是：忽 略定子繞組暫態過程，從而令定子電壓微分 方程中，這樣就把它化為代數方 0 dqpp程。另一假定是定子電壓方程中，從而使方程線性化。另外，對實際的同步電機還要1作必要的假定：1）電機磁鐵部分的磁導率為常數，既忽略磁滯、磁飽和的影響，也不計 渦流及集膚作用的影響。2）對縱軸及橫軸而言，電機轉子在結構上是完全對稱的。3）定 子及轉子的槽及通風溝等不影響電機轉子及轉子的 電感，即認為電機的定子及轉子

21、是光滑的。以上的假定在大多數情況下都能滿足實際工程研究的需 要，下面給由的同步電機 基本方程基于上述假定9。2.1.2 同步發電機基本方程同步電機數學模型在 abc坐標下為8階模型。由于轉子的旋轉和凸極效應，造成發電機原始方程的系數是隨著轉子位置的角度 （也就是隨著時間）而改變的，這些 方程是屬于所謂的變系數微分方程，使得方程的求解非常 復雜困難，因此實際分析同步電機時很少采用abc坐標。派克變換是最廣泛應用的坐標變換之一，可以將同步電機 含變系數的微分方 程 改造”成為常系數的微分方程。通過派克變換，可以在dq旋轉軸上分析研究電機的電磁現象，進而能很好地適應轉子的旋轉與凸極效應2。經派克變換

22、后得到的 dq0坐標下 同步發電機微分方程， 即派克方程（電壓方程、磁鏈方程），其中的電感參數均為定 值，從 而非常有利于同步電機動態分析與計算。2.1.3 同步發電機三階模型在建立同步發電機的數學模型時，詳簡不同的數學模型 ，其主要區別在于電機的轉子繞組數10,如果轉子 D軸、Q軸各有兩個繞組，且每一個 轉子繞組有一個一階微分方程，那么則稱之為轉子四階模型，連同轉子運動方程為兩階方程，則整個發電機方程組為 六階模型。如果轉子繞組數減少，則發電機方程組的階數也相應減 少。不同階的模型，可 以在不同目的電力系統暫態數字仿真 中使用11。在實用電力系統動態分析中，當計及勵磁系統動態時，最簡單的模型

23、就是三階模型，由于它簡單而又能計及勵磁系 統動態，因 此廣泛的應用于精度要求不十分高，但仍需計 及勵磁系統動態的電力系統分析中。本文 華北電力大學本科畢業設計（論文）5中將只考慮機組f繞組的電磁暫態以及轉子運動過程 ，不考慮轉子阻尼 繞組的暫態過程，即 所建模型為三階模型。1）等效實用變量的定義：a）定子勵磁電動勢Ef :（2-1）adfffX Eu rb）電機q軸空載電動勢 Eq（又稱Xd后面的電動勢）：（2- 2） qad f EX i c）電機q軸瞬變 電動勢（又稱X' d后面的電動勢）：q E （2- 3） qad ffXEX2）置換用的變量表達式推導：因為，所以 0時浮血 （

24、2-4） 0000 ad ffad fq f X EuX iE r由發電機基本電壓方程可得：（2-5） 000000qda qqd daq ur iEX ir i（其中,）000dd dad f X iX i由發電機基本磁鏈方程可知：（2-6） fad dff X iX i 將上式代入式（2-3）: （2-7） 2 adad qfad f ff XX EX i XX因為一所以我們可以得到：2 ad dd f X XX X（2- 8）（） qqddd EEXXi根據式（2-5）和式（2-8）可得：（2- 9） OOOOqqd da q uEX ir i用相量圖可以表示，和之間的關系，如圖（2-1

25、）:0q u 0q E 0q E華北電力大學本科畢 業設計（論文）6qiV 1 GI GV d u d i dS）0（ xq 00fq EEq u ddlX Oq E ddl X qd EGqljx 圖2-1，和之間的相量關系 0q u 0q E 0q E 3）定子 電壓方程：根據電壓、磁鏈方程（派克方程），消去、，得到：d q（2-10） ddqa dq qa d upr iX ir i（2-11） qqda qqd da q upr i EX if i4）轉子勵磁繞組電壓方程：根據電壓方程，兩邊同乘以，可得：ffiffupr 1 adfXr（212）ad ffqfXpEEr 因為, 所以：

26、0 f ad ad ffqd fffXXX ET rXrdoqfqdTEEE dt（2.13）fqddd EEXXi其中，為勵磁繞組時間常數。OfdfXTr 5）轉子運動方程：（）memd qq dd HPPPii dtmqddqq qd PEX iiX ii華北電力大學本科畢業設計（論文）7 （2-14） mq qdqd q PE iXXi i（2-15）1 d dt若計及轉子的阻尼效應，則式（2-12）可以修改為：（2-16）1 mq qdqd q d 1IDPE iXXi i dl其中，為發電機組阻尼系數。D式（2-13）、（2-14）和（2-15）即構成同步發電機的三階模型。2.1.4

27、 單機無窮大系統 如圖2-2所示單機無窮大系統： 同步發電機變壓器 T輸電線路L VtVs圖2-2單機-無窮大 系統 系統電壓為 Vs恒定不變，變壓器和線路電抗為。則可以求生：l X （2- 17）C0Sq$ddEViX（2-18） sin s q q V i X其中一；ddlXXX qqlXXX 將式（2-17）、（2-18）代入式（2-13）,即得到單機無窮大系統的電壓 方程：（2-19）0 1 sin dd q fqqs dd XXdE EEEV dtTX電磁功率方程：eqdqdq PEXXiicos sin qs sqdq dq EV V EXX XX（2-2（）2 sin2 sin

28、2 sdq s q dqd VXX V eXXX華北電力大學本科畢業設計（論文）8 2.2勵磁系統數學模型 2.2.1同步發電機勵磁 自動控制系統概述供給同步發電機勵磁的裝置稱為勵磁系統。勵磁系統是同步發電機組的重要組成部分，它由自動勵磁調節器和勵磁功率單元組成。自動勵磁調節器分機電式勵磁調節器、半導體勵磁調節器和計算機勵磁調節器。勵磁功率單元分為直流電源勵磁和交流電源勵磁。直流電源勵磁的電源為直流勵磁機。交流電源勵磁包括交流電源和整流器兩部分。隨著自動化技術的進步，勵磁調節器經歷了電磁式、模擬半導體式和數字式等幾個發展階段。目前，電力系統中運行的勵磁調節器種類很多、類型各異，但就控制規律而言

29、，絕大多數屬于比例式調節器。勵磁系統和發電機組成一個反饋自動控制系統一一發電機勵磁自動控制系統。為保 證同步電機的正常運行，勵磁系統應能夠穩定地提 供同步電機從空載到滿載以及過載時所需的勵磁電流，勵磁電流的改變會引起機端電壓或無功功率的變化。勵磁自動控制系 統按預定要求調節勵磁電流，起到如下作用：1）電力系統正常運行時，維持發電機或系 統莫點電壓水平； 2）合理分配發電機間的無功負荷。發電機的無功負荷與勵磁電流有著密切的關系，勵磁電流的自動調節，要影響發電機間無功負荷的分配，所以對勵 磁系統 的調節特性有一定的要求；3）在電力系統發生短路 故障時，按規定的要求強行勵磁；4）提高電力系統靜穩定極

30、 限；5）加快系統電壓的恢復，改善系統工作條件。為了使自動勵 磁控制系統充分發揮上述作用，裝置應滿 足如下幾點基本要求：1）在正常情況下，能根 據機端電壓的變化自動地改變勵磁 電流，維持發電機電壓值在給定水平；2）并列運行發 電機上裝有自動勵磁調節器時，應能穩定分配機組間的無功負 荷；3）電力系統發生故障 導致電壓降低時，勵磁系統應有 很快的響應速度和足夠大的強勵頂值電壓，以實現強行勵磁的作用；4）裝置要簡單可靠， 動作要迅速，調節過程要穩 定。調節系統應無失靈區，以保證在人工穩定區內運行 12 o為了研究勵磁系統對電力系統穩定的影響，就必須設計合理的勵磁調節器模型，通過仿真來深入了解不同參數

31、下的勵磁系統對改善電力系統穩定性的作用。對勵磁自動控 制系統建立數學模型，需要根據建模的目 的和控制系統的結構及其工作條件做由一些假設，這樣建立的數學模型能夠突生主要矛盾，使數學式簡化、物理意義 清楚。因此，由 同一個勵磁系統所構成的發電機勵磁自動控制 系統用于不同目的時建立的數學模型是不相同的。例如，用于電力系統穩定研究時一般都要進行較多的簡化，只剩下最能表達勵 磁系統本質特性的部分；用于研究 勵磁系統性能的數學模型就要較少簡化，以使結果盡量精確13 o本文將所建模型屬于前者。2.2.2同步發電機勵磁自動控制系統數學模型實際電力系統中，勵磁系統的種類繁多，各不相同，本文勵磁系統是 以下面的結構 華北電力大學本科畢業設計（論文）9來進行設計的。電壓測量單元綜合放大單元適應單元勵磁功率單