岳文超

（連云港供電公司，江蘇 連云港222000）

隨著電網(wǎng)的范圍增大，網(wǎng)載負(fù)荷能力增強(qiáng)，電網(wǎng)安全也面臨著挑戰(zhàn)。發(fā)電機(jī)的勵磁控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定頻率和電壓的波動，改善動態(tài)品質(zhì)，提高抗干擾能力，對防止電網(wǎng)事故擴(kuò)大起著重要作用。建立勵磁系統(tǒng)模型進(jìn)行研究，可以精確評估電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，方便對電網(wǎng)進(jìn)行事故預(yù)想。以往的模型動態(tài)指標(biāo)采用經(jīng)驗(yàn)值或默認(rèn)值，往往與實(shí)際不符，且軟件復(fù)雜，不能滿足一般工作人員的需求。且Matlab具有更好的兼容性和友好的人機(jī)互動，應(yīng)用前景巨大。所以，利用Matlab對勵磁系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，一方面，可以節(jié)省分析者的時(shí)間成本；另一方面，可以提升模擬分析的的精度和指導(dǎo)價(jià)值。

1 勵磁系統(tǒng)工作模型原理解析

勵磁系統(tǒng)由以下兩部分構(gòu)成：向發(fā)電機(jī)繞組提供可控直流電流，用于建立穩(wěn)定的直流磁場，稱之為勵磁輸出模塊；在正常運(yùn)行或發(fā)生事故時(shí)調(diào)節(jié)及勵磁電流以滿足相關(guān)需求，包括勵磁調(diào)節(jié)、強(qiáng)勵磁、強(qiáng)減磁和自滅磁等，稱為勵磁控制模塊。勵磁調(diào)節(jié)器與發(fā)電機(jī)的電壓、電流等狀態(tài)量構(gòu)建聯(lián)系，以預(yù)先設(shè)置的調(diào)節(jié)參數(shù)對勵磁功率模塊發(fā)出控制信號，控制勵磁功率模塊的輸出，從而控制整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)。根本的功能是調(diào)整發(fā)電機(jī)兩端電壓或者無功功率。

系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1勵磁系統(tǒng)框圖

2 勵磁系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)和仿真

2.1 量測環(huán)節(jié)的建立

在Simulink環(huán)境下的SimPowerSystem模塊庫中，打開Machine模塊庫，用Browser在Simulink窗口中建立如圖2的傳遞函數(shù)，其中Vref為勵磁系統(tǒng)的參考電壓，Vd為發(fā)電機(jī)直軸電壓，Vq為交軸電壓，Vstab為PSS輸出電壓，構(gòu)成勵系統(tǒng)量測模塊。

圖2量測環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)

2.2 電壓調(diào)節(jié)器、勵磁機(jī)、勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器的建立

利用Simulink在窗口中建立傳遞函數(shù)，如圖3所示。

圖3系統(tǒng)的相應(yīng)傳遞函數(shù)

其中電壓調(diào)節(jié)器是由超前滯后環(huán)節(jié)1+TCs/1+TBs和慣性放大模塊組成，調(diào)節(jié)器的相位特性由超前滯后環(huán)節(jié)體現(xiàn)，一般情況下TBs和TCs都很小，予以忽略。KA為慣性放大環(huán)節(jié)放大倍數(shù)，TA為時(shí)間常數(shù)。

引入勵磁系統(tǒng)負(fù)反饋環(huán)節(jié)的目的是改善勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和動態(tài)品質(zhì)，主要是一個(gè)軟反饋環(huán)節(jié)——勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS。一般來說，他勵交、直流勵磁機(jī)的KL=1。靜止勵磁系統(tǒng)無勵磁負(fù)反饋環(huán)節(jié)。

2.3 仿真系統(tǒng)其他模塊的建立

使用Simulink環(huán)境下SimPowerSystem的模塊庫中的Machine模塊、Elements模塊和Electrical Sources模塊，分別建立同步發(fā)電機(jī)、廠用電負(fù)荷、變壓器和無窮大電源，適當(dāng)加入其他輔助模塊，構(gòu)建如圖4所示的勵磁系統(tǒng)模型，并為各個(gè)模塊設(shè)置典型參數(shù)值。

圖4勵磁系統(tǒng)模型

2.4 勵磁系統(tǒng)的仿真

2.4.1 仿真一

設(shè)置開始仿真后0.3 s時(shí)發(fā)生A相接地故障，0.5 s后結(jié)束，算法為ode23tb。單項(xiàng)故障長時(shí)存在的勵磁電壓如圖5所示。單項(xiàng)故障短時(shí)存在的勵磁電壓如圖6所示。由圖5可見勵磁電壓趨于穩(wěn)定。其中勵磁電壓在0.3 s時(shí)上升但是由于AER的限制作用不能持續(xù)上升。

圖5單相故障長時(shí)存在的勵磁電壓

圖6單相故障短時(shí)存在的勵磁電壓

2.4.2 仿真二

其余設(shè)置和仿真一設(shè)置一樣為A相接地故障。0.1 s發(fā)生故障，0.2 s故障排除。仿真采用T=10，算法為ode23tb。

2.4.3 仿真三

采用仿真一相同的勵磁模型，只是故障類型改成三相短路，勵磁電壓如圖7所示?？梢姰?dāng)0.3 s時(shí)發(fā)生故障導(dǎo)致機(jī)端電壓降低，此時(shí)AER的調(diào)節(jié)作用使發(fā)電機(jī)的勵磁電壓快速提升到頂置，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行勵磁。將攻角特性快速提高到最大值，減少了加速面積，增加了減速面積，進(jìn)而提高了整個(gè)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖7三相故障下的勵磁電壓

3 結(jié)論與展望

3.1 研究工作總結(jié)

本文使用了MATLAB程序建立了發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模擬仿真模型，對模擬結(jié)果的分析可以得出此模型能夠體現(xiàn)發(fā)電機(jī)實(shí)際的勵磁系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)過程，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定分析及電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。具體結(jié)論如下。

指出了建立勵磁系統(tǒng)精確模型的重要性，介紹了勵磁系統(tǒng)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的基本知識。為了建立發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的模型，對電網(wǎng)某典型機(jī)組進(jìn)行原始參數(shù)分析、現(xiàn)場試驗(yàn)、參數(shù)辨識，確定了發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)的模型參數(shù)。利用MATLAB軟件建立了勵磁系統(tǒng)仿真模型，通過對仿真結(jié)果的分析，得出此模型能夠反映出真實(shí)的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程，可以提供給有關(guān)部門參考使用。通過傳遞函數(shù)可以進(jìn)行自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的仿真。

3.2 進(jìn)一步的工作

本文在仿真研究中依據(jù)問題研究的側(cè)重點(diǎn)，忽略調(diào)速器的變化，供給同步發(fā)電機(jī)恒定的機(jī)械功率。為了更好完成仿真工作，應(yīng)當(dāng)在仿真系統(tǒng)中構(gòu)造和引入調(diào)速器模塊，從而最大程度地避免仿真失真。采用單機(jī)無窮大系統(tǒng)，與實(shí)際機(jī)組還是存在一定的誤差。如果時(shí)間足夠，還可以考慮建立更詳細(xì)的系統(tǒng)模型。