基于勵磁調壓特性的交流同步電機強勵控制*

杜 川， 付會凱

(新鄉學院 機電工程學院， 河南 新鄉 453003)

基于勵磁調壓特性的交流同步電機強勵控制*

杜 川， 付會凱

(新鄉學院 機電工程學院， 河南 新鄉 453003)

為了探索勵磁調壓特性對交流同步電機強勵的控制關系，通過勵磁EEAC理論從勵磁調壓角度對交流同步電機的強勵控制進行分析，應用Matlab系統建立自并勵單機仿真模型，并仿真分析了暫態過程中機端電壓對交流同步電機強勵的調控關系.結果表明，機端電壓決定著電功功率，電磁功率決定著系統暫態穩定的裕度.在忽略損耗的條件下，電功功率等價于電磁功率，因而機端電壓決定著勵磁系統暫態穩定的裕度.

勵磁系統；調壓特性；同步電機；強勵控制；電磁功率；機端電壓；仿真模擬；裕度

勵磁系統是交流同步電機的重要組成部分，是發電機和電力系統運行經濟性和穩定性的主要評價指標之一[1-3].勵磁系統由功率單元和控制單元兩部分組成，功率單元主要為發電機提供直流電流形成磁場；控制單元主要調節系統電流，以確保發電機正常狀態穩定運行及事故發生時的調節恢復能力.勵磁系統基本結構如圖1所示.

依據系統電源的不同，勵磁系統的勵磁方式可分為直流勵磁、交流勵磁、靜態勵磁3種[4-7].靜態勵磁根據電源的構成不同又可分為自并勵勵磁系統和自復勵勵磁系統，由于自并勵方式具有響應速度快、機端電壓穩定、振蕩抑制能力強、短路電流衰減小、運行可靠性高等優點[8-11]，因而被廣泛應用于大型發電機中.強勵是保證發電機

圖1 發電機勵磁控制系統結構Fig.1 Structure of excitation control system of generator

系統穩定的重要措施，目前國內外很多學者研究了強勵電流對勵磁系統的影響，強勵電流響應時間越短，發電機系統的穩定性越高，然而轉子回路的時間常數制約強勵電流的響應時間，進而影響著發電機系統的穩定性[12].勵磁強勵動作的正確性對電力系統的穩定性具有重要作用，由于其調控比較復雜，在使用過程中仍存在著許多問題亟待解決，對于交流同步電機強勵控制的分析還存在許多局限性.本文依據擴展等面積準則(EEAC)及功率守恒原理推導出機端電壓與強勵控制的關聯關系，同時以單機無窮大電網系統中勵磁電壓的階躍擾動信號來仿真強勵過程，在Matlab軟件Simulink平臺的SPB中建立常規PID勵磁控制系統仿真模型，分析了暫態過程中機端電壓對強勵的控制，為勵磁調壓特性對強勵過程的調控提供理論依據.

1 勵磁調壓對強勵的控制

勵磁系統強勵控制是電力系統通過調節輸出的無功功率來調控發電機的機端電壓及并網電壓，以維持電力系統的穩定性，避免系統電壓大幅度跌落，以及促進電力系統遭受短路時電壓的恢復.在發電機系統運行過程中，負荷電流的變化是引起機端電壓變化的主要因素，通常用電機的調壓靜差率來表示，即當發電機系統中自動勵磁調節器的調差單元退出時，電壓的給定值保持不變，系統負載從額定功率減小到零時機端電壓的變化率，以此來評價勵磁系統維持機端電壓穩定的能力.一般來說，發電機在系統運行過程中引起機端電壓變化的主要因素為負荷電流的變化，即負荷電流的變化會引起電磁功率的變化.當電磁功率從零變化到額定功率的過程中，環境溫度、頻率、電源電壓波動的變化會引起機端電壓的變化，進而實現對勵磁強勵的控制.

1.1 強勵控制與電磁功率的關系

依據擴展等面積準則，發電機在并網運行時遭受大的擾動后，系統中所有發電機將被分為臨界s群和余下a群，整個系統可被等值為一個時變的單機無窮大系統，系統中的廣義慣性時間常數與轉子角的乘積等于系統機械功率與電磁功率之差，即

Mδ=Pm-Pe

(1)

(2)

δ=δs-δa

(3)

(4)

(5)

式中：M為廣義的慣性時間常數；δ為轉子角；Pm為機械功率；Pe為電磁功率.

根據功率守恒原理，在忽略網損功率的條件下，s群的電磁功率Pes等于s群和a群之間所有有功功率之和，即

Pes=PLs+Pas+Pdc

(6)

式中：PLs為s群有功功率；Pas為s、a群之間交流有功功率；Pdc為s、a群之間直流有功功率.

a群的電磁功率Pea等于a群內部的有功功率與s、a群之間交流及直流線路的有功功率之差，即

Pea=PLa-Pas-Pdc

(7)

對于獨立的電力系統來說，系統的穩定性與系統暫態穩定裕度η(t)密切相關，穩定裕度可表示為

(8)

由式(1)～(8)推算可知，在采取強勵控制后，等值系統電磁功率的提升量ΔPe和系統穩定裕度的提升量Δη的表達式分別為

(9)

(10)

由式(9)、(10)可以看出，當勵磁系統強勵的控制作用ΔPe>0時，勵磁系統的正擺穩定性得到改善，反擺穩定性則被惡化；當勵磁系統強勵的控制作用ΔPe<0時，則反之.由此可知，勵磁強勵是勵磁系統通過改變電力系統的電磁功率ΔPe，進而來調控電力系統運行的穩定性.

1.2 電磁功率與機端電壓的關系

根據機械功率守恒原理可知，發電機軸上輸入的機械功率P1等于機械損耗PΩ、定子鐵耗PFe以及轉變為旋轉磁場和電磁感應作用的電磁功率Pe之和，即

P1=PΩ+PFe+Pe

(11)

電磁功率Pe等于電樞銅耗PCua與輸出功率P2之和，即

(12)

式中：m為電機數量；Ra為電樞電阻；φ為相位角.從而可知Pe=mI2Ra+mUIcosφ=mI(IRa+Ucosφ).發電機各向量關系如圖2所示，依據圖2進行分解可得IRa+Ucosφ=E0cosψ0，即Pe=mE0Icosψ0.

圖2 發電機向量關系Fig.2 Vector relationship for generator

以隱極機為例，忽略電阻損耗，此時電磁功率等于輸出功率，即Pe=P2=mE0Icosψ0，則其向量關系圖如圖3所示.斜三角形中向量Icosψ0=(Usinδ)/Xs，從而得出

(13)

式中，Xs為電機電抗.當激磁電動勢E0和輸出轉子角δ恒定時，機端電壓U對電磁功率Pe起著決定作用，Pe隨著U的變化而變化.

圖3 發電機簡化向量關系Fig.3 Simplified vector relationship for generator

由式(10)、(13)可知

(14)

由此可知機端電壓U對磁勵系統的強勵進行了調控.

2 仿真及結果分析

應用計算機仿真軟件對電力系統建立仿真模型，可有效預測電力系統的安全性、可靠性和精準性，也可為電力系統的安全穩定運行提供可靠保障.為了保證所研究的問題具有普遍性特征，應用軟件對典型的單機無窮大母線電力系統進行仿真，同時設定供給的機械功率恒定不變，且忽略電動機功率損耗.本文應用Matlab軟件Simulink平臺建立的常規PID勵磁控制系統仿真模型如圖4所示，即在Matlab環境下的自并勵勵磁單機無窮大母線仿真模型.

圖4 自并勵勵磁控制系統仿真模型Fig.4 Simulation model for self-excited excitation system

仿真模型的參數設定：電機容量P=250 MVA，額定電壓U=13.5 kV，頻率f=50 Hz，縱軸電抗之和Xd=1.853 Ω，橫軸電抗之和Xq=0.717 Ω，漏電抗Xl=0.16 Ω，短路時電流瞬時變化時間td1=1.05 s，超瞬時變化時間為td2=0.055 s，諧波補償時間tb=0 s、tc=0 s，積分控制器的比例系數Ka=100、積分系數Ta=0.008.在建立的仿真模型中，當t=10 s時，給勵磁系統勵磁控制器的機端電壓輸入端加上10%的階躍擾動信號進行模擬仿真，圖5～7分別為發電機電磁功率、轉速和勵磁電壓在擾動條件下的仿真曲線，橫坐標為時間，縱坐標分別是對應的標幺值.在t=10 s設置單機無窮大系統發生三相短路，且在10.2 s時將短路故障切除，圖8、9分別是發電機電磁功率和轉速的仿真曲線.從以上仿真圖可以看出，該系統具有較好的動態調節性能和較強的抗干擾能力.

圖5 機端電壓階躍擾動電磁功率仿真曲線Fig.5 Simulation curve for electric power under step disturbance of terminal voltage

圖6 機端電壓階躍擾動轉速仿真曲線Fig.6 Simulation curve for rotational speed under step disturbance of terminal voltage

圖7 機端電壓階躍擾動勵磁電壓仿真曲線Fig.7 Simulation curve for excitation voltage under step disturbance of terminal voltage

圖8 三相短路階躍擾動電磁功率仿真曲線Fig.8 Simulation curve for electric power under step disturbance of three phase short circuit

圖9 三相短路階躍擾動轉速仿真曲線Fig.9 Simulation curve for rotational speed under step disturbance of three phase short circuit

3 結 論

[1]杜治，馬蕊，梁易樂，等.一種發電機勵磁系統模型參數可辨識性分析方法 [J].電力系統保護與控制，2014，42(22)：38-44.

(DU Zhi，MA Rui，LIANG Yi-le，et al.Analysis method on parameter identifiability for excitation system model of generator [J].Power System Protection and Control，2014，42(22)：38-44.)

[2]李兆偉，周旭，劉昱辰，等.自備電廠發電機勵磁系統穩定性分析及控制研究 [J].電力系統保護與控制，2014，42(10)：8-14.

(LI Zhao-wei，ZHOU Xu，LIU Yu-chen，et al.Analysis and control for captive generator excitation system stability [J].Power System Protection and Control，2014，42(10)：8-14.)

[3]毛承雄，何金平，王丹，等.全控器件勵磁系統的多變量反饋線性化控制 [J].中國電機工程學報，2013，33(22)：53-60.

(MAO Cheng-xiong，HE Jin-ping，WANG Dan，et al.Multivariable feedback linearization scheme for new excitation systems based on full controlled devices [J].Proceedings of the CSEE，2013，33(22)：53-60.)

[4]張振，徐科軍，楊雙龍，等.具有快速響應的電磁流量計高低壓勵磁系統 [J].電子測量與儀器學報，2013，27(6)：562-571.

(ZHANG Zhen，XU Ke-jun，YANG Shuang-long，et al.High and low voltage excitation system with high speed response for electromagnetic flow-meter [J].Journal of Electronic Measurement and Instrument，2013，27(6)：562-571.)

[5]Masmoudi D A.Design of a brushless excitation system utilizing pot cores [J].Journal of Computations and Mathematics in Electrical，2015，34(6)：1740-1757.

[6]張虹，徐濱，高健，等.基于最小方差基準的勵磁系統性能評估 [J].電力系統保護與控制，2014，42(8)：54-58.

(ZHANG Hong，XU Bin，GAO Jian，et al.Perfor-mance assessment of excitation system based on minimum variance benchmark [J].Power System Protec-tion and Control，2014，42(8)：54-58.)

[7]Taniguchi T，Kondou T.373 elucidation of operating mechanism of dynamic absorber for parametric excitation system：stability analysis based on complex model analysis [J].International Journal of Molecular Sciences，2015，16(5)：11785-11803.

[8]謝丹.靜止自并勵勵磁系統的設計方案的探討 [J].電力建設，2003，24(12)：32-34.

(XIE Dan.Inquisition into design scheme of exciting system with static self parallel excitation [J].Electric Power Construction，2003，24(12)：32-34.)

[9]陳利芳，陳天祿.淺談自并勵勵磁系統在大容量機組中的應用 [J].繼電器，2007，35(1)：81-84.

(CHEN Li-fang，CHEN Tian-lu.Application of self-excitation mode in large capacity generator unit [J].Relay，2007，35(1)：81-84.)

[10]張栩，彭志煒，邱國躍，等.自并勵靜態勵磁系統自動電壓調節器參數對暫態穩定性的影響仿真 [J].大電機技術，2013(4)：56-60.

(ZHANG Xu，PENG Zhi-wei，QIU Guo-yue，et al.Influence of AVR parameters of static excitation system on transient stability [J].Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2013(4)：56-60.)

[11]劉振武，魏建忠，高仕斌.自并勵發電機后備保護改進方案 [J].電力系統及其自動化學報，2013，25(2)：53-57.

(LIU Zhen-wu，WEI Jian-zhong，GAO Shi-bin.Improved scheme of backup protection for generators with self-shunt excitation [J].Proceedings of the CSU-EPSA，2013，25(2)：53-57.)

[12]許強.基于恒勵磁電流的同步電動機強勵方法 [J].河北工業科技，2012，29(6)：499-501.

(XU Qiang.A reinforced excitation method based on the constant excitation current of synchronous motor [J].Hebei Journal of Industrial Science and Techno-logy，2012，29(6)：499-501.)

(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Forced excitation control of AC synchronous motor based on excitation regulation characteristics

DU Chuan,FU Hui-kai

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Xinxiang College,Xinxiang 453003,China)

In order to explore the relationship of excitation voltage regulation characteristics to the forced excitation control of AC synchronous motor,the forced excitation of AC synchronous motor was analyzed from the point of excitation voltage regulation through the excitation EEAC theory.The simulation model for the self-excited single motor was established with Matlab system.In addition,the regulation relationship of terminal voltage to the forced excitation of AC synchronous motor in the transient process was simulated and analyzed.The results show that the terminal voltage determines the electric power,and the electromagnetic power determines the margin of system transient stability.Under the condition of ignoring the loss,the electric power is equivalent to the electromagnetic power,and thus the terminal voltage determines the margin of excitation system transient stability.

excitation system;voltage regulation characteristic;synchronous machine;forced excitation control;electromagnetic power;terminal voltage;analogue simulation;margin

2016-06-27.

河南省高等學校重點科研資助項目(168470003).

杜 川(1982-)，男，河南新鄉人，講師，碩士，主要從事電氣控制、電力傳動等方面的研究.

22 17∶40在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1740.022.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.02

TM 315

A

1000-1646(2017)02-0127-05