基于Matlab Simulink的同步發電機勵磁系統模型的研究

岳文超

（連云港供電公司，江蘇 連云港222000）

隨著電網的范圍增大，網載負荷能力增強，電網安全也面臨著挑戰。發電機的勵磁控制系統可以穩定頻率和電壓的波動，改善動態品質，提高抗干擾能力，對防止電網事故擴大起著重要作用。建立勵磁系統模型進行研究，可以精確評估電網暫態穩定性，方便對電網進行事故預想。以往的模型動態指標采用經驗值或默認值，往往與實際不符，且軟件復雜，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互動，應用前景巨大。所以，利用Matlab對勵磁系統模型進行分析，一方面，可以節省分析者的時間成本；另一方面，可以提升模擬分析的的精度和指導價值。

1 勵磁系統工作模型原理解析

勵磁系統由以下兩部分構成：向發電機繞組提供可控直流電流，用于建立穩定的直流磁場，稱之為勵磁輸出模塊；在正常運行或發生事故時調節及勵磁電流以滿足相關需求，包括勵磁調節、強勵磁、強減磁和自滅磁等，稱為勵磁控制模塊。勵磁調節器與發電機的電壓、電流等狀態量構建聯系，以預先設置的調節參數對勵磁功率模塊發出控制信號，控制勵磁功率模塊的輸出，從而控制整個發電系統。根本的功能是調整發電機兩端電壓或者無功功率。

系統組成如圖1所示。

圖1勵磁系統框圖

2 勵磁系統模型的設計和仿真

2.1 量測環節的建立

在Simulink環境下的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，其中Vref為勵磁系統的參考電壓，Vd為發電機直軸電壓，Vq為交軸電壓，Vstab為PSS輸出電壓，構成勵系統量測模塊。

圖2量測環節傳遞函數

2.2 電壓調節器、勵磁機、勵磁系統穩定器的建立

利用Simulink在窗口中建立傳遞函數，如圖3所示。

圖3系統的相應傳遞函數

其中電壓調節器是由超前滯后環節1+TCs/1+TBs和慣性放大模塊組成，調節器的相位特性由超前滯后環節體現，一般情況下TBs和TCs都很小，予以忽略。KA為慣性放大環節放大倍數，TA為時間常數。

引入勵磁系統負反饋環節的目的是改善勵磁系統的穩定運行和動態品質，主要是一個軟反饋環節——勵磁系統穩定器PSS。一般來說，他勵交、直流勵磁機的KL=1。靜止勵磁系統無勵磁負反饋環節。

2.3 仿真系統其他模塊的建立

使用Simulink環境下SimPowerSystem的模塊庫中的Machine模塊、Elements模塊和Electrical Sources模塊，分別建立同步發電機、廠用電負荷、變壓器和無窮大電源，適當加入其他輔助模塊，構建如圖4所示的勵磁系統模型，并為各個模塊設置典型參數值。

圖4勵磁系統模型

2.4 勵磁系統的仿真

2.4.1 仿真一

設置開始仿真后0.3 s時發生A相接地故障，0.5 s后結束，算法為ode23tb。單項故障長時存在的勵磁電壓如圖5所示。單項故障短時存在的勵磁電壓如圖6所示。由圖5可見勵磁電壓趨于穩定。其中勵磁電壓在0.3 s時上升但是由于AER的限制作用不能持續上升。

圖5單相故障長時存在的勵磁電壓

圖6單相故障短時存在的勵磁電壓

2.4.2 仿真二

其余設置和仿真一設置一樣為A相接地故障。0.1 s發生故障，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。可見當0.3 s時發生故障導致機端電壓降低，此時AER的調節作用使發電機的勵磁電壓快速提升到頂置，實現強行勵磁。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，進而提高了整個系統的暫態穩定性。

圖7三相故障下的勵磁電壓

3 結論與展望

3.1 研究工作總結

本文使用了MATLAB程序建立了發電機勵磁系統模擬仿真模型，對模擬結果的分析可以得出此模型能夠體現發電機實際的勵磁系統動態響應過程，為電力系統的穩定分析及電網運行調度提供準確的數據依據。具體結論如下。

指出了建立勵磁系統精確模型的重要性，介紹了勵磁系統和電力系統穩定器的基本知識。為了建立發電機勵磁系統更詳細、更準確的模型，對電網某典型機組進行原始參數分析、現場試驗、參數辨識，確定了發電機組勵磁系統的模型參數。利用MATLAB軟件建立了勵磁系統仿真模型，通過對仿真結果的分析，得出此模型能夠反映出真實的發電機勵磁系統的動態響應過程，可以提供給有關部門參考使用。通過傳遞函數可以進行自動電壓調節器（AVR）和電力系統穩定器（PSS）的仿真。

3.2 進一步的工作

本文在仿真研究中依據問題研究的側重點，忽略調速器的變化，供給同步發電機恒定的機械功率。為了更好完成仿真工作，應當在仿真系統中構造和引入調速器模塊，從而最大程度地避免仿真失真。采用單機無窮大系統，與實際機組還是存在一定的誤差。如果時間足夠，還可以考慮建立更詳細的系統模型。