第3講勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型

1、第3講 勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,本講內容,概述直流勵磁機的數(shù)學模型交流勵磁機的數(shù)學模型靜止勵磁電源的數(shù)學模型電壓測量與負載補償環(huán)節(jié)幅值限制環(huán)節(jié)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的數(shù)學模型勵磁調節(jié)器的數(shù)學模型典型勵磁系統(tǒng)的數(shù)學模型,概 述,勵磁系統(tǒng)的基本功能是向發(fā)電機的勵磁繞組提供直流電流（勵磁功率、勵磁電壓、勵磁電流），保持發(fā)電機端電壓或電網某點電壓恒定，控制并列運行發(fā)電機的無功功率合理分配。另外，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。,同步電機機電數(shù)學模

2、型中含有Ef,它代表了勵磁繞組電壓uf, 該電壓受發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的控制。,概 述,同步電機勵磁系統(tǒng)通用功能框圖(虛線部分),概 述,勵磁系統(tǒng)的類型,根據勵磁功率單元,,直流勵磁系統(tǒng)(直流勵磁機勵磁系統(tǒng))交流勵磁系統(tǒng)(交流勵磁機勵磁系統(tǒng))靜止勵磁系統(tǒng),概 述,勵磁系統(tǒng)分類及典型接線,直流勵磁系統(tǒng),自勵式直流勵磁機勵磁系統(tǒng),它勵式直流勵磁機勵磁系統(tǒng),概 述,勵磁系統(tǒng)分類及典型接線,交流勵磁系統(tǒng),交流勵磁機

3、帶可控靜止整流器的勵磁系統(tǒng),交流勵磁機帶不可控靜止整流器的勵磁系統(tǒng),交流勵磁機帶不可控旋轉整流器的勵磁系統(tǒng)—無刷勵磁系統(tǒng),概 述,勵磁系統(tǒng)分類及典型接線,靜止勵磁系統(tǒng),自并勵靜止勵磁功率單元,復合源靜止勵磁功率單元,有在直流側并聯(lián)、直流側串聯(lián)、交流側并聯(lián)和交流側串聯(lián)等多種形式,概 述,勵磁系統(tǒng)分類及典型接線,靜止勵磁系統(tǒng),例：交流側串聯(lián)、電壓相加的復合源靜止勵磁功率單元,概 述,自動勵磁調節(jié)器,變阻器型,旋轉放大

4、機型,磁放大器型,晶體管式,集成電路式,基于計算機實現(xiàn)的數(shù)字式,,,,,,,實現(xiàn)手段,概 述,自動勵磁調節(jié)器,單一機端電壓控制,多功能的勵磁控制,,,控制功能,概 述,自動勵磁調節(jié)器,比例控制,PID控制,線性勵磁調節(jié),自校正調節(jié)，自適應控制,模糊控制,線性最優(yōu)控制,非線性最優(yōu)控制等.,,,,控制策略,概 述,自動勵磁調節(jié)器,單一機端電壓偏差,以電壓偏差為主，附加發(fā)電機電磁功率、電角速度、系統(tǒng)頻率、發(fā)電機定子電流

5、、勵磁電流、勵磁電壓以及它們的組合。,,,反饋信號,概 述,自動勵磁調節(jié)器,設置有：欠勵限制；過勵限制；過勵瞬時限制器定子電流限制器V/Hz限制器,,保護與限制,概 述,自動勵磁調節(jié)器,電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)作用：抑制低頻振蕩，提高系統(tǒng)阻尼作用。輸入：發(fā)電機有功功率、機端電壓的頻率、發(fā)電機轉速或它們的組合。輸出：勵磁調節(jié),,輔助調節(jié),概 述,勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,參見：《同步電機勵磁系統(tǒng) 定義

6、》GB/T 7409.1-2008《同步電機勵磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究用模型》GB/T 7409.2-2008《現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析》 科學出版社，2003《動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析》 清華大學出版社，2002,直流勵磁機數(shù)學模型,直流勵磁機電路,自勵、他勵繞組電阻,勵磁調節(jié)電阻,勵磁回路附加電阻,他勵繞組匝數(shù)和電感,自勵繞組匝數(shù)和電感,他勵、自勵、復勵電流,他勵繞組的外施電壓,勵磁機輸出電壓,假定:(1) 他勵繞組和自勵繞組的匝數(shù)相同,

7、或認為他勵繞組匝數(shù)和參數(shù)已折算到自勵繞組側；(2) 勵磁機無漏磁;(3) 額定轉速,并用空載特性代替負載特性.,建立:,直流勵磁機數(shù)學模型,勵磁機基本方程,,,,不計磁路飽和下,直流勵磁機數(shù)學模型,計及飽和作用,與,的關系,氣隙線斜率,,與,的關系,氣隙線斜率,,勵磁機運行在額定轉速,,?,存在如下關系,直流勵磁機數(shù)學模型,計及飽和作用,直流勵磁機的飽和系數(shù)定義,直流勵磁機的飽和系數(shù)定義,反映了直流勵磁機飽和程度大小。為uf的函數(shù).

8、,可由勵磁機飽和負載特性曲線作出，或擬合成近似函數(shù)：,一般是非線性關系,直流勵磁機數(shù)學模型,推導有名制傳遞函數(shù),,,,自勵繞組時間常數(shù),,它勵繞組時間常數(shù),,勵磁機時間常數(shù),直流勵磁機數(shù)學模型,推導標幺制傳遞函數(shù),基值選取的準則,以發(fā)電機忽略飽和時空載額定電壓運行所對應的勵磁機氣隙線相應的電量作為電量的標幺制基值.,便于和發(fā)電機、電壓調節(jié)器接口,自勵繞組,他勵繞組,直流勵磁機數(shù)學模型,推導標幺制傳遞函數(shù),標幺制形式,式中,直流勵磁機數(shù)學

9、模型,數(shù)學模型的框圖表示,兩種特殊情況,(1) 無復勵電流時，令 則,(2) 僅有他勵時，令,式中,,直流勵磁機數(shù)學模型,和發(fā)電機、AVR的接口問題,(1) 和發(fā)電機接口,可以證明:,可以證明：,勵磁系統(tǒng)輸出與發(fā)電機的,模型直接接口，即可把勵磁機出口電壓標幺值,取為,(2) 和AVR的接口,,且等于AVR輸出電壓標,幺值，則AVR輸出和勵磁機輸入可直接接口。,直流勵磁機數(shù)學模型小結,可直接與AVR輸出接口,,,,,可直

10、接與發(fā)電機輸入接口,由框圖或數(shù)學表達式可見，直流勵磁機可用一個一階慣性環(huán)節(jié)表示。,直流勵磁機數(shù)學模型小結,《同步電機勵磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,KE: 描述有自勵分量勵磁機的特性。它勵時KE=1,交流勵磁機數(shù)學模型,交流勵磁機為同步電機。勵磁機定子的交流輸出經三相不控或可控橋式整流器整流后供給發(fā)電機的勵磁繞組。,從理論上講，其數(shù)學模型可以采用同步電機數(shù)學模型或實用模型來

11、描述，但過于復雜。通常是把同步機的數(shù)學模型經簡化后用于描述交流勵磁機。,交流勵磁機數(shù)學模型,以不可控靜止整流器他勵交流勵磁系統(tǒng)為例,簡化：采用同步電機三階實用模型，并忽略暫態(tài)凸極效應，電機以額定轉速運行。,,勵磁機的定子電流經整流后才接入發(fā)電機勵磁繞組的。,交流勵磁機數(shù)學模型,以不可控靜止整流器他勵交流勵磁系統(tǒng)為例,勵磁機的定子電流經整流后才接入發(fā)電機勵磁繞組的。,與,在一定運行工況附近,,可近似為正比關系：,,,與,關系,交流勵磁機數(shù)

12、學模型,以不可控靜止整流器他勵交流勵磁系統(tǒng)為例,與,關系,由,到,存在換相壓降,整流器按照換相角?小于、等于和大于60?分為三種運行模式。當小于60?時,Xr---整流器的換相電抗,換相壓降,交流勵磁機數(shù)學模型,以不可控靜止整流器他勵交流勵磁系統(tǒng)為例,標幺制：以發(fā)電機勵磁繞組電壓基值除兩邊,若IN>1，則FEX=0,交流勵磁機數(shù)學模型,以不可控靜止整流器他勵交流勵磁系統(tǒng)為例,與,關系,由,到,存在換相壓降,交流勵磁機數(shù)學模型,以不

13、可控靜止整流器他勵交流勵磁系統(tǒng)為例,交流勵磁機數(shù)學模型,以不可控靜止整流器他勵交流勵磁系統(tǒng)為例,,簡化傳遞函數(shù)框圖,在大規(guī)模電力系統(tǒng)分析中應用,交流勵磁機數(shù)學模型,《同步電機勵磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,詳細模型,簡化模型,靜止勵磁功率單元數(shù)學模型,《同步電機勵磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,電勢源型---模型

14、1,電勢源型---模型2,靜止勵磁功率單元數(shù)學模型,《同步電機勵磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,交流側串聯(lián)，電壓相加的復合源靜止勵磁功率單元,典型勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,以典型的可控硅勵磁調節(jié)器的勵磁系統(tǒng)為例,系統(tǒng)結構,典型勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,以典型的可控硅勵磁調節(jié)器的勵磁系統(tǒng)為例,傳遞函數(shù)框圖,典型勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,以典型的可控硅勵磁調節(jié)器的勵磁系統(tǒng)為例,簡化的傳遞函數(shù)框圖,忽略量

15、測環(huán)節(jié)時間常數(shù)，忽略電壓調節(jié)器的超前滯后環(huán)節(jié)。,典型勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,以典型的可控硅勵磁調節(jié)器的勵磁系統(tǒng)為例,勵磁系統(tǒng)基本方程,忽略限幅環(huán)節(jié)作用,典型勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,以典型的可控硅勵磁調節(jié)器的勵磁系統(tǒng)為例,狀態(tài)方程,初值確定,典型勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,以典型的可控硅勵磁調節(jié)器的勵磁系統(tǒng)為例,注意：,在暫態(tài)穩(wěn)定分析中應計及限幅環(huán)節(jié)作用；在小干擾穩(wěn)定分析中可忽略限幅環(huán)節(jié)。主要用于大規(guī)模電力系統(tǒng)動態(tài)分析。,其它勵磁系統(tǒng)的數(shù)學模型請參考相關文

16、獻,勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,《同步電機勵磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,交流勵磁機勵磁系統(tǒng)模型： EX1~EX6型交流勵磁機勵磁系統(tǒng)模型 其中，EX1~EX4還區(qū)分A、B型靜止勵磁系統(tǒng)模型： ST1~ST5型靜止勵磁系統(tǒng)模型,勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,例：EX1A型和EX1B型交流勵磁機勵磁系統(tǒng)模型,勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型,例：ST1型靜止