学文网[摘 要] 同步发电机励磁系统是电力系统控制的重要组成部分，其特性好坏将直接影响发电机及电力系统运行的可靠性和稳定性。本文对同步发电机励磁系统的组成及其原理进行了分析，并建立了其相应的数学模型。由于比例型励磁调节器控制性能不是很好，故设计了含有励磁系统稳定器的比例型励磁调节器和比例积分型励磁调节器，设计的结果符合预期的要求。
[关键词] 励磁系统；同步发电机；电力系统；仿真
【中***分类号】 TM31 【文献标识码】 A 【文章编号】 1007-4244（2013）07-197-2
一、绪论
随着电力工业的迅速发展，现代电力系统的规模越来越大，保证电力系统运行的稳定性和可靠性，提供优质的电能对国民经济和人民的生活水平的提高有着极为重要的作用和意义。同步发电机励磁系统是电力系统控制的重要组成部分，它除了维持发电机端电压的恒定和进行无功功率分配外，还必须保证电力系统的静态、暂态和动态稳定性。它的优化和发展对同步发电机乃至整个电力系统的运行具有决定性的意义。
发电机励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其它附加控制设备的统称。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两大部分组成，而励磁调节器是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。
二、励磁系统的组成及其原理
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它将直接影响发电机的运行特性。励磁系统一般由两部分构成：第一部分是励磁功率单元，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流；第二部分是励磁调节器，它根据发电机的运行状态，自动调节功率单元输出的励磁电流，以满足发电机的运行要求。
同步发电机和它的励磁系统所构成的闭环系统称为励磁控制系统，它是一个典型的反馈控制系统，其控制原理如***1所示：
（***1）励磁控制系统原理框***
三、励磁控制系统的数学模型
（一）同步发电机的传递函数
要仔细分析同步发电机的传递函数是相当复杂的，但如果只研究发电机空载时励磁控制系统的有关性能，则可对发电机的数学描述进行简化。发电机的传递函数可以用一阶滞后环节来表示。
用KG表示发电机的放大倍数，■表示其时间常数，若忽略饱和现象，则得同步发电机的传递函数为：
（二）直流励磁机的数学模型
（***2）他励直流励磁机
励磁调节器的输出加于励磁绕组输入端，输出为励磁机电压■，如***2所示。励磁机励磁绕组两端的电压方程为：
式中■，一般假定为常数。
（三）励磁调节器的数学模型
励磁调节器主要由电压测量比较、综合放大及功率放大等单元组成。这里以电子模拟式励磁调节器为例，列出它们的传递函数。
1.电压测量比较单元的传递函数：
2.综合放大单元的传递函数：
四、励磁调节器的设计与校正
已知同步发电机和励磁系统的参数如下：
根据拉氏变换的终值定理，可求出系统的稳态误差：
从式中可以看出，要减小系统的稳态误差，必须增大系统调节器放大倍数KA，而KA有着临界放大系数的限制，若超出临界值，系统稳定性将被破坏。为了更好的进行比较，这里取比例放大倍数KA=10，30，60，100对励磁系统进行仿真，得出相应的阶跃响应曲线。
随着比例放大倍数KA的增大，稳态误差减小，但调节时间较长，超调量较大，震荡次数明显增多，其系统动态性能也明显降低。当KA超出临界值时，励磁系统失去稳定。稳定性是它能否正常工作的首要条件，这是必须要保证的，故比例型励磁调节器的励磁系统的稳定性不好，需要进行改进。
发电机、励磁机的时间常数所对应的极点都很靠近坐标的原点，系统的动态性能不够理想，并且随着闭环回路增益的提高，其轨迹变化趋势向转入右半平面，使系统失去稳定。为了改善控制系统的稳定性能，必须限制调节器的放大倍数，而这又与系统的调节精度要求相悖。由此分析可知，在发电机励磁控制系统中，需增加校正环节，才能适应稳定运行的要求。
五、励磁系统的控制仿真
（一）励磁系统仿真模型
在研究励磁系统仿真模型时，通常采用单机――无穷大系统来进行。本章对***3所示的系统进行建模与仿真研究。
（***3）单机――无穷大输电系统
（***4）励磁系统仿真模型
对***3所示的单机――无穷大输电系统所建立的仿真模型如***4所示，这是一个PID励磁控制系统的Simulink仿真模型示意***。在这个仿真系统中，重点模拟了同步发电机在大扰动下的暂态过程的运行特性，具体扰动形式如下。
1.在15s处，升压变压器出线端短路，0.1s后故障消失；
2.在18s处，电网电压降低至100kV，12s后电网电压恢复至额定值110kV。
（二）仿真波形及仿真分析
建立***4所示的Simulink仿真模型后，将参数设置好便可执行仿真，以下给出系统在三相短路和电网电压降低时的主要仿真波形及其相应的结论。
1.三相短路的仿真波形及其结论
当变压器出线端发生三相短路故障时，其机端电压瞬间急剧下降，在0.1s后短路故障消除，由于励磁调节器的作用，产生一段幅值较小的阻尼振荡，端电压很快达到稳定，恢复原来的稳定运行状态。同时可以看出，相对于比例式励磁调节器来说，在PID控制的励磁调节器下，阻尼震荡幅值更小，恢复时间更快，说明基于PID控制的励磁系统性能更为优越。而没有励磁系统时，其端电压出现震荡现象，如***5所示，系统失去稳定。
2.电网电压降低的仿真波形及其结论
励磁系统分别采用PID、比例励磁调节器和无励磁系统时，其机端电压Ug、励磁电流和功率角仿真波形如***6～***9所示。
（***6）电网电压降低（PID控制）的 （***7）电网电压降低（比例控制）的
端电压波形 端电压波形
***6和***7为电网电压降低至100kV时在励磁系统控制下的机端电压波形***，从***中可以看出当电网电压降低时，机端电压下降，在励磁系统控制的作用下端电压很快恢复为给定水平。当电网电压恢复至额定值110kV时，端电压经一段幅值较小的阻尼振荡后继续达到原来的稳定运行状态。通过***6和***7的对比，再次说明PID控制的励磁系统所发挥的作用更为优越。
（***8）电网电压降低（没有励磁系统）的 （***9） 电网电压降低（PID控制）的
端电压波形 励磁电流Ifd 、 功率角？啄波形
从***9中可以看出电网电压降低期间系统过渡到另外一个新的稳定运行状态，励磁电流增加了，功率角降低了。
根据发电机的输出功率：
因为输入机械功率不变，若忽略能量转换过程中的损耗，系统稳定运行后，有PG=Pm，当励磁电流增加时，空载电动势Eq也随之增加，为使终值PG恒定不变，则sin？啄必须减小，即功率角？啄降低了。
通过以上仿真分析，表明励磁系统与发电机构成的励磁自动控制系统可以不断的调节励磁电流来维持机端电压为给定水平。在电力系统的一些大扰动故障下，经励磁系统的控制作用，系统可以过渡到新的稳定状态下运行或恢复原来的稳定运行状态，即励磁系统提高了电力系统的暂态稳定性，保证了电网供电的可靠性，同时也为电力系统的运行与安全稳定分析提供了理论参考。
六、总结
本文忽略了对励磁系统影响很小的次要因素，抓住励磁系统的本质问题进行了分析与仿真研究，主要完成了以下工作：1. 分析研究了励磁系统的组成部分及其原理，建立了励磁系统与同步发电机的数学模型。2. 针对比例型励磁调节器调节特性的不足之处，设计了含有励磁系统稳定器的比例型励磁调节器和比例积分型的励磁调节器，改善了励磁系统的稳态和动态性能。3. 最后对电力系统短路、电网电压降低等大扰动过程的运行特性进行了仿真，进一步研究了励磁控制系统对电力系统的重要影响，并取得了很好的预期效果。
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作者简介：徐大刚（1975-），男，汉族，辽宁葫芦岛人，西部矿业百河铝业公司生产技术部副经理，研究方向：电气。
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