基于matlab的同步发电机励磁系统仿真分析与调试毕业设计

基于matlab的同步发电机励磁系统仿真分析与调试毕业设计内容摘要：

行时 ,通过调节励磁电流 ,能方便地调节发电机的电压。 若 并入电网运行 ,因电压由电网决定 ,不能改变 ,此时调节励磁电流的结果是调节 了电机的功率因数和无功功率。 同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同 ,一般采用三相形式 ,只在某 些小型同步发电机中电枢绕组采用单 相。 同步发电机工作原理 主磁场的建立 :励磁绕组通以直流励磁电流 ,建立极性相间的励磁磁场 ,即 建立起主磁场。 载流导体 :三相对称的电枢绕组充当功率绕组 ,成为感应电势或者感应电流 的载体。 切割运动 :原动机拖动转子旋转 (给电机输入机械能 ),极性相间的励磁磁 场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组 (相当于绕组的导体反向切割励磁磁 场 )。 交变电势的产生 :由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动 ,电枢绕组中 将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。 通过引出线 ,即可提 供交流电源。 感应电势频率 :感应电势的频率决定于同步电机的转速 n 和极对数 p。 交变性与对称性 :由于旋转磁场极性相间 ,使得感应电势的极性交变。 由于 电枢绕组的对称性 ,保证了感应电势的三相对称性。 同步转速 :从供电品质考虑 ,由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率 应该是一个不变的值 ,这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致 ,我国电网 的频率为 50Hz。 励磁系统概述 在我国乃至全世界 ,发电设备绝大部分都是同步发电机 ,其发电量占总发电量的 90%以上 ,而同步发电机的重要组成部 分励磁调节器又称为励磁控制器 ,是电力系统最 主要的自动控制装置之一 ,它的特性好坏直接影响到同步发电机运行的可靠性与稳定 性。 励磁系统一般由两部分组成 (如图 21 所示 ):一部分用于向发电机的磁场绕组提 供直流电流 ,以建立直流磁场 ,通常称为励磁功率输出部分或称为功率单元 ,实质上 它是一个发电机专用的可控直流电源。 另一部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁 电流以满足运行的需要。 这一部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等。 一般称为励磁控制部分或控制单元或励磁调节器。 励磁调节器通过检测发电 机的电压、电流或其他状态量 ,按给定的调节准则对励磁 功率单元发出控制信号 ,控制励磁功率单元的输出 ,实现对系统的控制功能。 其最基本 的功能是调节发电机的端电压或无功功率。 图 21 同步发电机励磁自动控制系统构成框图 由于大型机组的这些参量直接影响电力系统的运行状态 ,因此 ,在某种程度上也可 以说励磁调节器也控制着系统的运行状态 ,特别强调的是 ,电力系统的定和励磁控制方 式有密切联系。 励磁系统只是发电机组的组成部件 ,而发电机组是电力系统的重要组成元件 ,电力 系统是一个复杂的动态系统 ,其稳定性分析是 十分复杂的。 随着社会的发展 ,电力系统 容量扩大 ,大容量发电机组投入运行 ,并且远离负荷中心 ,需要充分利用输电线路的送 电能力 ,这些原因使电力系统的稳定问题更加突出 ,而电力系统稳定的重要性不言而喻。 根据电力参数控制 ,电力系统的稳定性包括功角稳定、电压稳定和频率稳定。 根据 干扰的大小 ,又可以分为静态稳定和暂态稳定。 失去功角稳定 ,电力系统将发生振荡 , 引起系统中枢纽点电压、输电设备中的电压电流 ,以及输送功率的大幅度波动 ,电力系 统因而不能向负荷正常供电 ,处理不当会引起长时间大面积停电 :失去电压稳定的 后果 是电压崩溃 ,导致大面积停电。 失去频率稳定导致系统频率崩溃 ,引起电力系统大面积 停电。 除了频率稳定 ,其余的稳定性都与发电机组励磁系统相关。 由于快速响应励磁控制、静止无功补偿器以及直流输电系统的引入 ,为提高电力系 统稳定性提供了先进的技术和设备。 与此同时 ,由于它们的存在 ,电力系统出现了低频 振荡、次同步振荡、轴系扭振等问题。 这些问题又反过来促进了对其机理和与励磁相关 的控制策略的研究 ,也促进了电力系统稳定的研究。 励磁系统的分类 在我国电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类 ,分为 直流励磁机励磁系统和 半导体励磁系统。 直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源 ,供给发电机转子回路的励磁 电流。 其中直流发电机称为直流励磁机。 直流励磁机一般与发电机同轴 ,励磁电流通过 换向器和电刷供给发电机转子励磁电流 ,形成有碳刷励磁。 直流励磁机励磁系统又可分 为自励式和它励式。 自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的 ,他励直流励磁 机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机 ,因此所用设备增多 ,占用空间 大 ,投资大 ,但是提高了励磁机的电压增长速度 ,因而减小了励磁机的时间常数 ,他励 直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。 图 22 自励直流励磁机励磁系统原理接线图 上图中 LH??电流互感器。 YH??电压互感器。 F ??同步发电机。 FLQ??同步发电机的励磁线圈。 L??直流励磁机。 LLQ??直流励磁机的励磁线圈。 Rc??可调电阻 用直流励磁机供电的励磁系统 ,在过去的十几年间 ,是同步发电机的主要励磁系统。 目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。 长期的运行经验证明 ,这种励磁系 统的优点是 :具有独立的不受外系统干扰的励磁电源 ,调节方 便 ,设备投资及运行费用 也比较少。 缺点是 :运行时整流子与电刷之间火花严重 ,事故多 ,性能差 ,运行维护困 难 ,换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机 ,很不方便。 近年来 ,随 着电力生产的发展 ,同步发电机的容量愈来愈大 ,要求励磁功率也相应增大 ,而大容量 的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。 因此 ,直流励磁机励磁系统 愈来愈不能满足要求。 目前 ,在 100MW 及以上发电机上很少采用。 半导体励磁系统 半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后 ,作为供给同步发电机励磁 电流的直流电源。 半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。 (1)静止式半导体励磁系统 : 静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。 1)自励式半导体励磁系统 自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得 ,经过控制 整流后 ,送至发电机转子回路 ,作为发电机的励磁电流 ,以维持发电机端电压恒定的励 磁系统 ,是无励磁机的发电机自励系统。 最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的 端电压作励磁电流的电源 ,由自动励磁调节器控制励磁电流的大小 ,称为自并励可控硅 励磁系统 ,简称自并励系统。 自并励系统中 ,除 去转子本体极其滑环这些属于发电机的 部件外 ,没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件 ,所以又称为全静止 式励磁系统。 下图为无励磁机发电机自并励系统框图 ,其中发电机转子励磁电流电源由 接于发电机机端的整流变压器 ZB提供 ,经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流 ,可控 硅元件 SCR 由自动励磁调节器控制。 系统起励时需要另加一个起励电源。 图 23 无励磁机发电机自并励系统原理接线图 无励磁机发电机自并励系统的优点是 :不需要同轴励磁机 ,系统简单 ,运行可靠性 高。 缩短了机组的长度 ,减少了基建投资及有 利于主机的检修维护。 由可控硅元件直接 控制转子电压 ,可以获得较快的励磁电压响应速度。 由发电机机端获取励磁能量 ,与同 轴励磁机励磁系统相比 ,发电机组甩负荷时 ,机组的过电压也低一些。 其缺点是 :发电 机出口近端短路而故障切除时间较长时 ,缺乏足够的强行励磁能力对电力系统稳定的影 响不如其它励磁方式有利。 由于以上特点 ,使得无励磁机发电机自并励系统在国内外电 力系统大型发电机组的励磁系统中受到相当重视。 2 )它励式半导体励磁系统 它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机 JL 和一台交流副励磁机 FL,三套整流 装置。 两台交流励磁机都和同步发电机同轴 ,主励磁机为 100HZ 中频三相交流发电机 , 它的输出电压经过硅整流装置向同步发电机供给励磁电流。 副励磁机为 500HZ 中频三相 交流发电机 ,它的输出一方面经可控硅整流后作为主励磁机的励磁电流 ,另一方面又经 过硅整流装置供给它自己所需要的励磁电流。 自动调励的装置也是根据发电机的电压和 电流来改变可控硅的控制角 ,以改变励磁机的励磁电流进行自动调压。 图 24 它励式半导体励磁系统原理接线图 它励式半导体励磁系统的优点是 :系统容量可以做得很大 ,励磁机是交流发电机没 有换向问题而且不 受电网运行状态的影响。 缺点是 :接线复杂 ,有旋转的主励磁机和副 励磁机 ,启动时还需要另外的直流电源向副励磁机供给励磁电流。 静止励磁机励磁系统 静止励磁机是指从一个或多个静止电源取得功率 ,使用静止整流器向发电机提供直 流励磁电源的励磁。