同步发电机调速系统仿真设计.docx

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同步发电机调速系统仿真设计

同步发电机调速系统仿真设计

摘要：

频率是评价电能质量的指标之一。

系统频率由发电机与负荷的有功功率平衡情况决定。

由于电力系统的负荷随时都在变化，所以通过引入调速系统使电力系统的频率在规定范围内。

本文在研究了大量文献的基础上，做了如下工作：

论文首先介绍了频率对电力系统的影响以及研究调速器的意义以及发展。

然后介绍了原动机在电力系统中的作用，水轮机、汽轮机系统的模型。

本文采用模块化建模的方法，将调速系统分为调速器、原动机、发电机三个部分。

分别对其建模，得到整个系统的模型。

运用隐式梯形积分法将微分方程转化为差分方程。

在研究水轮机模型时着重考虑了水锤效应的影响，在研究汽轮机模型时考虑了蒸汽容积效应的影响。

然后研究了加入同步发电机组的动态特性,通过改变汽轮机或水轮机开度改变输出的机械功率。

然后通过改变调速系统的参数观察其动态特性的变化，得到了其对控制系统的影响。

最后在控制理论角度，通过画系统开环的奈奎斯特图和波特图，闭环系统的零极点分析了其动态特性。

关键词：

频率；原动机；调速器；动态仿真；

Thesimulationdesignofsynchronousgeneratorgoverningsystem

Abstract：

Frequencyisonetargetofevaluatingthequalityofelectricenergy,thefrequencyisdeterminedbythebalanceactivepowerbetweenthegeneratorandtheload.Astheloadofthepowersystemchangesallthetime,thus,wecanintroducetheprimermovergoverningsysteminordertolimitchangesoffrequency.Basedonthesummarytoasystemalotofliteratures,thisthesissummarizethestudiesthatfrequencyaffectsthepowersystemandthemeaningofstudyingprimermover.thenintroducetheeffectoftheprimertothepowersystem、hydro-turbine、andsteam-turbinemodel,thepaperadoptsthemodulemodelingmethod,dividesgoverningsystemintothreepartslikeprimermover,governor,synchronousgenerator,modelthemseparatelybymathematics,thusthewholesystemisestablished.Andthendifferencethesimultaneousdifferentialequationsbytheimplicittrapezoidintegralmethod,thenanalysisthedynamiccharacteristicsofhydro-turbinegoverningsystemandsteam-turbinegoverningsystem.Intheresearchofhydro-turbinepartmainlyconsideringtheeffectofwaterhammer.Andintheresearchofsteam-turbinepartmainlyconsideringtheeffectofvaporvolume.Andthenstudythedynamiccharacteristicsofaddingthegenerator.Itrealizesthepowerregulationbycontrollingthevalueopeningofthestream-turbineorthehydraulicconductivityvaneofthehydro-turbine.Itobservesthedynamiccharacteristicsbychangingtheparametersofthegovernor,Igettheeffecttocontrolsystem.Atlast,intheviewofthecontroltheory,drawingnyquistgraphandbodegraphoftheopenloopsystemandthepole-zeromapofthecloselooptostudythedynamiccharacteristics.

Keywords:

frequency;primemover;governingsystem;dynamiccharacteristics;

1引言

1.1频率对电力系统的影响

1.1.1频率变化的概述

系统频率的变化是由于系统的负荷和原发电机输出功率功率之间失去平衡所致，而发电机的输出有功功率又是由原动机的输出有功功率决定的，因此调频和有功功率调节时不可分开的。

由于电力系统的负荷是不断变化的，而原动机输出功率的变化是缓慢的,因此电力系统的频率波动是难免的。

电力系统频率的变化，对生产率以及发电厂间的负荷分配都有直接的影响。

所以，电力系统运行中的主要任务之一，就是对频率进行监视和控制。

当系统机组输入功率与负荷功率失去平衡而使频率偏离额定值时，控制系统必须调节机组的出力，以保证电力系统的频率的偏移在允许范围之内（一般允许偏差不得超过±0.2HZ，我国某些电力系统以±0.1HZ作为频率偏差合格范围的考核指标）。

1.1.2频率调整的必要性

电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利影响，所以必须保持频率在额定值50HZ上下，且偏移不超过一定范围、

电力系统频率变动时，对用户的影响有：

用户使用的电动机的转速与系统频率有关。

频率变化将引起电动机转速的变化，从而影响产品的质量。

例如：

纺织工业、造纸工业等都将因频率变化而出现残次产品。

近代工业、国防和科学技术都已广泛使用电子设备，系统频率的不稳定将会影响电子设备的工作。

雷达、电子计算机等重要设施将因频率过低而无法运行。

频率变动对发电厂和系统本身也有影响：

火力发电厂的主要厂用机械——风机和泵，在频率降低时，所能供应的风量和水量将迅速减少，影响锅炉的正常运行。

低频率运行还将增加汽轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至是叶片断裂。

低频率运行时，发电机的通风量减少，为了维持正常电压，有要求增加励磁电流，以致使发电机定子和转子的温升都将增加。

为了不超越温升限额，不得不降低发电机所发功率。

低频率运行时，由于磁通密度的增大，变压器的铁芯损耗和励磁电流都将增大。

也为了不超越温升限额，不得不降低变压器的负荷。

频率降低时，，系统中的无功功率负荷将增大。

而无功功率负荷的增大又将促使系统电压水平的下降。

总之，所有设备都是按系统的额定频率设计的，系统频率质量的下降将影响各行各业。

而频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电。

调整系统频率的主要手段是发电机组原动机的自动调速系统，或简称自动调速系统，特别是其中的调速器和调频器。

1.2调速系统的背景意义和国内外研究现状

1.2.1调速系统的背景意义

随着人们生活质量的提高，人们对电能质量的要求也越来越高。

而频率作为衡量电能质量的三大因素之一，对电力系统的安全运行起决定性作用。

在电力系统负荷发生改变时，系统发电机的有功功率和负荷的有功功率发生了不平衡，引起了系统频率的变化。

调速系统的作用即使频率保持在一定范围内波动。

调速系统可以分为一次调频和二次调频。

一次调频即启动调速系统的调速器，使原动机增加输出的有功功率，达到功率平衡，为有差调节。

频率不会回到额定值，比额定值偏小。

二次调频即启动调速系统中的调频器，使原动机增加输出的有功功率，达到功率平衡，如果发电机增发的有功功率恰好等于负荷增加的功率，则频率保持不变。

但是由于调速系统各个环节的非线性、发电机的传递函数随工况而改变的时变特性及随时发生电力系统的扰动使得调速系统的控制十分困难。

原动机调速系统是影响电力系统机电瞬时过程的重要因子。

它的特性不仅影响发电机的有功功率和频率，而且对电力系统的暂态稳定性影响极大。

因此，对原动机调速系统模拟是十分必要的。

同时，在分析电力系统暂态稳定时，假设原动机的机械功率在整个过程中保持不变，这是考虑了调速系统的失灵区。

而且，其中各个环节的时间常数比较大。

但由于调速系统的日益发展，失灵区、时间常数都在变小。

调速系统对暂态稳定影响也越来越大。

1.2.2调速系统的国内外现状

纵观国内外原动机调速系统的发展，其基本规律仍为以PID调节为基础。

近年来，国内外都在研究神经元网络、遗传算法等新型调节规律。

这些研究在理论和工程实践中对调速器发展起到了积极作用。

神经元网络优化计算方法的主要思想是：

利用非线性大规模的电力系统的特征，将优化计算问题映射为神经网络的动态演变过程。

这是优化问题的目标函数就映射为神经网络的能量函数。

由于神经网络能量函数的极小点对应于系统的稳定平衡点，于是求解能量函数的极小点变换成求解系统的稳态平衡点。

任意给定系统的一个初始状态，随着时间的演变，网络运行的轨道总是向着能量函数减小的方向运动，最终达到系统的平衡点。

这样，优化问题也就在网络系统的演化中悄悄完成了。

神经元网络优化方法是一种比较新的方法，在许多领域已经得到应用，但美中不足的是在优化过程中，其最优解容易陷入局部最优的循环中，从而影响了优化结果的优良性。

遗传算法是一种思想上和方法上很新的全局搜索的优化的方法，以其简单通用、方法灵活、鲁棒性强、适合于并行处理和适应性好的特点，在人工智能、系统工程、经济管理等各个领域得到了广泛的应用的到了广泛的运用。

算法本身不要求对优化问题的性质做深入的数学分析，这位不太熟悉的数学分析和算法的科研人员使用该方法提供了很大的方便。

遗传算法也有缺点：

1）遗传算法本身属于无约束算法，如何让处理好约束在很大程度上影响了算法的效率；2）由于遗传算法仍属于随机优化算法，不能保证全局得到最优解，计算量大，所需时间长。

对于这种算法应该考虑防止早熟，加快收敛速度，采用适合处理的方法处理约束条件。

因此需要改进。

1.3原动机及其调速系统在电力系统中的作用

1.3.1原动机及其调速系统在电力系统中的作用

1）能自动调节发电机的转速，在同步发电机并入电网后，通过调节转速控制发电机的有功功率的输出，进而来调整系统的频率。

2）当发电机组并列运行时，调速器自动承担负荷的分配，使各机组能实现经济运行。

3）在电网发生故障时，调速系统影响不仅发电机的机电暂态过程，而且还影响发电机的有功平衡，影响系统暂态稳定和同步运行。

1.3.2原动机调速系统的控制

电力系统中向发电机提供机械功率和机械能的机械装置，如汽轮机、水轮机等统称为原动机。

为了控制原动机向发电机输出的机械功率，并保持电网的正常运行频率，以及在个并列运行的发电机之间合理分配负荷，每一台原动机都配置了调速器。

调速系统一般通过控制汽轮机汽门的开度和水轮机导水叶的开度实现功率和频率的调节。

通过改变