基于matlab的同步发电机组建模与仿真.docx

1、基于matlab的同步发电机组建模与仿真基于matlab的同步发电机组建模与仿真 基于matlab的同步发电机组建模与仿真 I 基于 MATLAB 的同步发电机组建模与仿真 摘要 随着电网的规模越来越大，电力系统的运行也随之越来越复杂。 同步发电机及其控 制系统作为电源是电力系统中的重要组成部分，其性能对电力系统有着极大的影响，直 接关系到系统的稳定运行。 为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电机 组特性进行深入的研究。 而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性随着 机组的运行状态而不断变化，所以建立机组的模型并进行仿真研究是掌握发电机动态特 性，评价其各个控制系统性能的

2、有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到很大的 作用。 同步发电机组模型的建立将涉及到机组的机理分析，有利于从理论建模中引出新 的设计方法，为优化设计提供理论依据。 本文将对同步发电机及其励磁系统、调速系统 的数学模型进行研究，利用 MATLAB/Simulink 搭建同步发电机组的仿真模型，建立单机 无穷大系统，最后对模型进行仿真，并分析仿真结果。 关键词：电力系统；单机无穷大系统；MATLAB/Simulink；仿真；同步发电机组 华北电力大学本科毕业设计（论文）摘要 II SYNCHRONOUS GENERATOR UNIT MODELING AND SIMULATION BASED

3、ON MATLAB Abstract With the enlargement of the power grid scale, the operation of the power system is becoming more and more complex. As supply unit of the system, synchronous generator and its control system plays an important part in the power system. Their performance also imposes great influence

4、 to the power system and has a direct connection with the power system stability. In order to ensure the safe and economic operation of the power system, we shall do a profound research on the synchronous generator unit characteristics. However, the operation of the synchronous generator unit is a e

5、xtremely complex process. Its dynamic characteristics are subject to the changing states of the unit operation. Therefore, it is efficient to build a unit model and do simulations research to acquire the dynamic characteristics of the unit, and evaluate the performance of each control system. This w

6、ill also play a great role in the staff training and researches. The building of the synchronous generator unit model will involve the mechanic analysis of the unit, do favor to deduce new designing methods from theoretical model building and provide theoretical basis to the optimization design. In

7、this paper the mathematical model of the synchronous generator and its excitation system, speed regulating system will be researched; the simulation model of synchronous generator unit will be built based on MATLAB/Simulink; a single-unit infinite system will be established; finally simulate the mod

8、el and verify the accuracy of the model. Key Words: Power System; Single-unit Infinite System; MATLAB/Simulink; Simulation; Synchronous Generator Unit 华北电力大学本科毕业设计（论文）目录 i 目 录 摘要I AbstractII 1 绪论1 1.1 课题背景和意义1 1.2 电力系统仿真发展现状1 1.3 本课题所完成的主要工作2 2 同步发电机组数学模型4 2.1 同步发电机数学模型4 2.1.1 同步发电机数学建模概述4 2.1.2 同步发

9、电机基本方程4 2.1.3 同步发电机三阶模型4 2.1.4 单机无穷大系统7 2.2 励磁系统数学模型8 2.2.1 同步发电机励磁自动控制系统概述8 2.2.2 同步发电机励磁自动控制系统数学模型8 2.3 调速系统数学模型10 2.3.1 同步发电机组调速控制系统概述10 2.3.2 同步发电机调速系统数学模型11 3 基于 MATLAB 同步发电机组仿真 12 3.1 MATLAB 介绍 12 3.1.1 MATLAB/Simulink12 3.1.2 常用 Simulink 库模块13 3.2 同步发电机组仿真的初值计算14 3.3 同步发电机组仿真模型15 3.3.1 同步发电机模

10、型16 3.3.2 同步发电机励磁自动控制系统仿真模型17 3.3.3 同步发电机调速系统仿真模型18 3.4 系统仿真及结果分析18 3.4.1 稳定运行19 3.4.2 系统电压突增或突降20 3.4.3 增加励磁系统给定电压21 3.4.4 增加调速系统给定功率23 华北电力大学本科毕业设计（论文）目录 ii 3.4.5 三相突然短路24 4 结论与展望26 参考文献27 致谢28 华北电力大学本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 课题背景和意义 随着现代电力系统网络规模的不断扩大和电网电压等级的不断升高，电力系统规划、 运行和控制的复杂性亦日益增加。 同步发电机及其控制系统作为电

11、力系统的重要组成部 分，其性能对电力系统有着极大的影响，直接关系到电力系统运行的安全和稳定。 为了使电力系统安全而经济地运行，我们必须对同步发电机组特性进行深入的研究。 而同步发电机组运行是一个相当复杂的过程，其动态特性随着机组的运行状态而不断变 化，所以建立机组的模型并进行仿真研究是掌握发电机动态特性，评价其各个控制系统 性能的有效手段，并且对工作人员的培训和研究将起到很大的作用。 同步发电机组模型 的建立将涉及到机组的机理分析，有利于从理论建模中引出新的设计方法，为优化设计 提供理论依据。 1.2 电力系统仿真发展现状 自 20 世纪 40 年代以来，用计算机方法去研究系统的特性成为科学发

12、展的时尚。 仿 真技术是一门多学科综合的应用技术科学，也是一门近年来发展迅速的新兴学科。 仿真 就是建立系统的模型(数学模型、物理效应模型或数学物理效应模型)并在模型上进行 实验1。 随着电力系统发展的越来越庞大，电力系统的运行也随之越来越复杂，并且计算机 应用技术发展迅速，电力系统的动态实时计算机仿真系统由于其精度高、改变参数方便、 重复性好等优点，已经逐渐取代传统的物理仿真系统2。 电力系统数字仿真是在计算机上 为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程。 电力 系统数字仿真因具有不受原型系统规模和结构复杂性限制,能保证被研究系统的安全性, 且具有良好的经济性、

13、方便性等优点,在电力系统各个领域中已获得了广泛应用。 目前，电力系统的仿真技术可以总结归纳如下3： 1) 电力系统离线仿真技术：电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理 过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程。 在建立数学模型时，往 往忽略一些次要的因素，因而常常是一个简化的模型。 目前，电力系统离线仿真软件， 对不同的动态过程采用不同的仿真方法，主要有电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真 和中长期动态过程仿真 3 种。 2) 电力系统实时仿真技术：电力系统实时仿真系统大概经历了三个历史阶段，基于 相似理论的以实际旋转电机为代表的电力系统动态模拟仿真系统、数模混合式实时仿

14、真 系统、全数字实时仿真系统。 我国电力系统实时仿真的发展历程基本跟踪了国际上电力 系统实时仿真发展不同阶段的最新技术。 在同步发电机的建模与仿真研究方面，使用的仿真工具有多种。 它们在建立同步发 华北电力大学本科毕业设计（论文） 2 电机模型的方法上各有不同，在研究同步发电机不同问题上也是各有侧重与优势。 目前， 关于同步发电机组的常用仿真软件可以总结如下： 1) Saber 仿真软件4 Saber 具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号的器件模型，采取的是组合仿真 方式。 在 Saber 软件平台上对同步发电机进行建模和仿真既简捷又有效。 Saber 建模分两 个步骤：首先编写器件的模板

15、，它是用 Mast 语言编写的源程序,用于描述器件的工作性能； 然后利用 Saber 提供的 Symbol Edit 为第一步编写的器件画出元件图，在该图属性列表中 填入 primitive 为模板名，实现该图与模板的连接。 在建立同步发电机组数学模型时，由 于不要求电机方程的解析解,电机的数学模型就采用实际的电机模型,电压与磁链方程不必 进行坐标变换。 2) Maxwell 2D 仿真软件5 随着计算机在数值计算领域的广泛应用，尤其是有限元法分析在电磁场中的应用， 采用电磁场方法精确计算电机的动态问题已成为可能。 利用 ANSOFT 公司的 Maxwell 2D 软件提供的二维有限元仿真环境

16、建立的同步发电机的二维有限元模型，可以直观地看到 电机磁场的分布情况。 选择气隙中的一个点，可以计算气隙的磁密，并以表格形式记录 下来；可以看到静态下 B与 Ff 的曲线；可以得到电机的空载特性。 3) PSPICE 仿真软件6 SPICE 是世界著名的模拟电路仿真标准工具，PSPICE 是 MicroSim 公司当今众多 SPICE 不同分支中的一种，是用在 PC 机上作电子线路设计模拟和仿真的软件包。 PSPICE 5.0 的特点是能够针对具体的电路模型，采取相应的无源器件、有源器件和电源 模型进行描述，然后作出包括直流分析、交流分析和瞬态分析等相应的分析。 因此，利 用 PSPICE 5

17、.0 对同步发电机进行数字仿真，研究其数学模型，并将其转换为相应的 PSPICE 电路模型，获得发电机三相短路数据，解决了由于同步发电机内部结构及与之相 应的数学模型所具有的独特复杂性, 电气设计人员一直为三相短路精确仿真问题所困扰的 问题。 PSPICE 是根据电路输入文件完成相应的模拟，也就是通过 PSPICE 的编程来描述 同步发电机的数学模型，实现同步发电机的建模。 4) DSP(TMSF240)仿真软件7 基于 DSP(TMSF240)的同步发电机实时仿真系统是系统集检测、分析、报警于一体， 并可以方便地进行同步发电机的多种工况下的过渡过程和动态行为的实时仿真。 它能取 代现实中的同

18、步发电机组与待测励磁调节器构成的闭环系统，从而检测出励磁调节器性 能。 在建模与仿真的实现方法上，该系统需要设计软硬件，采用主从 CPU 结构，由主控 模块、仿真计算核心模块、输入输出模块和定时中断模块组成软件部分。 1.3 本课题所完成的主要工作 本文是对同步发电机组进行建模与仿真，并分析所建模型的正确性。 本课题是在研 华北电力大学本科毕业设计（论文） 3 究同步发电机组的数学模型基础上，研究单机无穷大系统的状态方程组及励磁系统和调 速系统的传递函数，在 Matlab/Simulink 环境下搭建同步发电机组的单机对无穷大系统， 分析仿真结果。 主要工作如下： 1) 在阅读和研究国内外关于

19、发电机组建模和仿真的文献基础上，结合同步发电机组 特点，构思出整体的同步发电机组的设计方案。 2) 研究同步发电机组数学模型，结合参考文献，得出单机对无穷大系统的状态方程， 以及励磁系统和调速系统的传递函数。 3) 在 Matlab/Simulink 环境下，搭建单机无穷大系统状态方程和励磁系统、调速系统 传递函数，实现同步发电机组的仿真模型。 4) 研究仿真中的初始化问题，对本课题的仿真模型相关变量进行初始化计算，并对 模型相关参数进行设置，最后进行仿真，分析结果。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 4 2 同步发电机组数学模型 2.1 同步发电机数学模型 2.1.1 同步发电机数学建模概述 同步发电机是电力系统非常重要的元件，它是一种集旋转与静止、电磁变化和机械 运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而其动态性能又对 全电力系统的动态性能有极大的影响。 建立的同步发电机模型的类型、精度直接影响着 暂态稳定数字仿真的效果，通常在建模之前，为了简化分析，一般均假设同步电机为理 想同步电机8。 在分析电力系统暂态稳定中，同步电机实用模型最重要的简化假定是:忽 略定子绕组暂态过程，从而令定子电压微分方程中,这样就把它化为代数方 0 dq pp 程。 另一假定是定子电压方程中,