第3講勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1、第3講 勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,本講內(nèi)容,概述直流勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型交流勵(lì)磁機(jī)的數(shù)學(xué)模型靜止勵(lì)磁電源的數(shù)學(xué)模型電壓測(cè)量與負(fù)載補(bǔ)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(xué)模型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型典型勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,概 述,勵(lì)磁系統(tǒng)的基本功能是向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組提供直流電流（勵(lì)磁功率、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流），保持發(fā)電機(jī)端電壓或電網(wǎng)某點(diǎn)電壓恒定，控制并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率合理分配。另外，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。,同步電機(jī)機(jī)電數(shù)學(xué)模

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

3、帶可控靜止整流器的勵(lì)磁系統(tǒng),交流勵(lì)磁機(jī)帶不可控靜止整流器的勵(lì)磁系統(tǒng),交流勵(lì)磁機(jī)帶不可控旋轉(zhuǎn)整流器的勵(lì)磁系統(tǒng)—無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng),概 述,勵(lì)磁系統(tǒng)分類及典型接線,靜止勵(lì)磁系統(tǒng),自并勵(lì)靜止勵(lì)磁功率單元,復(fù)合源靜止勵(lì)磁功率單元,有在直流側(cè)并聯(lián)、直流側(cè)串聯(lián)、交流側(cè)并聯(lián)和交流側(cè)串聯(lián)等多種形式,概 述,勵(lì)磁系統(tǒng)分類及典型接線,靜止勵(lì)磁系統(tǒng),例：交流側(cè)串聯(lián)、電壓相加的復(fù)合源靜止勵(lì)磁功率單元,概 述,自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,變阻器型,旋轉(zhuǎn)放大

4、機(jī)型,磁放大器型,晶體管式,集成電路式,基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式,,,,,,,實(shí)現(xiàn)手段,概 述,自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,單一機(jī)端電壓控制,多功能的勵(lì)磁控制,,,控制功能,概 述,自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,比例控制,PID控制,線性勵(lì)磁調(diào)節(jié),自校正調(diào)節(jié)，自適應(yīng)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(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,單一機(jī)端電壓偏差,以電壓偏差為主，附加發(fā)電機(jī)電磁功率、電角速度、系統(tǒng)頻率、發(fā)電機(jī)定子電流

5、、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓以及它們的組合。,,,反饋信號(hào),概 述,自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,設(shè)置有：欠勵(lì)限制；過(guò)勵(lì)限制；過(guò)勵(lì)瞬時(shí)限制器定子電流限制器V/Hz限制器,,保護(hù)與限制,概 述,自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)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(jī)有功功率、機(jī)端電壓的頻率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或它們的組合。輸出：勵(lì)磁調(diào)節(jié),,輔助調(diào)節(jié),概 述,勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,參見(jiàn)：《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 定義

6、》GB/T 7409.1-2008《同步電機(jī)勵(lì)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(xué)出版社，2003《動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析》 清華大學(xué)出版社，2002,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,直流勵(lì)磁機(jī)電路,自勵(lì)、他勵(lì)繞組電阻,勵(lì)磁調(diào)節(jié)電阻,勵(lì)磁回路附加電阻,他勵(lì)繞組匝數(shù)和電感,自勵(lì)繞組匝數(shù)和電感,他勵(lì)、自勵(lì)、復(fù)勵(lì)電流,他勵(lì)繞組的外施電壓,勵(lì)磁機(jī)輸出電壓,假定:(1) 他勵(lì)繞組和自勵(lì)繞組的匝數(shù)相同,

7、或認(rèn)為他勵(lì)繞組匝數(shù)和參數(shù)已折算到自勵(lì)繞組側(cè)；(2) 勵(lì)磁機(jī)無(wú)漏磁;(3) 額定轉(zhuǎn)速,并用空載特性代替負(fù)載特性.,建立:,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,勵(lì)磁機(jī)基本方程,,,,不計(jì)磁路飽和下,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,計(jì)及飽和作用,與,的關(guān)系,氣隙線斜率,,與,的關(guān)系,氣隙線斜率,,勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速,,?,存在如下關(guān)系,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,計(jì)及飽和作用,直流勵(lì)磁機(jī)的飽和系數(shù)定義,直流勵(lì)磁機(jī)的飽和系數(shù)定義,反映了直流勵(lì)磁機(jī)飽和程度大小。為uf的函數(shù).

8、,可由勵(lì)磁機(jī)飽和負(fù)載特性曲線作出，或擬合成近似函數(shù)：,一般是非線性關(guān)系,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)有名制傳遞函數(shù),,,,自勵(lì)繞組時(shí)間常數(shù),,它勵(lì)繞組時(shí)間常數(shù),,勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù),直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)標(biāo)幺制傳遞函數(shù),基值選取的準(zhǔn)則,以發(fā)電機(jī)忽略飽和時(shí)空載額定電壓運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁機(jī)氣隙線相應(yīng)的電量作為電量的標(biāo)幺制基值.,便于和發(fā)電機(jī)、電壓調(diào)節(jié)器接口,自勵(lì)繞組,他勵(lì)繞組,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)標(biāo)幺制傳遞函數(shù),標(biāo)幺制形式,式中,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)

9、模型,數(shù)學(xué)模型的框圖表示,兩種特殊情況,(1) 無(wú)復(fù)勵(lì)電流時(shí)，令 則,(2) 僅有他勵(lì)時(shí)，令,式中,,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,和發(fā)電機(jī)、AVR的接口問(wèn)題,(1) 和發(fā)電機(jī)接口,可以證明:,可以證明：,勵(lì)磁系統(tǒng)輸出與發(fā)電機(jī)的,模型直接接口，即可把勵(lì)磁機(jī)出口電壓標(biāo)幺值,取為,(2) 和AVR的接口,,且等于AVR輸出電壓標(biāo),幺值，則AVR輸出和勵(lì)磁機(jī)輸入可直接接口。,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型小結(jié),可直接與AVR輸出接口,,,,,可直

10、接與發(fā)電機(jī)輸入接口,由框圖或數(shù)學(xué)表達(dá)式可見(jiàn)，直流勵(lì)磁機(jī)可用一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)表示。,直流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型小結(jié),《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,KE: 描述有自勵(lì)分量勵(lì)磁機(jī)的特性。它勵(lì)時(shí)KE=1,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,交流勵(lì)磁機(jī)為同步電機(jī)。勵(lì)磁機(jī)定子的交流輸出經(jīng)三相不控或可控橋式整流器整流后供給發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。,從理論上講，其數(shù)學(xué)模型可以采用同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型或?qū)嵱媚Ｐ蛠?lái)

11、描述，但過(guò)于復(fù)雜。通常是把同步機(jī)的數(shù)學(xué)模型經(jīng)簡(jiǎn)化后用于描述交流勵(lì)磁機(jī)。,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,以不可控靜止整流器他勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)為例,簡(jiǎn)化：采用同步電機(jī)三階實(shí)用模型，并忽略暫態(tài)凸極效應(yīng)，電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。,,勵(lì)磁機(jī)的定子電流經(jīng)整流后才接入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的。,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,以不可控靜止整流器他勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)為例,勵(lì)磁機(jī)的定子電流經(jīng)整流后才接入發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的。,與,在一定運(yùn)行工況附近,,可近似為正比關(guān)系：,,,與,關(guān)系,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)

12、學(xué)模型,以不可控靜止整流器他勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)為例,與,關(guān)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(yùn)行模式。當(dāng)小于60?時(shí),Xr---整流器的換相電抗,換相壓降,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,以不可控靜止整流器他勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)為例,標(biāo)幺制：以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電壓基值除兩邊,若IN>1，則FEX=0,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,以不可控靜止整流器他勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)為例,與,關(guān)系,由,到,存在換相壓降,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,以不

13、可控靜止整流器他勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)為例,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,以不可控靜止整流器他勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)為例,,簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)框圖,在大規(guī)模電力系統(tǒng)分析中應(yīng)用,交流勵(lì)磁機(jī)數(shù)學(xué)模型,《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,詳細(xì)模型,簡(jiǎn)化模型,靜止勵(lì)磁功率單元數(shù)學(xué)模型,《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,電勢(shì)源型---模型

14、1,電勢(shì)源型---模型2,靜止勵(lì)磁功率單元數(shù)學(xué)模型,《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電力系統(tǒng)研究模型》 GB/T 7409.2--2008,交流側(cè)串聯(lián)，電壓相加的復(fù)合源靜止勵(lì)磁功率單元,典型勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,以典型的可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁系統(tǒng)為例,系統(tǒng)結(jié)構(gòu),典型勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,以典型的可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁系統(tǒng)為例,傳遞函數(shù)框圖,典型勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,以典型的可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁系統(tǒng)為例,簡(jiǎn)化的傳遞函數(shù)框圖,忽略量

15、測(cè)環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，忽略電壓調(diào)節(jié)器的超前滯后環(huán)節(jié)。,典型勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,以典型的可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁系統(tǒng)為例,勵(lì)磁系統(tǒng)基本方程,忽略限幅環(huán)節(jié)作用,典型勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,以典型的可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁系統(tǒng)為例,狀態(tài)方程,初值確定,典型勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,以典型的可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的勵(lì)磁系統(tǒng)為例,注意：,在暫態(tài)穩(wěn)定分析中應(yīng)計(jì)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(dòng)態(tài)分析。,其它勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型請(qǐng)參考相關(guān)文

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