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同步电机励磁系统电力系统研究用模型ExcitationsystemforsynchronouselectricalmachinesModelforpowersystemstudiesGB/T7409.2—1997前言本标准是对GB7409—87的修订。GB7409—87执行七年来，技术已有新的发展，其中有些内容IEC已制定了国际标准。为适应技术发展的要求和贯彻积极采用国际标准的精神，原标准需作修订。为便于采用IEC标准和今后增补、修订标准的方便，经技术委员会研究，将GB7409改编为系列标准：修订后的GB7409.1等同采用IEC34-16-1：1991；GB7409.2等同采用IEC34-16-2：1991，至于GB7409.3，由于IEC目前还没有相应的标准，此部分是根据GB7409执行七年的情况并参考了美国IEEEstd421.1—1986、421.A—1978、421.B—1979和原苏联ГОСТ21558—88等标准编写的。本标准规定了适用于电力系统稳定性研究的励磁系统模拟简图及相应的数学模型，以及其包括的参数和变量的术语定义。本标准的附录A、附录B、附录C、附录D都是标准的附录；本标准的附录E是提示的附录。本标准由全国旋转电机标准化技术委员会汽轮发电机分技术委员会提出并归口。本标准主要负责起草单位：哈尔滨大电机研究所。主要起草人：忽树岳。GB/T7409.2—1997IEC前言1)IEC(国际电工委员会)是由所有国家的电工技术委员会(IEC国家委员会)组成的世界范围内的标准化组织。IEC的目的是促进电工和电子领域内所有有关标准化问题的国际间的合作。为此目的和除其他活动之外，IEC出版国际标准。这些标准是委托各个技术委员会制定的；对所讨论的主题感兴趣的任何一个国家委员会都可以参加起草工作，与IEC有联系的国际的，政府的和非政府的组织也可以参加起草工作。IEC和ISO(国际标准化组织)按两大组织之间共同确定的条件紧密合作。2)IEC关于技术问题的正式决议或协议是由代表各国家委员会专门利益的技术委员会所制定的，这些决议或协议都尽可能充分地表达了国际上所涉及的问题的一致意见。3)这些决议或协议均以标准、技术报告或导则的形式出版且以推荐的形式供国际上使用，并在此意义上为各国家委员会所承认。4)为了促进国际上的统一，IEC各国家委员会应尽最大可能在各自的国家和地区标准中明确地采用IEC国际标准，并应清楚地指明IEC标准与对应的本国或本地区标准之间的某些分歧。5)IEC对任何申明符合其某些标准的设备不提供表明它已被认可的标记过程，并且也不对其负责。GB/T7409.2—1997IEC序言本报告由No.2旋转电机技术委员会制定。本报告的原文以下述文件为根据六月法表决报告2(CO)5322(CO)547对批准本报告而进行的表决的全部资料，可以在上表指出的表决报告内查找到。本报告形成了有关旋转电机系列出版物的第16部分的第2章，其它各部分是：第1部分定额与性能，出版编号：IEC34-1第2部分根据试验确定旋转电机损耗与效率的方法(牵引电机除外)，出版编号：IEC34-2第3部分涡轮型同步电机的特殊要求，出版编号：IEC34-3第4部分试验确定同步电机参数的试验方法，出版编号：IEC34-4第5部分旋转电机的外壳防护等级，出版编号：IEC34-5第6部分旋转电机冷却方法，出版编号：IEC34-6第7部分旋转电机的结构与安装形式代号，出版编号，IEC34-7第8部分旋转电机的线端部标记和旋转方向，出版编号，IEC34-8第9部分噪声限值，出版号：IEC34-9第10部分描述同步电机的通则，出版编号：IEC34-10第11部分装入式热保护第1章旋转电机的保护准则，出版编号：IEC34-11第11-2部分装入式热保护第2章热保护系统用的热探测器和控制元件，出版编号：IEC34-11-2第11-3部分装入式热保护第3章热保护系统用的热探测器的通则，出版编号：IEC34-11-3第12部分电压660V及以下的单速、三相鼠笼形感应电动机的起动特性，出版编号：IEC34-12第13部分矿用辅助电动机的技术条件，出版编号：IEC34-13第14部分中心高56mm及以上的电机的机械振动——振动强度的测量、评定与限值，出版编号：IEC34-14第15部分带有成型定子线圈的交流电机的耐冲击电压水平，出版编号：IEC34-15第16-1部分同步电机励磁系统第1章定义。出版编号：IEC34-16-1。中华人民共和国国家标准同步电机励磁系统电力系统研究用模型GB/T7409.2—1997ExcitationsystemforsynchronouselectricalmachinesModelforpowersystemstudies国家技术监督局1997-04-10批准1998-04-01实施在电力系统稳定性研究中，当同步电机的运行状态已被准确地模拟，则电机的励磁系统也应相应地模型化。由于受数据取得、编程和计算的费用的限制，在允许情况下采用具有适当精度的简化模型是必要的。这些模型应适用于表现下述时间的励磁系统性能。——到所研究的故障发生前的稳态条件时；——从使用到故障清除的时间间隔时；——故障清除后振荡时间。模型化不考虑频率偏差，假定在稳态研究中，对励磁系统，当频率偏差为±5%额定值时，可以忽略。励磁系统模型对于稳态条件，对于在频率范围内的同步电机固有振荡频率应当是有效的。这个频率范围典型的是从0Hz到3Hz。失步运行、次同步共振或扭矩影响的分析不包括在模型使用范围内。保护功能和磁场放电与灭磁设备的动作也不包括在模型使用范围内。励磁系统模型化方法和标准模型也可能用于与同步电机有关的其它动态问题的研究。然而，应当检查一下模型，以确定它是否适用研究目的。图1同步电机励磁系统(虚线框内部分)通用框图在电力系统研究中，所涉及的各种励磁系统的部件在图1通用功能框图中已给出。图1中的通用功能方块图指明在电力系统稳定性研究中已经考虑过的各种励磁系统部件。这些部件包括：——电压控制元件——限制器——电力系统稳定器(如果使用)——励磁功率变流器(励磁机)功率部分的主要区分特征是励磁功率提供与变流的方式。1适用范围本标准规定的励磁系统模拟简图及相应的数学模型，以及其中包括的参数和变量的术语定义适用于电力系统稳定性研究。所使用术语的定义已在GB/T7409.1—1997中给出。2励磁机分类——图示法及稳定性研究的数学模型2.1直流励磁机近年来，虽然新机组已很少采用直流励磁机，但还有许多运行中的同步电机装有这类励磁机。图2就是一种采用它励绕组的直流励磁机简图，图3表示该直流励磁机的模型。模型中用术语KE来描述自励励磁机的特性。注意：采用它励励磁机时KE=1。图2采用一个它励绕组的直流励磁机图3与图2相对应的模型励磁控制采用下列几种形式：——电—机械式操作的变阻器；——电动机操作变阻器；——周期性接通和短路磁场的分流电路；——采用辅助的他励磁场电源，起增、减磁作用；——利用在磁场绕组中串联交磁放大机，起增减磁作用。考虑机组装直流励磁机的几率减小和重要程度，对上述励磁控制形式，统一用图3的简图描述即可满足要求。2.2交流励磁机交流励磁机，利用交流发电机带静止或旋转整流器，给同步电机提供励磁电流。采用可控的或不可控的整流器。采用不可控整流器时，可通过一个或多个交流励磁机磁场绕组去控制整流器输出。分清提供交流励磁机磁场电流的电源，是模拟该励磁机的基础。该电源可为辅助副励磁机，也可为电压或复合静止电源。图4表示交流励磁机带不可控静止整流器的简图。由交流发电机供给静止整流器电源，整流器的输出经电刷和滑环给同步发电机的磁场绕组。励磁机的旋转磁场绕组到励磁控制设备也是通过滑环和电刷进行电联接的。图5表示交流励磁机(无刷励磁机)带不可控旋转整流器和永磁式辅助励磁机的简图，励磁控制设备的电源由永磁机提供。整流器和交流励磁机的电枢与同步电机同轴旋转，旋转整流器的输出不需用滑环或电刷，而直接与同步电机的磁场绕组联接。图4带不可控静止整流器的交流励磁机图5带不可控旋转整流器的交流励磁机(无刷励磁机)图6交流励磁机详细模型图7交流励磁机简化模型图交流励磁机的模拟，如图6所示。该图用以描述励磁机带负载时的稳态和瞬态特性(在某些情况下考虑到瞬时负载影响，需用更详细的模型)。交流励磁机的简化模型见图7。用负载的饱和曲线虽然只能描述其稳态负载特性，但可以满足许多研究的要求。还应指出，采用简化的模型不可能获得全部数据。2.3电势源静止励磁机图8电势源静止励磁系统电势源静止励磁机采用整流变压器，电源取自装在与同步电机同轴的辅助发电机或取自与主发电机电压无关的辅助母线或取自同步电机的输出端。后者称作自并励静止励磁系统，取该系统的电压变量进行性能描述和模拟。这种系统的简化表示法，如图8所示。可控整流装置采用全控桥，也可采用一半可控硅、一半二极管的半控桥。常常通过控制触发角，可限制所给出电压UP+、UP的绝对值。半控桥线路不能逆变，UP-的值等于零。最常用的可控整流桥只允许正向励磁电流通过。若同步电机端扰动引起负的磁场电流，图9的计算机模型对此就不再是有效的了，在这种情况下，同步电机磁场绕组的电压不再受调节器的控制，而决定于其他因素，这不在本文范围内论述。图9电势源励磁系统模型及简化模型图10直流侧串联、电压相加的复合源静止励磁机对正向和负向电流都允许的设备，只能在特殊条件下使用。在上述条件下，图9为适用于这种系统的计算机模型。图11对应图10的励磁机模型图12交流侧电源并联电流相加的复合源静止励磁机图13复合源励磁机总模型2.4复合源静止励磁机复合源静止励磁机采用电流电压源(取自同步电机)供电的两种整流变压器。设计的形式有多种，这里说明常用的三种形式。第一种形式，图10给出了整流器直流侧两个电源串联电压相加的原理图。电流源变压器具有特殊的磁路设计或使用专门的电抗器。图11给出相应的模型。第二种形式，图12给出了整流器交流侧两个电源并联、电流相加的原理图。电势源变压器具有特殊的磁路设计或使用图中示出的专用电抗器。通过可控整流器控制总电流的分流量来完成控制。另一种设计方式，是使用特殊的电机内部绕组提供电势源，也可考虑把发电机输出电流做为第二电源。图13为计算机模型，对于上述前两种系统，该模型充分概括地考虑到了所有的设计参量。进一步改变一下这个系统，通过控制电流源变压器的饱和程度，达到对励磁机输出的控制。该系统如图14所示，计算机模型见图15。图14交流侧两个电源电流相加的复合源静止励磁机某些形式的复合源励磁机的电势源和电流源，不使用双绕组变压器，设计中使用的是三绕组变压器，在磁路上完成电源的复合。图13和图15的数学关系及框图适用于这些系统。2.5用于控制系统的数学模型系统稳定性研究的大部分工作在于收集整理并确定与该系统研究有关的数学模型数据。对系统进行适当地简化会减少许多繁琐工作，但有时这种简化也会受到限制。例如，当要计算超过转子角第一次摆动以外的特性时，使用简化的模型会带来许多困难，因为现代电网的电力系统稳定性通常要经过数秒或数次振荡后方能确定。因此，在某种情况下，模型是不能简化的。图15对应图14的模型通常，不同制造厂家的设备都具有相同的基本励磁控制功能，该功能可用广义的PID-控制来进行数学描述。因此可用标准形式来表示励磁控制的基本部分。在图16的PID控制图中，第一个框内的时间常数TC2、TB2表示微分函数(D)，另一个框中的TC1、TB1和增益KR表示PI函数。输出限值Urmax、Urmin具非饱和的作用，如防止积分超出此限制。饱和和非饱和间的比较，见附录D。限制器工作时的电路相当于信号选择器。在特殊情况下，把标准模型不适用也不需要的项分别置“1”或“0”。有时须给出滞后时间常数的最小值，来调整数字计算的时间，避免在计算中的数据不稳定。有时由非饱和输出限制构成比例—积分函数，如图17所示，反馈部件中的比例放大器提供该输出限制。图17还给出表达图16各项组成的代数关系。当表达非饱和输出限制时，用图16的结构