发电机励磁系统的数学模型

1课程设计报告课程名称电力系统自动装置原理设计题目发电机励磁系统数学建模及PID控制仿真设计时间2016-2017学年第一学期专业年级电气133班姓名姚晓学号2012012154提交时间2016年12月30日成绩指导教师陈帝伊谭亲跃水利与建筑工程学院2发电机励磁系统数学建模及PID控制仿真摘要：本文主要进行了发电机励磁系统的数学建模和PID控制仿真。励磁系统在电力系统的规划与控制领域都有非常重要的作用，精确的模型结构与参数是选择有效控制手段和整个电力系统仿真准确性的基础。文中通过对励磁系统建模及仿真的研究，在整理系统稳定性判断理论发展的基础上，运用MATLAB软件仿真，论证了PID励磁调节可有效地改进励磁控制品质,仿真试验是调整励磁系统参数的有效措施。关键字：电力系统、励磁系统、根轨迹、PID、仿真3目录第一章绪论.............................................................................................................................41.1本课题研究意义.............................................................................................................41.2本文主要内容.................................................................................................................4第二章发电机励磁系统的数学模型.....................................................................................62.1励磁系统数学模型的发展.............................................................................................62.2发电机励磁系统原理与分类.........................................................................................62.3发电机励磁系统的数学模型.........................................................................................72.3.1励磁机的传递函数..................................................................................................72.3.2励磁调节器各单元的传递函数..............................................................................82.3.3同步发电机的传递函数..........................................................................................92.3.4励磁稳定器..............................................................................................................92.4励磁控制系统的传递函数...........................................................................................10第三章励磁控制系统的稳定性...........................................................................................113.1传统方法绘制根轨迹...................................................................................................113.2用MATLAB绘制根轨迹...............................................................................................13第四章PID在发电机励磁系统中的应用.............................................................................144.1同步发电机的励磁系统的动态指标...........................................................................144.2无PID调节的励磁系统...............................................................................................144.2.1源程序....................................................................................................................144.2.2数值计算结果........................................................................................................164.3有PID调节的励磁系统...............................................................................................174.3.1源程序....................................................................................................................184.3.2数值计算结果........................................................................................................19第五章总结与体会...............................................................................................................21参考文献.................................................................................................................................224第一章绪论1.1本课题研究意义供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可有效地提高系统的技术指标。励磁控制系统承担着如下重要任务：（1）维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。（2）合理分配并列运行机组之间的无功分配。（3）提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。（4）改善电力系统的运行条件。（5）水轮发电机组的强行减磁[1]。同步发电机的励磁控制系统是一个自动控制系统。一般说来,对于自动控制系统的基本要求是:首先,系统必须是稳定的;其次是系统的暂态性能应满足生产工艺所要求的暂态性能指标;其三是系统的稳态误差要满足生产的工艺要求[2]。其中,稳定性是控制系统的首要条件,一个不稳定的系统是无法完成预期控制任务的。因此,如何判别一个系统是否稳定以及怎样改善其稳定性乃是系统分析与设计的一个首要问题。在经典控制理论中,对于单输入单输出线形定常系统,应用劳斯判据和胡维茨判据等代数方法间接判定系统的稳定性,而用根轨迹法及频域中的奈奎斯特判据和波德图则是更为有效的方法,它不仅用于判定系统是否稳定,还能指明改善系统稳定性的方向。但这些方法在绘图和计算时需要花费大量的时间和精力。MATLAB是1980年推出的用于工程计算和数值分析的交互式语言。经过多年的完善,它已成为当前最受流行的软件,集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体[3]。MATLAB有很强的绘图功能,只要写两三句代码就能得到所需要的图形。1.2本文主要内容本课题通过对电力系统的基本知识的学习,和以往电力系统励磁控制方法的学习、总结、研究,提出了基于matlab的同步发电机励磁控制系统的仿真,文章的主要内容是:第一章,具体说明了同步发电机励磁控制系统的重要作用及其稳定性研究的意义。第二章,通过查阅资料和之前所学过自动控制原理的基本知识,构建本文所采用的同步发电机励磁控系统数学模型，即建立了分析发电机励磁系统稳定性的传递函数。第三章,利用控制理论中的根轨迹法研究励磁系统的稳定性。5第四章,采用文中建立的模型,进行仿真研究数值分析，是本文的重点。第五章,对本文所做工作进行了总结并指出了本文存在的一些不足之处和下一步需要继续工作的方向。6第二章发电机励磁系统的数学模型2.1励磁系统数学模型的发展励磁控制对电力系统输送功率的能力和电力系统稳定性有着重要的影响。人们对励磁控制系统的认识，是随着电力系统的不断扩大、计算机技术、控制理论等的不断进步而逐渐加深的。在20世纪30年代，北美创建了第一个大型水电站，长距离的输电线以及慢速的动作的继电器和线路开关，使得稳定问题突出。当时，前苏联、美国和加拿大等国都对此进行了深入的研究，但都没有考虑控制系统的影响，发电机是利用暂态电抗表示的，这一方法一直沿用了许多年。从40年代到50年代，前苏联和北美的学者在研究励磁调节器对系统的影响时，用一阶惯性环节的比例放大器来模拟实际的励磁调节系统。到了50年代末期，数字计算机的出现，使计算速度得到了很大的提高，虽然当时仍用暂态电抗后的恒定电势来表示发电机，但却可以计算更多的发电机和更大规模的电网。进入60年代后，随着计算程序和计算机技术的发展，人们用更符合实际、更精确的发电机模型代替了以前的恒定电势，但同时却出现了许多不同标准的数学模型。在此基础上，美国电气电子工程师学会(IEEE)电力生产委员会励磁系统分委会进行了大量的工作，提出了用于模拟当时存在的各种不同励磁控制系统的计算机模型和通用的专业术语，并于1968年在IEEE的学术刊物上发表。60年代以后对励磁系统模型的研究有了更大的发展。因为随着时代的进步出现了许多新型的励磁调节器，也采用了新的控制策略，已有的模型已不能满足要求，新的模型就不断被开发出来。为此，IEEE于1981年又推出