基于MATLAB的同步發電機勵磁系統仿真研究

汪夏斌

摘 要：發電機的勵磁系統可以將機端電壓維持在一個相對穩定的水平，這對于保證發電機正常運行是至關重要的。另外，勵磁系統還有助于發電機的暫態穩定。本文在MATLAB/Simulink試驗環境下搭建了最為典型的單機——無窮大系統仿真模型，并在此模型的基礎上研究系統發生三相短路故障時發電機勵磁系統的動態調節特性，以便為更深刻地理解發電機的勵磁性能對電機本身的影響做好鋪墊。

關鍵詞 ：MATLAB；同步發電機；勵磁系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.150

1 引言

同步發電機作為電網能量的注入者而注定成為電網中的重要元件，其運行性能好壞將直接關系到整個電力系統是否能夠保持安全穩定運行[1]，同步發電機的合理控制為此顯得頗為重要。雖然調節機械功率和勵磁電壓是發電機控制的最主要的兩個方法，但是由于調節機械功率需要調整過程緩慢的調速器，因此在研究勵磁系統的控制時可以將調速器認為不動作。這樣，勵磁控制和機械功率控制便可以解耦分析。

發電機的勵磁系統在維持發電機機端電壓水平恒定和合理分配并聯機組無功方面具有突出貢獻，并且對于電力系統的穩定運行也有相當重要的作用[2]。三相短路故障已成為公認的電網最為嚴重的事故之一，它一旦發生便有可能造成大面積停電，嚴重威脅電網的安全穩定運行。因此，本文通過仿真研究發電機勵磁系統對發電機三相短路過渡過程的影響具有重要意義。

2 仿真模型

本文為了重點研究勵磁系統對發電機暫態穩定的影響而簡化了電力系統模型，在MATLAB/Simulink環境下構建如圖1所示的單機—無窮大系統仿真模型。

此仿真模型由實際電網簡化而來，簡化后保留了發電機、勵磁控制系統、變壓器、雙回線路、負荷和無窮大系統。

3 仿真分析

案例：設置同步發電機在15秒時刻出線首端發生三相短路故障，研究勵磁系統在發電機三相短路故障過渡過程中的調節作用。

由圖3-1可以看出，當同步發電機15s時刻出線首端突然發生三相短路時的勵磁電壓Vf1快速上升到最大電壓值5，這說明了勵磁系統在三相短路瞬態進行了強勵調節來阻止機端電壓迅速跌落。另外，還可以看出勵磁電流Ifd的波形出現了振蕩現象，這是由于勵磁電壓的劇烈變化導致，說明勵磁系統調節過程有可能引發系統振蕩。

由圖3-2和圖3-3還可以看出，發電機出口發生三相短路瞬間時功角同樣發生了振蕩現象，機端電壓大減，輸出的有功Peo猛減后開始波動，15.1s時刻故障消失，在勵磁系統強勵調節作用下輸出的有功Peo在機端電壓恢復后也很快恢復了正常值；機端線電壓Vt在15s時刻因為短路故障而由額定值1陡降至0.4，之后由于強勵的啟動，機端線電壓Vt不再急劇下降，而是開始在0.3附近減幅波動，15.1s時刻故障消失后機端線電壓Vt在強勵作用下迅速恢復到額定值1。轉子轉速W在短路時由于發電機負載大減，因此開始加速，在強勵的作用下才被控制住，由于慣性較大經15s時間減幅波動才穩定在額定值1。

由上述仿真結果可以看出，勵磁系統在系統發生三相短路故障時對發電機進行強勵調節能使發電機較快地恢復機端電壓，并且保持發電機有功功率的正常輸送和可以有效提高發電機的暫態穩定性。

4 總結

本文基于MATLAB構建了單極-無窮大系統模型并且對發電機出線首端發生三相短路故障時勵磁系統的調節過程進行了仿真研究。研究結果表明，勵磁系統的強勵調節可以使三相短路故障時發電機機端電壓盡快恢復，并且保證發電機有功功率正常輸送，這對于提高發電機的暫態穩定性具有較大幫助。

參考文獻：

[1]楊培宏.發電機勵磁系統對電網穩定性的影響[D].包頭：內蒙古科技大學，2008.

[2]丁志東，劉國海.同步發電機勵磁對穩定性影響的研究[J].大電機技術，2007（04）：60-64.