GB/T 7409.2-1997 同步电机励磁系统 电力系统研究用模型 （完整版）

1 适用范围

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／T 7.409.1——1997中给出。

图1 同步电机励磁系统（虚线框内部分）通用框图

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K_E来描述自励励磁机的特性。注意：采用它励励磁机时K_E=1。

图2 采用一个它励绕组的直流励磁机

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。

图3 与图2相对应的模型

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4 带不可控静止整流器的交流励磁机

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

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)。

图7 交流励磁机简化模型图

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

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U_P+U_P的绝对值。半控桥线路不能逆变，U_p-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。

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8 电势源静止励磁系统

图9 电势源励磁系统模型及简化模型

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。

图10 直流侧串联、电压相加的复合源静止励磁机

图11 对应图10的励磁机模型

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。

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。

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

图14 交流侧两个电源电流相加的复合源静止励磁机

图15 对应图14的模型

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。

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T_C2、T_B2表示微分函数(D)，另一个框中的T_C1、T_B1和增益K_R表示PI函数。输出限值U_rmax、U_rmin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一积分函数，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，可避免由于反馈回路中的放大器增益过高而产生数据计算问题。

图18表示一种最早引用、且最常用的PID的基本模型，它的函数类似于图16，只是在反馈框中给出了延时，而没给出超前函数。因其不可能与图16等效，因此此模型可选择使用。

通常，模拟发电机端电压信号是所有电压调节器共用的。图19表示交流侧电压信号与电流补偿的合成。在此情况下，将输入变量(发电机电压和电流)进行相量相加，然后将合成信号整流。通常，负载电流的补偿采用下面的某一种形式：

――当机组间没有阻抗并联时，采用电流补偿时，造成一个人为的阻抗匹配，以使机组能合理地分担无功功率。这种情况下，X_C应为正值。

――当单一机组通过有效阻抗联到系统时，或两台及多台机组通过各自变压器联到系统时可将机端电压调到工作点以上。比如，可以补偿变压器的部分阻抗，在这些情况下，R_C和X_C取负值。

多数负载电流的补偿都可忽略R_C分量，而只要求X_C值，在此条件下，电流对无功分量的影响较小，起该作用的部件称作无功电流补偿器。无功电流也可由滤波过的直流信号按图20与端电压信号相加。

不使用补偿器，而采用整流端电压的滤波器时，仍适用于图19和图20。另一方面，滤波信号可能是复杂的，为了模拟，常须减小所给出的单一时间常数。此时间常数很小，可忽略不计。

某些补偿器利用有功和无功功率做为补偿变量。这些信号的滤波与端电压的滤波不同。图21表示这种类型的补偿器。

加入负载补偿器影响滤波后的端电压信号与参考信号比较，参考信号表示端电压的理想整定值，选择等效电压调节器的参考信号U_REF，以满足初始运行条件。

当使用补偿器时，应注意可能会在功率振荡的情况下附加上正或负的阻尼。

3 专用语

3.1 参数

S_E——旋转交、直流励磁机的饱和函数。

K_E——旋转交、直流励磁机自励磁场的常数，对于它励励磁机K_E=1。

K_M——复合静止励磁机的内环磁场调节器的前部增益。

K_D——去磁系数，交流励磁机电抗的函数。

X_E——整流器负载系数，与电压源、电流源的换向电抗成正比或与电压、电流源的合成等效。

T_M——复合静止励磁机同内环磁场调节器的等效时间常数。

F_e——换向压降系数，见附录B。

K_i——电流回路输入常数。

K_P——电压回路输入常数。

K_L——发电机端绕组电压计算系数，与发电机定子漏抗成正比。

U_fmax——最大输出电压，对应于复合励磁机的饱和值。

——调节器最大和最小输出。

U_Bmax——最大电压，对应于复合励磁机电流源分量的饱和值。

——发电机额定电压时，电势源励磁机的最大和最小空载输出电压。

K_G——内环磁场调节器的反馈增益。

——内环磁场调节器反馈的最大和最小值

T_R，T_R1，T_R2，T_R3——端电压变换器、负载电流补偿器的时间常数。

X_P——电势源变换器的整流器负载系数。

——电压调节器增益常数。

——电压调节器时间常数。

X_C1，R_C，，ɑ，ɑ′，β，β′——负载补偿器的增益常数。

3.2 变量

U_r——调节器输出。

U_f——发电机磁场电压、励磁系统输出(用发电机气隙磁场电压的标么值表示)。

I_f——发电机磁场电流(用发电机气隙磁场电流的标么值表示)。

——发电机端电压的矢量及标量(用额定值的标么值表示)。

——发电机电流韵矢量及标量(用额定值的标么值表示)。

U_e——换向电抗后边的励磁机电压(用对应发电机气隙磁场电压的标么值表示)。

U_REF——电压调节器参考值(它的确定满足初始条件)。

U_B——复合励磁机电流源分量的输出电压。

U_SS——电力系统稳定器输出。

U_ERR——电压控制通道的偏差信号。

U_ie——励磁机磁场电阻两端的电压降。

附录A

附录A

(标准的附录)

标么系统

在系统研究中发电机电流和电压用标么变量表示。通常用标么系统推导这些电流、电压，一个标么值定义为：

——一个标么的发电机端电压做为额定电压。

——一个标么的定子电流做为额定电流。

——一个标么发电机磁场电流定义为在发电机气隙线上产生发电机额定端电压所要求的磁场电流。

——一个标么发电机磁场电压作为相应的磁场电压。

励磁系统模型与发电机模型在定子端和磁场端应相关联，输入到电压调节器的标么机端电压等合成信号应为相应的标么变量。励磁机输出电流应为以发电机磁场电流为基值的标么值，且励磁机输出电压也应为发电机磁场电压为基值的标么值。

附录B

附录B

(标准的附录)

整流器调节特性

供给整流器电路的所有交流电源都有内部阻抗，主要是感性的，这个阻抗的作用改变了换向过程，也改变了随整流器负载电流增大而非线性地减小整流器平均输出电压的特性。常采用的三相全波桥式电路有三种性质不同的模型。根据整流器负载电流，用方程式表示这三种模型的特征。

图B1给出负载电压和负载电流的特性曲线及相应的方程。当X_E值很小时，只需模拟模型1即可，可用图9的模型表示。

图1 整流器调节特性及相应的方程

附录C

附录C

(标准的附录)

饱和函数

由于饱和原因，励磁机饱和函数S_G与励磁增大有关。在给定的励磁输出电压下，可在常电阻负载饱和曲线、气隙线、空载饱和曲线上分别得到产生此电压所需的励磁机励磁电流，从而确定出A、B、C的量值(图C1)。

对于交流励磁机，当不单独模拟负载相关效应时(图7模型)，直流整流子励磁场应有：

对于交流励磁机，单独模拟同步电抗和换向电抗的负载相关效应时(图6模型)应有：

通常，有两点即可确定饱和函数，一般选在励磁机输出电压顶值的1.0倍和0.75倍两点。

图C1 励磁机饱和特性

在控制电路和励磁机模拟中有两种限制必须考虑。“WIND-UP”限制允许输出Y超出此限制，但只允许参量X在限制值内变化(图D1)。“NON WIND-UP”限制(图D2)不允许量Y超出此限值，在硬件中，NON WIND-UP限制要求在其装置中有某种形式的反馈NON WIND-UP限制的数学描述如图D2，图D2不适于延时函数。

在较复杂的函数应用了NON WIND-UP限制，是否能简化还取决了函数本身。如图16的PI-调节器，具有“NONWIND-UP”限制的作用，并亦绘出调节器简图。由前部通道的比例部分，增益K_P和这部分反馈的WIND-UP限制可得出详细的模拟"NON WIND-UP”限制。

图D1 WIND-UP限制器

图D2 NON WIND-UP限制器

附录E

附录E

(提示的附录)

典型励磁系统工业计算机模型范例

图E1 静止励磁机带PID-控制范例。同步电机端电压不采用限制器。

图E2 静止励磁机的磁场电流限制器应用范例，励磁机具有同步电机端电压的PID-控制。

磁场电流限制I_fref可为常数，也可在运行中根据使用要求而变更。

图E3 同步电机端电压带PID-控制，并带磁场电流控制辅助回路的静止励磁范例。

图E4 同步电机端电压带PID-控制，并联磁场电流控制的交流励磁机范例。中间放大器是可控硅整流器，由像永磁机这样的恒压源供整流器电源。

图E5 同步机端电压带PID-控制及带励磁机磁场电流辅助控制回路的交流励磁机范例。中间放大器是由机端电压供电的可控变流器。

图E1 不带限制器的静止励磁机应用范例

图E2 采用低值门电路的静止励磁机磁场电流限制器的应用范例

图E3 带磁场电流限制器辅助回路的静止励磁机应用范例

图E4 带二级管的交流磁场机应用范例

由可控硅整流器提供励磁机磁场电流（恒压源）

电压调节器具有低值门电路（LV）的励磁机磁场电流限制

图E5 带磁场电流限制器辅助回路的旋转励磁机应用范例