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1、华北电力大学（保定）硕士学位论文昆都仑电厂电气部分仿真培训系统的设计分析姓名：李东风申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：栗然;黄林忠20090510华北电力大学工程硕士学位论文摘要摘要本文以昆都仑热电厂3 0 0 M w 空冷#1 机组电气系统为对象和原型，分析了3 0 0 M w空冷火电机组电气仿真培训系统的基本功能需求，归纳优化了电气系统的各子系统的数学模型。给出了电气系统仿真范围、仿真对象和功能要求，使用D C O S E 软件和V I S l 0 软件的建模、编程方法等计算机技术完成对发电厂电气系统包括主变和冷却系统、发电机、励磁系统、直流系统和并网系统的全面仿真。较好地实现了发
2、电厂生产过程包括冷态启动、滑停和事故状况处理等重要操作的仿真。对并网带负荷时刻的几个主要系统参数进行了实际测试和分析，经济而有效地完成了仿真系统的设计和分析。所设计的仿真培训系统已经在昆都仑热电厂投入使用。关键词：发电厂，电气系统，仿真培训，设计，分析A B S T R A C TT h ep a p e rf 0 c u s o nt h ee l e c t r i cs y s t e mo f 群lu n i ti nK u n D u L u np o w e rp l a n t3 0 0 M Wa i rc o o l e du n i t，a I l a l y z et h
3、es t i m u l a t i o nt r a i n i n gf u n c t i o n s，s u m m i n gu pa n do p t i m i z i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fe V e r)rs u b s y s t e mo fe l e c t r i cs y s t e m B yu s et h ec o m p u t e rt e c h n o l og ys u c ha sb u i l d i n gm o d e l sa n dp r o g r a m m i n go fD C O S
4、 Es o f t w a r ea n dt h eV I S I Os o R w a r ec o m p l e t e di n c l u d i n gm a i nt r a n s f o m e ra n dc o o l i n gs y s t e m，p o w e rp l a n te l e c t r i cs y s t e-m，g e n e r a t o r，e x c i t a t i o ns y s t e m，d i r e c t c u l l r e n ts y s t e m，a n ds y s t e m a t i ca l
5、l-r o u n do fi m i t-a t i o n H a v er e a l i z e dp o w e rp l a n tp r o c e d u r es i m u l a t i o no fp r o d u c t i o nf-a i r l yg o o di n c l u d e-i n gc o l ds t a r t，s l i d i n gt os e to f r，s y n c h r o n o u sh a n d l i n ga n da c c i d e n ts i t u a t i o nh a n d l e ss i
6、 m u l a t i o n S e V e r a lm a i ns y s t e mp a r 锄e t e r sh a sb e e nt e s t e da n da n a l y z e do nt h em o m e n to fs y n c h r o n i z i n ge t c，d e s i g na n da c c o m p l i s hs i m u l a t e ds y s t e me c o n o m i c a lb u te f f e c t i V e T h ed e s i g n e ds i m u l a t i
7、 n ga n dt r a i n i n gs y s t e mh a sb e e np u ti nu s ei nK u n D u L u nt h e 册a lp o w e rp l a l l t L iD o n g f e n g(E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g)D i r e c t e db yp r o f L iR a nK E YW o R D S：P o w e rp l a n t，e l e c t r i cs y s t e m，s t i m u l a t i o n，d e s i g n，a
8、n a l y s i s华北电力大学工程硕士学位论文摘要摘要本文以昆都仑热电厂3 0 0 M w 空冷#1 机组电气系统为对象和原型，分析了3 0 0 M w空冷火电机组电气仿真培训系统的基本功能需求，归纳优化了电气系统的各子系统的数学模型。给出了电气系统仿真范围、仿真对象和功能要求，使用D C O S E 软件和V I S l 0 软件的建模、编程方法等计算机技术完成对发电厂电气系统包括主变和冷却系统、发电机、励磁系统、直流系统和并网系统的全面仿真。较好地实现了发电厂生产过程包括冷态启动、滑停和事故状况处理等重要操作的仿真。对并网带负荷时刻的几个主要系统参数进行了实际测试和分析，经济而有效
9、地完成了仿真系统的设计和分析。所设计的仿真培训系统已经在昆都仑热电厂投入使用。关键词：发电厂，电气系统，仿真培训，设计，分析A B S T R A C TT h ep a p e rf 0 c u s o nt h ee l e c t r i cs y s t e mo f 群lu n i ti nK u n D u L u np o w e rp l a n t3 0 0 M Wa i rc o o l e du n i t，a I l a l y z et h es t i m u l a t i o nt r a i n i n gf u n c t i o n s，s u m m i
10、 n gu pa n do p t i m i z i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fe V e r)rs u b s y s t e mo fe l e c t r i cs y s t e m B yu s et h ec o m p u t e rt e c h n o l og ys u c ha sb u i l d i n gm o d e l sa n dp r o g r a m m i n go fD C O S Es o f t w a r ea n dt h eV I S I Os o R w a r ec o m p l e t e
11、 di n c l u d i n gm a i nt r a n s f o m e ra n dc o o l i n gs y s t e m，p o w e rp l a n te l e c t r i cs y s t e-m，g e n e r a t o r，e x c i t a t i o ns y s t e m，d i r e c t c u l l r e n ts y s t e m，a n ds y s t e m a t i ca l l-r o u n do fi m i t-a t i o n H a V er e a l i z e dp o w e rp
12、 l a n tp r o c e d u r es i m u l a t i o no fp r o d u c t i o nf-a i r l yg o o di n c l u d e-i n gc o l ds t a r t，s l i d i n gt os e to f!E：s y n c h r o n o u sh a n d l i n ga n da c c i d e n ts i t u a t i o nh a n d l e ss i m u l a t i o n S e V e r a lm a i ns y s t e mp a r 锄e t e r s
13、h a sb e e nt e s t e da n da n a l y z e do nt h em o m e n to fs y n c h r o n i z i n ge t c，d e s i g na n da c c o m p l i s hs i m u l a t e ds y s t e me c o n o m i c a lb u te f f e c t i V e T h ed e s i g n e ds i m u l a t i n ga n dt r a i n i n gs y s t e mh a sb e e np u ti nu s ei nK
14、 u n D u L u nt h e 册a lp o w e rp l a l l t L iD o n g f e n g(E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g)D i r e c t e db yp r o f L iR a nK E YW o R D S：P o w e rp l a n t，e l e c t r i cs y s t e m，s t i m u l a t i o n，d e s i g n，a n a l y s i s声明尸明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文昆都仑电厂电气部分仿真培训系统的设计分析，是本人在华北电
15、力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：弛期：兰!丛，关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和
16、交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)导师签名：日期：也纽半名期签者作日华北电力大学工程硕士学位论文1 1 课题的背景和意义第一章绪论火力发电在我国电力工业中占主导地位。火力机组能否安全、经济运行，对国民经济和人民生活有着重要的影响作用。随着大容量、高参数机组的投入运行和新技术应用于火电机组中，电力系统日趋复杂，人们对机组和电力供应的安全性和经济性越来越重视。电力系统运行人员的岗位操作技能是影响电力系统的安全可靠性的重要因素之一，培养一支训练有素、经验丰富的运行队伍对电力系统的安全运行至关重要。作为国家北方能源基
17、地的内蒙电力工业近年来取得突飞猛进的发展，2 0 0 4 年厂网分开之后，原内蒙电力发电部分重组为北方联合电力公司，一年后由华能集团控股，短短几年中，北方联合电力公司用不到5 年的时间实现了再造一个北方公司的目标。包头第一热电厂是内蒙西部的一个有着5 0 年历史的老厂，曾为内蒙地区和包头市的地区经济发展做出过重要贡献，如今也随着国家和内蒙电力不断发展取得了较快的发展，装机容量增加了5 5 万，截至到2 0 0 8 年6 月共有六台机组容量达到8 5 万千瓦。为了与蓬勃发展的全国电力工业及内蒙电力工业相同步发展，实现大机组产业升级迫在眉睫，而人员技术升级是制约发展的“瓶颈。对生产运行人员进行有针
18、对性的技术培训，通过培训掌握新技术，提高整体员工的技术素质，掌握控制大机组和先进设备的运行操作能力成为必然选择。2 0 0 7 年，在北方联合电力公司资金严重紧张的情况下，为包一3 0 0 M w 机组仿真项目拨专款筹建仿真培训系统。从2 0 0 7 年7 月开始调研，2 0 0 7 年年底签订技术协议，2 0 0 8 年开始实施。仿真培训系统是借助于计算机软件技术和其他技术，提供运行人员和检修人员培训和研究分析的良好界面，模拟现场的环境、场景和运行数据环境，能够为运行人员营造一个现实的环境，为培养和提高操作技能更好地服务。所以，针对发电厂实际，研制符合实际的火电机组的仿真培训系统，具有十分重
19、要的意义。1 2 国内外火力发电机组仿真研究现状及发展趋势国内外电力系统的培训仿真机培训系统从7 0 年代开始发展，仿真系统是以建模理论、计算方法、评估理论为基本理论，以计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制及系统工程等相关技术为支撑的综合性交叉科学。仿真技术的应用一般是以仿真系统的形式实现的。火电机组仿真技术的发展随着电子技术、计算机技术和复杂的工业生产过程发展而成长起来的。始于2 0 世纪4 0 年代中期，当时电厂的热力系统和电气系统相对比较简单。起初的仿真技术初始应用于与战争有关的领域，继而慢慢延伸至飞行系华北电力大学工程硕士学位论文统培训和核反应堆
20、的仿真研究。1 9 5 8 年开始有飞机仿真器和全范围核电厂仿真器出现。当时由于受到工业制造技术、计算机技术水平和仿真技术的限制，仿真范围局限于模拟火电机组的某个局部系统。进入7 0 年代后，随着计算机技术和应用水平的提高，美国、日本等发达国家先后开发出用于培训的火电机组全工况仿真系统，但总的来讲，其功能仍相对有限，仿真对象的数学模型比较简单，仿真系统的软、硬件开发手段也比较落后，开发周期和成本比较高。1 9 7 9 年3 月2 8 日美国三里岛核电站核泄漏事故的发生，极大地提高了人们对核电站运行人员效果重要行的认识，因而大大促进了核电、火电计算机仿真技术的发展。至1 9 8 6 年底，全世界
21、共有2 0 0 多台火电机组仿真机投入使用。我国是在大同、秦岭电厂发生严重事故之后，1 9 8 8 年原能源部提高了重视程度，向各省局发文，要求建立各省局的仿真中心。进入8 0 年代以来，我国仿真技术人员通过引进消化吸收国外技术，开发自主技术，使我国电力仿真技术得到快速发展。我国是除发达国家外唯一拥有先进仿真技术的发展中国家。运用相关学科的新理论、新技术、新成果使得火电机组仿真系统在硬件速度、数据处理、运行可靠性、通讯能力兼容能力等方面有了很大的进步。一套完整的火电机组全工况仿真系统可分为硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统包括主计算机及其外设，这是仿真系统的支撑软件和模型软件的运行环境，是仿
22、真系统的核心，主要包括教练员站、工程师站、操作员站、就地操作站，软件主要包括操作系统、数据库系统、仿真系统软件开发支撑系统、模型软件等。随着仿真技术的发展，仿真应用目的趋于多样化、全面化。最初仿真技术是作为对实际系统进行试验的工具而应用的，而后又用于训练目的，现在仿真系统的应用包括：系统概念研究、系统的可行性研究、系统的分析设计、系统开发、系统测试与评估、系统操作的培训、系统预测、系统的使用与维护等各个方面。它的应用领域已经发展到军用以及国民经济相关的各个重要领域。目前，火力发电厂仿真系统已成为电站建设与运行中必须具备的设备装备。我国已自行研制成功电力工业的大型发电厂仿真系统，仿真技术经过几十
23、年的努力，已有长足进步。据不完全统计，到1 9 9 7 年中国已经投入和运营的仿真机就达到了6 8 台，其中核电仿真机3 台、水电厂仿真机2 台，电网调度仿真机5 台，电力工业培训仿真机共计达到7 8 台。成为仅次于美国的第二个工业仿真机大国。1 3 本文的主要工作本文以昆都仑热电厂3 0 0 M w 空冷#1 机组为对象和原型，分析了3 0 0 M w 空冷火电机组的仿真培训的基本功能需求，进行了整体方案设计分析。培训内容包括起停从冷态、温态、热态到满负荷的启动操作；有汽机启动和发电机同期并网、锅炉、汽机、发电机跳闸后恢复到额定负荷：机组从1 0 0 负荷正常停机到滑参数停机状态；2华北电力
24、大学工程硕士学位论文其它指定的工况启、停或升、降负荷的操作：运行人员对设备或系统进行可靠性试验及联锁保护试验；系统状态监测等，利用现代计算机数字仿真技术，对发电厂的电气部分进行全面的仿真和模拟。具体工作归纳如下：(1)进行系统模型优化选择分析，设计、归纳、整理电气系统的数学模型。通过P A R K 变换建立同步发电机数学模型、励磁系统数学模型、直流系统模型、主变和冷却系统模型、并网系统数学模型。(2)设计仿真培训系统的总体结构和培训功能。基于D E C O S 软件和V I S l 0 软件的建模和编程方法，实现仿真培训系统图的绘制和仿真系统实时数据存储、数据共享、运行调度和计算的服务器软件模
25、块、电厂设备仿真软件模块、虚拟D P U 软件模块以及各种客户端软件模块，包括图形建模、D C S 仿真、仿真盘台、数据监视、教练员控制台、实际D C S 系统都可通过本套软件提供的实时数据服务相互进行数据存储、传递和共享。(3)对并网带负荷的几个主要系统性能参数进行实际测试和分析，对电力系统主要部分的仿真效果进行测试和分析。华北电力大学工程硕士学位论文2 1 建模简介第二章电气系统数学模型的建立仿真系统的实质是把被仿真对象的特性转化为可以再造的数字特性。因此，在各种模型中，关键需要建立仿真对象的数学模型，然后将该模型解析后转换为计算机程序可以表达的方式，再利用计算机的各项技术实现仿真系统的设
26、计结果。2 1 1 数学模型数学模型的建立首先要确定仿真的范围及对精度、逼真度的要求，然后进行系统的模型化，通常将整个系统分成若干个子系统或子模型，每个系统又可以进一步划分，直到具体的设备为止。划分的详细程度主要是由仿真精度要求及建模方法决定的。一般来说，仿真精度要求越高，则子系统的划分就要越详细。图2 1 给出了子模型的建模步骤，它包括一系列阶段并产生三种形式的建模：概念模型、正式模型和数字模型。这一过程的最终结果是形成一个可与其他子模型连接的子模型，将子模型相互连接后就可以获得整体模型。在将这个子模型与其他子模型连接之前，对其进行有效性检验，以确保它能够代表原来的真实子系统是非常必要的。2
27、 1 2 建模方法(1)概念模型概念模型是为了对实际模型化而作的文字说明，是子系统模型化的第一个版本。它是在时间系统和仿真范围的基础上，通过初步设计和功能说明两个阶段而产生，在这两个阶段中确定实际系统的被仿真现象和反应，被仿真精度。在初步设计阶段确定是为了满足仿真范围的要求和需要的资源。初步设计是确定模型应满足的精度准则。建模所需的资料和可用计算机资源和限制等。精度准则中包含一种测试模拟特性与实际系统特性是否一致的方法。它应考虑到仿真范围叙述的所有运行工况以及当时规定的精准度准则，同时，它应针对一个特定模拟的需要进行更加细致的定义。一般来说，对于稳态和暂态采用不同的精度准则。(2)正式模型正式
28、模型是实际系统的数学表示。由于实际系统的复杂性，要想用一组数学方程来描述它，就必须进行必要的简化和假设。因此，在J 下式模型建模中包括两个阶段：是对实际系统的简化和假设；二是写出模型的数学公式。4华北电力大学工程硕士学位论文1)简化和假设这是一个很重要的阶段，因为描述实际系统的模型的精度主要取决于所做的简化和假设的程度。此外，这一阶段所做的决定将会对以后整个建模的所有过程产生影响。因此，必须认真执行简化和假设，并且在系统简化时考虑以下三点：首先，所做的简化和假设应该与概念模型相一致。应该注意到，过于细致的模型会耗时耗力同时会使开发成本大幅度增加，开发速度降低。一般规则是，首先采用最简单的模型，
29、如果不能满足要求，就逐步提高模型的复杂性，使之满足精度要求。其次，简化和假设的程度取决于该子模型在整个模型中相对重要性程度。如在电气系统中变压器等设备与发电机，励磁系统相比，都可以被大大简化。功能分析上初步设计迄假设和简化数学方程式，精度分析编程检验验证否k女ua 、华北电力大学工程硕士学位论文最后，一个给定子系统的简化和假设还必须与其它子系统的简化和假设相协调。在建模过程中，简化和假设大致分为三类：物理简化、概念假设和数学近似。a)物理简化：物理简化通过减少被仿真系统和部件数目来缩小仿真的系统。通常，这种简化依据原始系统图进行，物理简化结果是一张简化的系统图。b)概念假设：概念假设是对所需要
30、仿真的物理现象或过程进行简化，从而降低了方程式的复杂程度。由于模型的详细程度和有效范围取决于这些假设，所以它们应该与概念模型一致。最常用的假设方法之一是集总参数近似法。c)数学近似：数学近似是非线性的高阶复杂方程转换为简单低阶表达式。典型的数学近似是只取其展开级数的低阶项，或以分段低阶多项式来代替高阶多项式。2)数学公式数学公式是确定描述实际系统的一组方程式。实际上要得出系统特性的数学模型，应完成以下工作：子模型的外部：连接对于一个大型的系统建模，最基本的一点是各个子模型所用的数学公式的协调一致。达到这种协调性的第一步是明确哪些变量是由本子模型产生的，哪些变量是由其他子模型提供的，以及哪些变量
31、是由外部输入的。换句话说，确定不同子模型之间的信息传递时必不可少。子模型的输入和输出变量的这种定义就是所谓的子模型的外部连接。子模型的内部连接：一旦确定了子模型的外部连接关系，就可转向模型本身。这里第一步是将子模型分割成为比较容易处理的几部分，称之为模块。而确定不同模块之间的信息传递关系就是子模型的内部连接。如果一个模块在一个以上的子模型中获得使用就可以建立通用模块。不管这些模块是否已经存在还是需要建立，有必要在每个子模块中确定它们，以避免重复。3)数字模型数字模型是正式模型的代码形式，但是，必须指出数字模型并不是正式模型的严格表示，这主要是因为计算机的离散化，以及舍入或截断误差的存在而导致的
32、，另外，对于一个正式模型来说，数字模型并不是唯一的，因为它受计算机性能、程序语言和所采用的方法等因素的影响。当验证模型时这些都是必须考虑的因素。数字模型的开发要完成编制程序的一系列过程，包括程序的设计、实现和验证。为了得到一个高质量的最终结果，必须采用现代程序结构，如果程序是依据系统的物理部分或函数来分割成若干软件子模型时，内聚力和非耦合特性是容易维持的。此外，必须认真研究子模型软件的执行顺序，以便方程式可以按照模型内部连接关系来求解。这样可减少未知消息的数量，进而减少数值的不稳定或误差积累的可能性。6华北电力大学工程硕士学位论文2-2 电气系统模型火电厂电气系统主要由发电机、发变组及冷却系统
33、、励磁系统、同期系统、保护和厂用电六大部分组成。在电厂仿真系统中，电气方面的仿真核心部分就是发电机、励磁系统的数学模型。至于厂用电等其他部分，一般不考虑其动态过程，只作静态逻辑计算。2 2 1 同步发电机数学模型一、理想电机同步发电机是电力系统的心脏，主要包括定子和转子两大部分。它是一种集旋转与静止、电磁变化与机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件，其动态性能十分复杂，而且其动态性能又对整个电力系统的动态性能有极大的影响。因此应对它作深入分析，以便建立用于研究分析电力系统各种物理问题的同步发电机数学模拟。发电机的数学模型包括发电机的转子运动方程和电流电压平衡计算、电磁暂态数值计算等发电机基
34、本方程式。其中转子运动方程描述了转子运动的机械暂态过程，而发电机的皆不能方程则体现了同步发电机电势与机端电压、电流之间的关系，以及各电势在不同情况下的变化规律。这些方程能够实时反映出发电机的空载特性、短路特性和各种负载下不同功率因数时的负载特性等，能够正确地模拟发电机从开机、并网、加减负荷、满负荷运行、解列等整个过程，同时对发动机异常运行也能正确地加以模拟。为了简化分析计算，在实际工程问题的研究中，通常将实际的三相同步发电机作为“理想电机 处理【1 0 J【”J，即假定：1、电机磁铁部分的磁导率为常数，既忽略磁滞、磁饱和的影响，也不计涡流及集肤作用等的影响。2、对纵轴及横轴而言。电机转子在结构
35、上时完全对称的。3、定子的3 个绕组的位置在空间互相相差1 2 0。电角度，3 个绕组在结构上完全相同。同时，它们均在气隙中产生正弦分布的磁动势。4、定子及转子的槽及通风沟等不影响电机定子和转子的电感，既认为电机的定子及转子具有光滑的表面。二、坐标系统采用与转子做同步旋转的坐标系统，即d q o 坐标系统。d 轴是沿转子磁场绕组纵轴方向，称为纵轴或直轴：q 轴是沿转子磁场绕组的横轴方向，称为横轴或交轴；华北电力大学工程硕士学位论文。轴是沿转子轴线方向，称为静止轴。同时，假定q 轴正方向超前d 轴正方向9 0。如图2 2 所示。0d图2 2 坐标图三、同步发电机电路图2 3 为一具有阻尼绕组的同
36、步发电机电路图，共有六个回路，即定子a 相、b相、c 相三个回路，转子励磁回路(f)，纵轴等值阻尼回路(D)及横轴等值阻尼回路(Q)。胪囝Lr删自L。删由L。图2 3 同步发电机电路图图2 4 表示同步发电机电路及轴线示意图。三相电机有相差1 2 0。的对称分布的三个定子绕组，定子绕组与外部三相网络相连。在转子上有一个励磁绕组，其中流过直流电流i，和两个等效阻尼绕组，分别流过i D 和i D，转子极对称轴称为纵轴，两极之间的对称轴称为横轴。关于磁链、电流和电压的正方向，在定子方面采用各相轴线的正方向作为各相绕组的磁链正方向；有绕组中性点流向电机端点的方向，作为定子电流的正方向：同时定子各相电流
37、产生的磁力线方向与该轴线方向相反，即定子各相F 值电流产生该相负值磁链(如y L。i。)。定子各相端电压的正方向如图2 3 所示，向负荷方面看，R华北电力大学工程硕士学位论文电压降的方向与电流的正方向一致。ba 轴图2 4 同步发电机示意图在转子方面，选择励磁绕组磁链的正方向与转子纵轴方向一致。当励磁绕组中的电流所产生的磁力线方向与纵轴方向一致时，则该电流为正值，即正值的励磁电流产生正值的励磁绕组的磁链(I f，=三伊f，)。励磁电压的正方向如图2 3 所示，向励磁绕组方面看，电压降的正方向与励磁电流的正方向一致。用类似研究励磁绕组的方法来选择两组等值阻尼绕组的磁链、电流及电压的正方向(J o
38、】。四、同步发电机基本方程式w 刨根据以上规定，可写出理想电机电压方程和磁链方程(a b c 坐标如下)：p Vop Vhp Vcp Vfp VD户口+匕00匕O0O010I，口l000OOr D0OO，nV9一l dbj cJ 一J D一切(2 一1)华北电力大学工程硕士学位论文缈。y 6。-中f申DV QL L 曲L o cL 町L o DL 铀L b bL b cL 够L b DL L c bL L 盯L c DL f aL f bL f cL 仃L f DL L D bL D cL 呵L D DL Q aL kkL Q D(2-2)式中：虬、虬-a、b、c 各相磁链；乇、毛、屯-a、b
39、、c 各相电流：以、觞、段-a、b、c 各相电压；匕定子电阻；c，r、矽D、-励磁绕组、纵轴阻尼绕组、横轴阻尼绕组磁链；f，、f D、岛-励磁绕组、纵轴阻尼绕组、横轴阻尼绕组电流；0、饧、，Q-励磁绕组、纵轴阻尼绕组、横轴阻尼绕组电阻；，励磁绕组电压；L?-电感，厶-自感，厶一互感；P一算子，p=吾。由上可知，同步发电机有六个电路并建立了六个电压方程，是带有周期性变化的变系数微分方程式，求解这些方程式异常困难。因而可采用一些新的变量来代替旧的变量，以简化方程式便于研究同步发电机的运行问题。派克(P 盯k)变换【l 们，就是将以a b c 相坐标系表示的三相电磁量(电流、电压、磁链等)，变换到以
40、转子纵轴d、横轴q 及静止轴0 为坐标轴的d q O 坐标系，使按相坐标建立的变系数微分方程变换为按d q O 坐标表示的常系数微分方程。派克变换矩阵为：阱c o s 秒一s i n 秒l2c o s(口一扣)一s i n(目一扣)上二c o s(口+号7 r)一s i n(秒+吾万)l2二lc o s 秒c o s(p 一号万)c o s(秒+号万)令p=专I s i n 曰一s i n(秒一号石)一s i n(p+号万)J【圭圭圭经过派克变换，即对式(1 3)和(1 4)左乘P，l O则电压方程为：(2 3)(2 4)0b0b电一一一一一一助伽助，细坳助华北电力大学工程硕士学位论文U a段
41、口p fO00p Vdp V p、l Iop，p VDp V Q磁链方程式为：吵d矽q虬￥fy D1 国少口一缈缈dOO0O+00OO00OO，口0O，口厶ooM 巧M 面o0 一。厶ooo 卜oo厶ooo0 一oo0 oI I _M 踟oo，kol l o ooo如且一(2 5)(2 6)方程式(2 5)，(2 6)是同步发电机方程式，称派克方程。五、转矩和功率方程式同步发电机三相输出瞬时功率为加1：只=萼(心+心)+3 o f o(2-7 a)两边分别除以及詈甜柏o，则功率的标幺方程为：e=d 屯+口0+2 风k(2-7 b)将式(1 7)代入(2 2 l-b)，消去心，儿，鳓得：=(。尸
42、。+0 P y 矿+2 0 尸)+纸(缈矿0 一吩。)一o(毒+弓+2 丢)(2 8)从上式可以看出：(净功率输出)=(定子磁能变化率)+(通过气隙传递的功率)-(定子电阻损耗)电磁转矩Z 等于通过气隙传递的功率与角速度国之比，即=等(I 儿一缈，)(2 9)取力腿值瓦=鲁=擎瓤(2 1 0)将式(2 2 4)两边同除以瓦及=丢少加，得：t=岛一(2 1 1)六、转子运动方程根据牛顿运动定律，转子运动方程为：匕，0厂Dpt一0如场|产iiiiiiiiijjiii且OO0 屹OO0O屹O0OO名00O0匕OO0OO_易b华北电力大学工程硕士学位论文 J t 亍乙一互(2-1 2)l警=缈、7式中
43、：乙原动机加于电机轴的机械力矩，N m；Z 发电机电磁力矩，N m，；口d 轴领先口轴的电角度，r a d；国转机械角速度，r a d s；-，转子转动惯量，k g 聊2 对第一式两边分别除以毛及鲁，得：2 日鲁=乙，一乃(2 1 3)令L 等=乙一弓(2-1 4)丁，一机组惯性时间常数，s。丁，的物理意义是：当机组从零其升速时，若加速力矩(标幺)恒为1，则转子达到额定转速所需要的时间L。实际转子角运动方程采用g 轴相对于同步旋转坐标系的实轴x 的角位万来代替乡作为状态变量。如图2 5 所示。y、口=织，+铴图2 5 d q x y 坐标系空间关系图口=织r+口o6 2 三一位一秒)织-同步转
44、速。所以秒=万+(q f+嘞)一手将式(2 3 2)代入(2 2 6)的第二式，则：1 2(2 一1 5)(2-1 6)(2-1 7)华北电力大学工程硕士学位论文警=缈一织标幺方程为：(2-1 8)筹=饥一1(2-1 9)今后为了简单起见，标幺值的下标“幸一般予以忽略。2 2 2 同步发电机实用模型对于不同的实际问题及分析工具，电机模型就应作不同程度的简化，因此同步电机实用模型也有不同的形式。同步电机实用模型最重要的假定是忽略定子绕组暂态，从而令定子电压微分方程p=p=O，这样就把它化为代数方程。一、二阶模型1 2 胂1以神硝状态量，并设E。或E 为恒定。1、经典二阶模型：p d=E。七X q
45、 i q r 4 i dr，朋=岂口一爿d 0 一屹口巧警2 乙一瓦一D(缈一1)=L 一【E：幻+岛一(x j x j)毛】一D(缈一1)(2 2 0)掣：缈一l2、E 恒定模型：t，心2 五4 一乞白p fE q X j 乒a r 毒q乃鲁=乙-【乓一(E 一均)训一D(功一1)2 2 1 掣：缈一l谢二、三阶模型在电力系统动态分析中，当要计及励磁系统动态时，最简单的模型就是三阶模型。由于它简单而又能计算励磁系统动态，因而广泛地应用于精度要求不十分高，但仍需计及励磁系统动态的电力系统分析中【l o J。三阶模型较适用于凸极机。该模型基于如下假定：l、忽略定子d 绕组、q 绕组的暂态，即定子
46、电压方程中取p=p=0：2、在定子电压方程中，设1，在速度变化不大的过度过程中，其引起的误差很小；3、忽略D 绕组、Q 绕组，其作用可在转子运动方程补入阻尼来近似考虑。华北电力大学工程硕士学位论文t l d=xq i q r o i d“q=E q X d i d r 口i q毛鲁呜一E d 劫d(2-2 2)乃警=乙-【E 一(肖：一彳。)卜D(缈一1)堕：缈一1出式中：E r 一定励磁电动势，E，=L 竺E 一电机q 轴暂态电动势，E 二等，三、五阶模型。当对电力系统暂态稳定分析的精度要求较高时，可采用忽略定子暂态、但计及转子阻尼绕组作用的五阶模型，即考虑f 绕组、D 绕组、Q 绕组的电磁
47、暂态以及转子运动的机电暂态。d2E d+X q r 口i d心=乓一Z 一名琉鲁=q 一(E 一瓦E+矗乓)嗉簪=麓琉母“E“)(2-2 3)礞鲁=一历+(-一巧)乃警2 乙-【E+E f d 一(E K)卜D(缈一1)掣：国一ld t式中：x=糟。2 2 3 励磁系统数学模型同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图2 6 所示，励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器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。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统0J I l”。华北电力大学工程硕士学位论文l
48、 一一IIIIIIIIIIIllI励磁功率单元一t励磁调节器I电力系统典型励磁系统结构如图2 7(a)所示。发电机机端电压U，经量测环节后与给定参考电压U 阿作比较，其偏差进入电压调节器进行放大后，输出电压U。作为励磁机的输出电压，即发电机励磁电压E，。为了励磁系统的稳定运行及改善其动态品质，引入励磁系统负反馈环节，即励磁系统稳定器，其一般为一个软反馈环节，又称速度反馈。U，为励磁附加控制信号，往往是电力系统稳定器(P S S)【1 0 1 的输出。各个环节的典型传递函数见图2 7(b)。量测环节可表示为一个时间常数为T。的关系环节，由于T R 极小，常忽略。电压调节器通常可以用一个超前滞后环
49、节和一个惯性放大环节表示。超前滞后环节反映了调节器的相位特性，由于T8 和T r 一般很小，可以忽略。惯性放大环节放大倍数为K。标幺值可达几百，时间常数T 约为几十毫秒。励磁机传递函数为一计及饱和作用的惯性环节，对于他励交流励磁机及他励直流励磁机K。=1。对于静止励磁系统，则无励磁机环节，励磁负反馈环节放大倍数为k，时间常数为耳，稳态时U P=O，即不影响励磁系统静特性。对于静止励磁系统通常不设置励磁负反馈环节。在实际可控硅电压调节器传递函数中还应考虑可控硅元件输出电压的限幅特性，需补入限幅环节。由图2 7(c)传递函数，在忽略限幅环节作用时相应的励磁系统基本方程式为【1 8】l L p u
50、J R=一U 舟+尺，4(u 阿一+u s u F)Z 加，=一(K+s E)E，+u 尺(2 2 4)I 耳p u F=一u F+K F 瓦【u R 一(K L+s E)Er】式中：U R 电压调节器输出电压；U 硝。参考电压；U。发电机端电压；华北电力大学工程硕士学位论文野U1 L j 畸图2 7 典型励磁系统结构及传递函数框图(a)系统结构示意图：(b)传递函数框图；(c)简化的传递函数框图U 一发电机端电压；眼励磁附加控制信号：U F 励磁负反馈电压：髟-发电机励磁电动势：1 6华北电力大学工程硕士学位论文2 2 4 厂用电系统模型厂用电系统是火力发电厂辅助设备的供电电源，该系统的倒闸