GB/T 7409.2-1997 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 電力系統(tǒng)研究用模型 （完整版）
1 適用范圍
1 適用范圍
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的勵(lì)磁系統(tǒng)模擬簡圖及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以及其中包括的參數(shù)和變量的術(shù)語定義適用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究。
所使用術(shù)語的定義已在GB／T 7.409.1——1997中給出。
圖1 同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（虛線框內(nèi)部分）通用框圖
2 勵(lì)磁機(jī)分類――圖示法及穩(wěn)定性研究的數(shù)學(xué)模型
2.1 直流勵(lì)磁機(jī)
近年來，雖然新機(jī)組已很少采用直流勵(lì)磁機(jī)，但還有許多運(yùn)行中的同步電機(jī)裝有這類勵(lì)磁機(jī)。圖2就是一種采用它勵(lì)繞組的直流勵(lì)磁機(jī)簡圖，圖3表示該直流勵(lì)磁機(jī)的模型。模型中用術(shù)語KE來描述自勵(lì)勵(lì)磁機(jī)的特性。注意：采用它勵(lì)勵(lì)磁機(jī)時(shí)KE=1。
圖2 采用一個(gè)它勵(lì)繞組的直流勵(lì)磁機(jī)
勵(lì)磁控制采用下列幾種形式：
——電-機(jī)械式操作的變阻器；
——電動機(jī)操作變阻器；
——周期性接通和短路磁場的分流電路；
——采用輔助的他勵(lì)磁場電源，起增、減磁作用；
——利用在磁場繞組中串聯(lián)交磁放大機(jī)，起增減磁作用。
考慮機(jī)組裝直流勵(lì)磁機(jī)的幾率減小和重要程度，對上述勵(lì)磁控制形式，統(tǒng)一用圖3的簡圖描述即可滿足要求。
圖3 與圖2相對應(yīng)的模型
2.2 交流勵(lì)磁機(jī)
交流勵(lì)磁機(jī)，利用交流發(fā)電機(jī)帶靜止或旋轉(zhuǎn)整流器，給同步電機(jī)提供勵(lì)磁電流。采用可控的或不可控的整流器。采用不可控整流器時(shí)，可通過一個(gè)或多個(gè)交流勵(lì)磁機(jī)磁場繞組去控制整流器輸出。
分清提供交流勵(lì)磁機(jī)磁場電流的電源，是模擬該勵(lì)磁機(jī)的基礎(chǔ)。該電源可為輔助副勵(lì)磁機(jī)，也可為電壓或復(fù)合靜止電源。
圖4表示交流勵(lì)磁機(jī)帶不可控靜止整流器的簡圖。由交流發(fā)電機(jī)供給靜止整流器電源，整流器的輸出經(jīng)電刷和滑環(huán)給同步發(fā)電機(jī)的磁場繞組。勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場繞組到勵(lì)磁控制設(shè)備也是通過滑環(huán)和電刷進(jìn)行電聯(lián)接的。
圖4 帶不可控靜止整流器的交流勵(lì)磁機(jī)
圖5表示交流勵(lì)磁機(jī)(無刷勵(lì)磁機(jī))帶不可控旋轉(zhuǎn)整流器和永磁式輔助勵(lì)磁機(jī)的簡圖，勵(lì)磁控制設(shè)備的電源由永磁機(jī)提供。整流器和交流勵(lì)磁機(jī)的電樞與同步電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)整流器的輸出不需用滑環(huán)或電刷，而直接與同步電機(jī)的磁場繞組聯(lián)接。
圖5 帶不可控旋轉(zhuǎn)整流器的交流勵(lì)磁機(jī)（無刷勵(lì)磁機(jī)）
圖6 交流勵(lì)磁機(jī)詳細(xì)模型
交流勵(lì)磁機(jī)的模擬，如圖6所示。該圖用以描述勵(lì)磁機(jī)帶負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性(在某些情況下考慮到瞬時(shí)負(fù)載影響，需用更詳細(xì)的模型)。
圖7 交流勵(lì)磁機(jī)簡化模型圖
交流勵(lì)磁機(jī)的簡化模型見圖7。用負(fù)載的飽和曲線雖然只能描述其穩(wěn)態(tài)負(fù)載特性，但可以滿足許多研究的要求。還應(yīng)指出，采用簡化的模型不可能獲得全部數(shù)據(jù)。
2.3 電勢源靜止勵(lì)磁機(jī)
電勢源靜止勵(lì)磁機(jī)采用整流變壓器，電源取自裝在與同步電機(jī)同軸的輔助發(fā)電機(jī)或取自與主發(fā)電機(jī)電壓無關(guān)的輔助母線或取自同步電機(jī)的輸出端。后者稱作自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，取該系統(tǒng)的電壓變量進(jìn)行性能描述和模擬。這種系統(tǒng)的簡化表示法，如圖8所示。
可控整流裝置采用全控橋，也可采用一半可控硅、一半二極管的半控橋。常常通過控制觸發(fā)角，可限制所給出電壓UP+UP的絕對值。半控橋線路不能逆變，Up-的值等于零。
最常用的可控整流橋只允許正向勵(lì)磁電流通過。若同步電機(jī)端擾動引起負(fù)的磁場電流，圖9的計(jì)算機(jī)模型對此就不再是有效的了，在這種情況下，同步電機(jī)磁場繞組的電壓不再受調(diào)節(jié)器的控制，而決定于其他因素，這不在本文范圍內(nèi)論述。
對正向和負(fù)向電流都允許的設(shè)備，只能在特殊條件下使用。在上述條件下，圖9為適用于這種系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型。
圖8 電勢源靜止勵(lì)磁系統(tǒng)
圖9 電勢源勵(lì)磁系統(tǒng)模型及簡化模型
2.4 復(fù)合源靜止勵(lì)磁機(jī)
復(fù)合源靜止勵(lì)磁機(jī)采用電流電壓源(取自同步電機(jī))供電的兩種整流變壓器。設(shè)計(jì)的形式有多種，這里說明常用的三種形式。
第一種形式，圖10給出了整流器直流側(cè)兩個(gè)電源串聯(lián)電壓相加的原理圖。電流源變壓器具有特殊的磁路設(shè)計(jì)或使用專門的電抗器。圖11給出相應(yīng)的模型。
圖10 直流側(cè)串聯(lián)、電壓相加的復(fù)合源靜止勵(lì)磁機(jī)
圖11 對應(yīng)圖10的勵(lì)磁機(jī)模型
第二種形式，圖12給出了整流器交流側(cè)兩個(gè)電源并聯(lián)、電流相加的原理圖。電勢源變壓器具有特殊的磁路設(shè)計(jì)或使用圖中示出的專用電抗器。通過可控整流器控制總電流的分流量來完成控制。
另一種設(shè)計(jì)方式，是使用特殊的電機(jī)內(nèi)部繞組提供電勢源，也可考慮把發(fā)電機(jī)輸出電流做為第二電源。
圖13為計(jì)算機(jī)模型，對于上述前兩種系統(tǒng)，該模型充分概括地考慮到了所有的設(shè)計(jì)參量。
進(jìn)一步改變一下這個(gè)系統(tǒng)，通過控制電流源變壓器的飽和程度，達(dá)到對勵(lì)磁機(jī)輸出的控制。該系統(tǒng)如圖14所示，計(jì)算機(jī)模型見圖15。
某些形式的復(fù)合源勵(lì)磁機(jī)的電勢源和電流源，不使用雙繞組變壓器，設(shè)計(jì)中使用的是三繞組變壓器，在磁路上完成電源的復(fù)合。圖13和圖15的數(shù)學(xué)關(guān)系及框圖適用于這些系統(tǒng)。
圖12 交流側(cè)電源并聯(lián)電流相加的復(fù)合源靜止勵(lì)磁機(jī)
圖13 復(fù)合源勵(lì)磁機(jī)總模型
圖14 交流側(cè)兩個(gè)電源電流相加的復(fù)合源靜止勵(lì)磁機(jī)
圖15 對應(yīng)圖14的模型
2.5 用于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的大部分工作在于收集整理并確定與該系統(tǒng)研究有關(guān)的數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)。對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾喕瘯p少許多繁瑣工作，但有時(shí)這種簡化也會受到限制。例如，當(dāng)要計(jì)算超過轉(zhuǎn)子角第一次擺動以外的特性時(shí)，使用簡化的模型會帶來許多困難，因?yàn)楝F(xiàn)代電網(wǎng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性通常要經(jīng)過數(shù)秒或數(shù)次振蕩后方能確定。因此，在某種情況下，模型是不能簡化的。
通常，不同制造廠家的設(shè)備都具有相同的基本勵(lì)磁控制功能，該功能可用廣義的PID-控制來進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。因此可用標(biāo)準(zhǔn)形式來表示勵(lì)磁控制的基本部分。
在圖16的PID控制圖中，第一個(gè)框內(nèi)的時(shí)間常數(shù)TC2、TB2表示微分函數(shù)(D)，另一個(gè)框中的TC1、TB1和增益KR表示PI函數(shù)。輸出限值Urmax、Urmin具非飽和的作用，如防止積分超出此限制。飽和和非飽和間的比較，見附錄D。限制器工作時(shí)的電路相當(dāng)于信號選擇器。
在特殊情況下，把標(biāo)準(zhǔn)模型不適用也不需要的項(xiàng)分別置“1”或“0”。有時(shí)須給出滯后時(shí)間常數(shù)的最小值，來調(diào)整數(shù)字計(jì)算的時(shí)間，避免在計(jì)算中的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。
有時(shí)由非飽和輸出限制構(gòu)成比例一積分函數(shù)，如圖17所示，反饋部件中的比例放大器提供該輸出限制。圖17還給出表達(dá)圖16各項(xiàng)組成的代數(shù)關(guān)系。當(dāng)表達(dá)非飽和輸出限制時(shí)，用圖16的結(jié)構(gòu)，可避免由于反饋回路中的放大器增益過高而產(chǎn)生數(shù)據(jù)計(jì)算問題。
圖18表示一種最早引用、且最常用的PID的基本模型，它的函數(shù)類似于圖16，只是在反饋框中給出了延時(shí)，而沒給出超前函數(shù)。因其不可能與圖16等效，因此此模型可選擇使用。
通常，模擬發(fā)電機(jī)端電壓信號是所有電壓調(diào)節(jié)器共用的。圖19表示交流側(cè)電壓信號與電流補(bǔ)償?shù)暮铣?。在此情況下，將輸入變量(發(fā)電機(jī)電壓和電流)進(jìn)行相量相加，然后將合成信號整流。通常，負(fù)載電流的補(bǔ)償采用下面的某一種形式：
――當(dāng)機(jī)組間沒有阻抗并聯(lián)時(shí)，采用電流補(bǔ)償時(shí)，造成一個(gè)人為的阻抗匹配，以使機(jī)組能合理地分擔(dān)無功功率。這種情況下，XC應(yīng)為正值。
――當(dāng)單一機(jī)組通過有效阻抗聯(lián)到系統(tǒng)時(shí)，或兩臺及多臺機(jī)組通過各自變壓器聯(lián)到系統(tǒng)時(shí)可將機(jī)端電壓調(diào)到工作點(diǎn)以上。比如，可以補(bǔ)償變壓器的部分阻抗，在這些情況下，RC和XC取負(fù)值。
多數(shù)負(fù)載電流的補(bǔ)償都可忽略RC分量，而只要求XC值，在此條件下，電流對無功分量的影響較小，起該作用的部件稱作無功電流補(bǔ)償器。無功電流也可由濾波過的直流信號按圖20與端電壓信號相加。
不使用補(bǔ)償器，而采用整流端電壓的濾波器時(shí)，仍適用于圖19和圖20。另一方面，濾波信號可能是復(fù)雜的，為了模擬，常須減小所給出的單一時(shí)間常數(shù)。此時(shí)間常數(shù)很小，可忽略不計(jì)。
某些補(bǔ)償器利用有功和無功功率做為補(bǔ)償變量。這些信號的濾波與端電壓的濾波不同。圖21表示這種類型的補(bǔ)償器。
加入負(fù)載補(bǔ)償器影響濾波后的端電壓信號與參考信號比較，參考信號表示端電壓的理想整定值，選擇等效電壓調(diào)節(jié)器的參考信號UREF，以滿足初始運(yùn)行條件。
當(dāng)使用補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)注意可能會在功率振蕩的情況下附加上正或負(fù)的阻尼。
3 專用語
3.1 參數(shù)
SE——旋轉(zhuǎn)交、直流勵(lì)磁機(jī)的飽和函數(shù)。
KE——旋轉(zhuǎn)交、直流勵(lì)磁機(jī)自勵(lì)磁場的常數(shù)，對于它勵(lì)勵(lì)磁機(jī)KE=1。
KM——復(fù)合靜止勵(lì)磁機(jī)的內(nèi)環(huán)磁場調(diào)節(jié)器的前部增益。
KD——去磁系數(shù)，交流勵(lì)磁機(jī)電抗的函數(shù)。
XE——整流器負(fù)載系數(shù)，與電壓源、電流源的換向電抗成正比或與電壓、電流源的合成等效。
TM——復(fù)合靜止勵(lì)磁機(jī)同內(nèi)環(huán)磁場調(diào)節(jié)器的等效時(shí)間常數(shù)。
Fe——換向壓降系數(shù)，見附錄B。
Ki——電流回路輸入常數(shù)。
KP——電壓回路輸入常數(shù)。
KL——發(fā)電機(jī)端繞組電壓計(jì)算系數(shù)，與發(fā)電機(jī)定子漏抗成正比。
Ufmax——最大輸出電壓，對應(yīng)于復(fù)合勵(lì)磁機(jī)的飽和值。
——調(diào)節(jié)器最大和最小輸出。
UBmax——最大電壓，對應(yīng)于復(fù)合勵(lì)磁機(jī)電流源分量的飽和值。
——發(fā)電機(jī)額定電壓時(shí)，電勢源勵(lì)磁機(jī)的最大和最小空載輸出電壓。
KG——內(nèi)環(huán)磁場調(diào)節(jié)器的反饋增益。
——內(nèi)環(huán)磁場調(diào)節(jié)器反饋的最大和最小值
TR，TR1，TR2，TR3——端電壓變換器、負(fù)載電流補(bǔ)償器的時(shí)間常數(shù)。
XP——電勢源變換器的整流器負(fù)載系數(shù)。
——電壓調(diào)節(jié)器增益常數(shù)。
——電壓調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)。
XC1，RC，，ɑ，ɑ′，β，β′——負(fù)載補(bǔ)償器的增益常數(shù)。
3.2 變量
Ur——調(diào)節(jié)器輸出。
Uf——發(fā)電機(jī)磁場電壓、勵(lì)磁系統(tǒng)輸出(用發(fā)電機(jī)氣隙磁場電壓的標(biāo)么值表示)。
If——發(fā)電機(jī)磁場電流(用發(fā)電機(jī)氣隙磁場電流的標(biāo)么值表示)。
——發(fā)電機(jī)端電壓的矢量及標(biāo)量(用額定值的標(biāo)么值表示)。
——發(fā)電機(jī)電流韻矢量及標(biāo)量(用額定值的標(biāo)么值表示)。
Ue——換向電抗后邊的勵(lì)磁機(jī)電壓(用對應(yīng)發(fā)電機(jī)氣隙磁場電壓的標(biāo)么值表示)。
UREF——電壓調(diào)節(jié)器參考值(它的確定滿足初始條件)。
UB——復(fù)合勵(lì)磁機(jī)電流源分量的輸出電壓。
USS——電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸出。
UERR——電壓控制通道的偏差信號。
Uie——勵(lì)磁機(jī)磁場電阻兩端的電壓降。
附錄A
附錄A
(標(biāo)準(zhǔn)的附錄)
標(biāo)么系統(tǒng)
在系統(tǒng)研究中發(fā)電機(jī)電流和電壓用標(biāo)么變量表示。通常用標(biāo)么系統(tǒng)推導(dǎo)這些電流、電壓，一個(gè)標(biāo)么值定義為：
——一個(gè)標(biāo)么的發(fā)電機(jī)端電壓做為額定電壓。
——一個(gè)標(biāo)么的定子電流做為額定電流。
——一個(gè)標(biāo)么發(fā)電機(jī)磁場電流定義為在發(fā)電機(jī)氣隙線上產(chǎn)生發(fā)電機(jī)額定端電壓所要求的磁場電流。
——一個(gè)標(biāo)么發(fā)電機(jī)磁場電壓作為相應(yīng)的磁場電壓。
勵(lì)磁系統(tǒng)模型與發(fā)電機(jī)模型在定子端和磁場端應(yīng)相關(guān)聯(lián)，輸入到電壓調(diào)節(jié)器的標(biāo)么機(jī)端電壓等合成信號應(yīng)為相應(yīng)的標(biāo)么變量。勵(lì)磁機(jī)輸出電流應(yīng)為以發(fā)電機(jī)磁場電流為基值的標(biāo)么值，且勵(lì)磁機(jī)輸出電壓也應(yīng)為發(fā)電機(jī)磁場電壓為基值的標(biāo)么值。
附錄B
附錄B
(標(biāo)準(zhǔn)的附錄)
整流器調(diào)節(jié)特性
供給整流器電路的所有交流電源都有內(nèi)部阻抗，主要是感性的，這個(gè)阻抗的作用改變了換向過程，也改變了隨整流器負(fù)載電流增大而非線性地減小整流器平均輸出電壓的特性。常采用的三相全波橋式電路有三種性質(zhì)不同的模型。根據(jù)整流器負(fù)載電流，用方程式表示這三種模型的特征。
圖B1給出負(fù)載電壓和負(fù)載電流的特性曲線及相應(yīng)的方程。當(dāng)XE值很小時(shí)，只需模擬模型1即可，可用圖9的模型表示。
圖1 整流器調(diào)節(jié)特性及相應(yīng)的方程
附錄C
附錄C
(標(biāo)準(zhǔn)的附錄)
飽和函數(shù)
由于飽和原因，勵(lì)磁機(jī)飽和函數(shù)SG與勵(lì)磁增大有關(guān)。在給定的勵(lì)磁輸出電壓下，可在常電阻負(fù)載飽和曲線、氣隙線、空載飽和曲線上分別得到產(chǎn)生此電壓所需的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，從而確定出A、B、C的量值(圖C1)。
對于交流勵(lì)磁機(jī)，當(dāng)不單獨(dú)模擬負(fù)載相關(guān)效應(yīng)時(shí)(圖7模型)，直流整流子勵(lì)磁場應(yīng)有：
對于交流勵(lì)磁機(jī)，單獨(dú)模擬同步電抗和換向電抗的負(fù)載相關(guān)效應(yīng)時(shí)(圖6模型)應(yīng)有：
通常，有兩點(diǎn)即可確定飽和函數(shù)，一般選在勵(lì)磁機(jī)輸出電壓頂值的1.0倍和0.75倍兩點(diǎn)。
圖C1 勵(lì)磁機(jī)飽和特性
在控制電路和勵(lì)磁機(jī)模擬中有兩種限制必須考慮。“WIND-UP”限制允許輸出Y超出此限制，但只允許參量X在限制值內(nèi)變化(圖D1)?！癗ON WIND-UP”限制(圖D2)不允許量Y超出此限值，在硬件中，NON WIND-UP限制要求在其裝置中有某種形式的反饋NON WIND-UP限制的數(shù)學(xué)描述如圖D2，圖D2不適于延時(shí)函數(shù)。
在較復(fù)雜的函數(shù)應(yīng)用了NON WIND-UP限制，是否能簡化還取決了函數(shù)本身。如圖16的PI-調(diào)節(jié)器，具有“NONWIND-UP”限制的作用，并亦繪出調(diào)節(jié)器簡圖。由前部通道的比例部分，增益KP和這部分反饋的WIND-UP限制可得出詳細(xì)的模擬"NON WIND-UP”限制。
圖D1 WIND-UP限制器
圖D2 NON WIND-UP限制器
附錄E
附錄E
(提示的附錄)
典型勵(lì)磁系統(tǒng)工業(yè)計(jì)算機(jī)模型范例
圖E1 靜止勵(lì)磁機(jī)帶PID-控制范例。同步電機(jī)端電壓不采用限制器。
圖E2 靜止勵(lì)磁機(jī)的磁場電流限制器應(yīng)用范例，勵(lì)磁機(jī)具有同步電機(jī)端電壓的PID-控制。
磁場電流限制Ifref可為常數(shù)，也可在運(yùn)行中根據(jù)使用要求而變更。
圖E3 同步電機(jī)端電壓帶PID-控制，并帶磁場電流控制輔助回路的靜止勵(lì)磁范例。
圖E4 同步電機(jī)端電壓帶PID-控制，并聯(lián)磁場電流控制的交流勵(lì)磁機(jī)范例。中間放大器是可控硅整流器，由像永磁機(jī)這樣的恒壓源供整流器電源。
圖E5 同步機(jī)端電壓帶PID-控制及帶勵(lì)磁機(jī)磁場電流輔助控制回路的交流勵(lì)磁機(jī)范例。中間放大器是由機(jī)端電壓供電的可控變流器。
圖E1 不帶限制器的靜止勵(lì)磁機(jī)應(yīng)用范例
圖E2 采用低值門電路的靜止勵(lì)磁機(jī)磁場電流限制器的應(yīng)用范例
圖E3 帶磁場電流限制器輔助回路的靜止勵(lì)磁機(jī)應(yīng)用范例
圖E4 帶二級管的交流磁場機(jī)應(yīng)用范例
由可控硅整流器提供勵(lì)磁機(jī)磁場電流（恒壓源）
電壓調(diào)節(jié)器具有低值門電路（LV）的勵(lì)磁機(jī)磁場電流限制
圖E5 帶磁場電流限制器輔助回路的旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)應(yīng)用范例
