基于MATLAB的同步发电机励磁系统仿真研究

摘 要：发电机的励磁系统可以将机端电压维持在一个相对稳定的水平，这对于保证发电机正常运行是至关重要的。另外，励磁系统还有助于发电机的暂态稳定。本文在MATLAB/Simulink试验环境下搭建了最为典型的单机――无穷大系统仿真模型，并在此模型的基础上研究系统发生三相短路故障时发电机励磁系统的动态调节特性，以便为更深刻地理解发电机的励磁性能对电机本身的影响做好铺垫。

关键词 ：MATLAB；同步发电机；励磁系统

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.02.150

1 引言

同步发电机作为电网能量的注入者而注定成为电网中的重要元件，其运行性能好坏将直接关系到整个电力系统是否能够保持安全稳定运行[1]，同步发电机的合理控制为此显得颇为重要。虽然调节机械功率和励磁电压是发电机控制的最主要的两个方法，但是由于调节机械功率需要调整过程缓慢的调速器，因此在研究励磁系统的控制时可以将调速器认为不动作。这样，励磁控制和机械功率控制便可以解耦分析。

发电机的励磁系统在维持发电机机端电压水平恒定和合理分配并联机组无功方面具有突出贡献，并且对于电力系统的稳定运行也有相当重要的作用[2]。三相短路故障已成为公认的电网最为严重的事故之一，它一旦发生便有可能造成大面积停电，严重威胁电网的安全稳定运行。因此，本文通过仿真研究发电机励磁系统对发电机三相短路过渡过程的影响具有重要意义。

2 仿真模型

本文为了重点研究励磁系统对发电机暂态稳定的影响而简化了电力系统模型，在MATLAB/Simulink环境下构建如图1所示的单机―无穷大系统仿真模型。

此仿真模型由实际电网简化而来，简化后保留了发电机、励磁控制系统、变压器、双回线路、负荷和无穷大系统。

3 仿真分析

案例：设置同步发电机在15秒时刻出线首端发生三相短路故障，研究励磁系统在发电机三相短路故障过渡过程中的调节作用。

由图3-1可以看出，当同步发电机15s时刻出线首端突然发生三相短路时的励磁电压Vf1快速上升到最大电压值5，这说明了励磁系统在三相短路瞬态进行了强励调节来阻止机端电压迅速跌落。另外，还可以看出励磁电流Ifd的波形出现了振荡现象，这是由于励磁电压的剧烈变化导致，说明励磁系统调节过程有可能引发系统振荡。

由图3-2和图3-3还可以看出，发电机出口发生三相短路瞬间时功角同样发生了振荡现象，机端电压大减，输出的有功Peo猛减后开始波动，15.1s时刻故障消失，在励磁系统强励调节作用下输出的有功Peo在机端电压恢复后也很快恢复了正常值；机端线电压Vt在15s时刻因为短路故障而由额定值1陡降至0.4，之后由于强励的启动，机端线电压Vt不再急剧下降，而是开始在0.3附近减幅波动，15.1s时刻故障消失后机端线电压Vt在强励作用下迅速恢复到额定值1。转子转速W在短路时由于发电机负载大减，因此开始加速，在强励的作用下才被控制住，由于惯性较大经15s时间减幅波动才稳定在额定值1。

由上述仿真结果可以看出，励磁系统在系统发生三相短路故障时对发电机进行强励调节能使发电机较快地恢复机端电压，并且保持发电机有功功率的正常输送和可以有效提高发电机的暂态稳定性。

4 总结

本文基于MATLAB构建了单极-无穷大系统模型并且对发电机出线首端发生三相短路故障时励磁系统的调节过程进行了仿真研究。研究结果表明，励磁系统的强励调节可以使三相短路故障时发电机机端电压尽快恢复，并且保证发电机有功功率正常输送，这对于提高发电机的暂态稳定性具有较大帮助。

参考文献：

[1]杨培宏.发电机励磁系统对电网稳定性的影响[D].包头：内蒙古科技大学，2008.

[2]丁志东，刘国海.同步发电机励磁对稳定性影响的研究[J].大电机技术，2007（04）：60-64.