基于matlab的同步发电机励磁系统仿真分析与解读.docx

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基于matlab的同步发电机励磁系统仿真分析与解读

基于MATLAB的同步发电机励磁系统仿真分析与调试

摘要

同步发电机为电力系统提供能量，其控制性能的好坏将直接决定电力系统的安全与稳定运行状况。

通过掌握利用MATLAB对励磁控制进行分析和研究的技能，能灵活应用MATLAB的SIMULINK仿真软件，分析系统的性能。

通过使用这一软件工具从繁琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。

文章介绍了MATLAB/Simulink的主要特点、基本模块和功能，分析了同步发电机励磁调节系统的组成及其各个部分原理，建立了基于MATLAB的同步发电机及其励磁调节系统仿真模型，最后建立了以PID和PSS为励磁控制方式的同步发电机励磁调节系统数学模型，在Simulink环境下进行了仿真，收到了很好的效果。

关键词：

MATLAB；同步发电机；励磁调节系统；建模；仿真；校正

ABSTRACT

Synchronousgeneratoristheenergyofthepowersystemprovider,anditsperformancewilldirectlydeterminethequalityofpowersystemsecurityandstabilityinoperation.ThroughmasteringtheuseofMATLABforanalysisoftheexcitationcontrolandresearchskills,flexibilitySIMULINKofMATLABsimulationsoftwaretoanalyzeperformanceofthesystem.Throughtheuseofthesoftwaretoolsfromtheboringredtapeoutofthecomputationalburden,andmorereflectiononthenatureoftheproblemusedtosolve

practicalproductionandresearchissues.

ThearticleintroducedthemainfeaturesoftheMATLAB/Simulink，thebasicmoduleandfunction，illustratedthecompositionofsynchronousgeneratorexcitationsystemanditsprincipleofeverypart，establishedthesimulationmodelofgeneratorfromMATLABandthatofgeneratorexcitationsystem，establishedsynchronousgeneratorexcitationsystemmathematicalmodelthatiscontrolledbythewayofPIDandPSS，simulateitintheenvironmentofSimulink，getprettygoodresults.

Keywords:

MATLAB；synchronousgenerator；excitationcontrolsystem；modeling；simulation；

Correction

1绪论.......................................................................................................................................1

1.1引言.................................................................................................................................1

1.2MATLAB软件介绍.........................................................................................................1

1.2.1MATLAB软件简介...................................................................................................1

1.2.2MATLAB软件语言特点...........................................................................................2

1.3Simulink介绍...................................................................................................................4

1.3.1Simulink简介............................................................................................................4

1.3.2Simulink功能介绍.................................................................................................4

1.3.3Simulink特点介绍.................................................................................................5

2同步发电机的励磁系统控制原理.......................................................................................6

2.1同步发电机介绍.............................................................................................................6

2.1.1同步发电机工作原理............................................................................................6

2.2励磁系统概述...............................................................................................................7

2.3励磁系统的分类...........................................................................................................8

2.3.1直流励磁机励磁系统............................................................................................8

2.3.2半导体励磁系统....................................................................................................9

2.3.3静止励磁机励磁系统..........................................................................................11

2.4励磁系统在电力系统中的作用...............................................................................12

3同步发电机励磁系统MATLAB的建模...............................................................................15

3.1励磁控制系统数学模型[3]............................................................................................15

3.2励磁控制系统的传递函数[3]........................................................................................16

4励磁控制系统的MATLAB仿真...........................................................................................17

4.1励磁系统的仿真...........................................................................................................17

4.1.1闭环传递函数......................................................................................................17

4.1.1.1闭环传递函数模型..........................................................................................17

4.1.1.2求阶跃响应......................................................................................................18

4.1.2开环传递函数.........................................................................................................18

4.1.2.1开环传递函数模型..........................................................................................18

4.1.2.2根轨迹图设计器..............................................................................................19

4.2Simulink求阶跃响应.....................................................................................................21

4.2.1阶跃响应的暂态指标.............................................................................................22

5励磁控制系统的校正.........................................................................................................23

5.1校正的概念...................................................................................................................23

5.2校正的分类...................................................................................................................23

5.3PID对励磁系统的仿真.................................................................................................23

5.4励磁系统稳定器（PSS）对系统的校正.....................................................................25

5.5PID校正和PSS校正的分析比较................................................................................27

6总结.....................................................................................................................................28参考文献.................................................................................................................................29致谢.........................................................................................................................................30附录.........................................................................................................................................31附录A计算暂态指标的程序1......................................................................................31附录B计算暂态指标的程序2......................................................................................33

1绪论

1.1引言

同步发电机是电力系统的能量提供者,供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。

为保证同步电机的正常运行，励磁系统应能够稳定地提供同步电机从空载到满载以及过载时所需的励磁电流；当电力系统发生故障而使电网电压下降时，励磁系统应能快速强行励磁，以提高系统的稳定性；当同步电机内部发生短路故障时，为迅速排除故障并使故障局限在最小范围内，应能快速灭磁。

按照所采用的整流装置，目前的励磁系统可分为2类：

一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流变成直流后供给励磁的半导体励磁系统。

无论采取哪种方式，同步发电机励磁系统都是通过调节发电机励磁绕组两端的励磁电压，从而影响发电机的电动势，达到稳定端电压的目的。

在MATLAB中，电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以据所研究对象物理模型建立其数学模型，并进行封装和自定义为用户自己的模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。

同时更重要的是，MATLAB提供了丰富的工具箱资源。

以及大量的实用模块，在Simulink环境下，不仅可以进行电力系统的仿真计算，还可以实现复杂的控制方法仿真，使得我们更加深入地研究电力系统的行为特性。

1.2MATLAB软件介绍

MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

1.2.1MATLAB软件简介

在20世纪70年代中期,CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发

了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库.EISPACK是特征值求解的

FORTRAN程序库,LINPACK是解线性方程的程序库.在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平.到20世纪70年代后期,身为美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler,在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库,但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间,于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序.CleveMoler给这个接口程序取名为MATLAB,该名为矩阵（matrix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合.在以后的数年里,MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流传.

在当今30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大类.一类是数值计算型软件,如MATLAB、Xmath、Gauss等,这类软件长于数值计算,对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件,如Mathematica、Maple等,这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精度解,其缺点是处理大量数据时效率较低.MathWorks公司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓了其符号计算,文字处理,可视化建模和实时控制能力,开发了适合多学科,多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB.经过多年的国际竞争,MATLAB已经占据了数值型软件市场的主导地位.

时至今日,经过MathWorks公司的不断完善,MATLAB已经发展成为适合多学科,多种工作平台的功能强劲的大型软件.在国外,MATLAB已经经受了多年考验.在欧美等高校,MATLAB已经成为线性代数,自动控制理论,数理统计,数字信号处理,时间序列分析,动态系统仿真等高级课程的基本教学工具;成为攻读学位的大学生,硕士生,博士生必须掌握的基本技能.在设计研究单位和工业部门,MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题.

1.2.2MATLAB软件语言特点

一种语言之所以能如此迅速地普及,显示出如此旺盛的生命力,是由于它有着不同于其他语言的特点.正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样,被称作为第四代计算机语言的MATLAB,利用其丰富的函数资源,使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来.MATLAB的最突出的特点就是简洁.MATLAB用更直观的,符合人们思维习惯的代码,代替了C和FORTRAN语言的冗长代码.MATLAB给

用户带来的是最直观,最简洁的程序开发环境.以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。

①语言简洁紧凑,使用方便灵活,库函数极其丰富.MATLAB程序书写形式自由,利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务,压缩了一切不必要的编程工作.由于库函数都由本领域的专家编写,用户不必担心函数的可靠性.可以说,用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上.具有FORTRAN和C等高级计算机语言知识的读者可能已经注意到,如果用FORTRAN或C语言去编写程序,尤其当涉及矩阵运算和画图时,编程会很麻烦.例如,如果用户想求解一个线性代数方程,就得编写一个程序块读入数据,然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）编写一个程序块来求解方程,最后再输出计算结果.在求解过程中,最麻烦的要算第二部分.解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环,选择稳定的算法以及代码的调试都不容易.即使有部分源代码,用户也会感到麻烦,且不能保证运算的稳定性.解线性方程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写至少需要好几十行.再如用双步QR方法求解矩阵特征值,如果用FORTRAN编写,至少需要四百多行,调试这种几百行的计算程序可以说很困难。

②运算符丰富.由于MATLAB是用C语言编写的,MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符,灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短,具体运算符见附表。

③MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环,while循环,break语句和if语句）,又有面向对象编程的特性。

④语法限制不严格,程序设计自由度大.例如,在MATLAB里,用户无需对矩阵预定义就可使用。

⑤程序的可移植性很好,基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

⑥MATLAB的图形功能强大.在FORTRAN和C语言里,绘图都很不容易,但在

MATLAB里,数据的可视化非常简单.MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。

⑦MATLAB的缺点是,它和其他高级程序相比,程序的执行速度较慢.由于MATLAB

的程序不用编译等预处理,也不生成可执行文件,程序为解释执行,所以速度较慢。

⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色.MATLAB包含两个部分:

核心部分和各种可选的工具箱.核心部分中有数百个核心内部函数.其工具箱又可分为两类:

功能性工具箱和学科性工具箱.功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能,图示建模仿真功能,文字处理功能以及与硬件实时交互功能.功能性工具箱能用于多种学科.而学科性工具

箱是专业性比较强的,如control,toolbox,signalprocessingtoolbox,communicationtoolbox

等。

这些工