CN103516278A - 基于matlab的励磁系统全功能特性仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，包括发电机、厂用电、主变压器、短路故障设置单元、线路、AVR单元、PSS单元、机端电压有效值计算模块、定子过流限制单元、转子过流限制单元和低励限制单元，发电机的一些参数输入到AVR单元，AVR输出调节的发电机电压至发电机；所述的发电机的输出接至厂用电和主变压器，主变压器的输出通过线路连接电网，主变压器的输出连接有短路故障设置单元；定子过流限制单元、转子过流限制单元和低励限制单元对发电机的参数进行控制处理。本发明首次利用MATLAB建立了功能完整、符合实际的励磁系统仿真模型，各单元接入方式灵活可选，代表性强，可以适应和满足不同结构励磁调节器的仿真需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种励磁系统的仿真系统，尤其涉及一种基于MATLAB的励磁系统全功能特性。
背景技术
目前在电力系统常用的PSASP、BPA仿真计算程序等，由于不对用户开放，不便进行仿真模型的开发和设计；仿真测试信号类型及接入点、中间变量输出观测都受到限制，无法满足有关仿真测试的要求；励磁系统相关限制单元模型类型不全（目前只提供了过励限制、低励限制模型），但由于与实际不符，模型不完善，参数物理意义不明确，一直无法使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，应用更加灵活，适应性更广。
本发明采用下述技术方案：一种基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，包括AVR单元、PSS单元、机端电压有效值计算模块、定子过流限制单元、转子过流限制单元和低励限制单元，电压给定值和试验信号经加法器1叠加后形成电压参考值至AVR单元；两个机端电压分量输入至数据转换器，数据转换器的输出至机端电压有效值计算模块，机端电压有效值计算模块的输出VS至AVR单元；转子电流输入至AVR单元；发电机有功给定值和发电机有功经加法器2叠加后输入至PSS单元，转子速度偏差输入至PSS单元，PSS单元的输出至AVR单元；发电机无功也至AVR单元，AVR输出Vf至发电机用于调节的发电机电压；所述的发电机的输出接至厂用电和主变压器，主变压器的输出通过线路连接电网，主变压器的输出连接有短路故障设置单元。
所述的机端电压有效值计算模块输出的机端电压也输出至定子过流限制单元和低励限制单元，所述的发电机有功也输入至低励限制单元，所述的发电机无功同时输入定子过流限制单元和低励限制单元，所述的定子过流限制单元还输入有机端电流，所述的转子电流也输入至转子过流限制单元；所述的定子过流限制单元的输出和转子过流限制单元的输出接至低比门，低比门的输入还接有AVR单元的过励输出信号，所述低励限制单元的输出和低比门的输出接至高比门，高比门的输出接至AVR单元的低励信号输入端。
所述的AVR单元包括有调差单元、PID环节、放大环节，励磁变换相电抗，输入AVR单元的电压参考值至AVR加法器4，调差单元的输出与输入AVR单元的发电机无功输入至AVR乘法器1，AVR乘法器1的输出和输入AVR单元的机端电压通过加法器3输入至AVR机端电压测量环节，AVR机端电压测量环节的输出也至AVR加法器4，AVR加法器4的输出至低比门输入；高比门的输出至和PSS的输出至AVR加法器5，AVR加法器5的输出依次通过PID环节、放大环节、限幅1进入限幅2，测量环节的输出也至限幅2，限幅2的输出至AVR加法器6，励磁变换相电抗和输入AVR单元的转子电流输入至AVR乘法器2，AVR乘法器2的输出至AVR加法器6，AVR加法器6的输出即AVR单元输出，用于调节的发电机机端电压。
所述的定子过流限制单元包括有顶值判断单元、热积累计算单元、过热判断单元和输出控制逻辑单元，输入定子过流限制单元的机端电压通过机端电压测量环节输送至顶值判断单元，输入定子过流限制单元的机端电流通过机端电流测量环节输送至顶值判断单元、启动值单元和定子过流限制第一校正环节，启动值单元的输出通过热积累计算单元至过热判断单元，过热判断单元和顶值判断单元的输出至电流限制给定单元，电流限制给定单元的输出、顶值判断单元的输出和定子过流限制第一校正环节的输出均至输出控制逻辑单元；发电机无功依次通过无功测量环节、定子过流限制第二校正环节至无功限制给定单元，无功限制给定单元的第一输出端通过非门和逻辑/数值转换 单元至输出控制逻辑单元，无功限制给定单元的第二输出端直接至输出控制逻辑单元，输出控制逻辑单元的输出即为定子过流限制单元的输出。
所述的转子过流限制单元包括有顶值判断单元、过热判断单元、热积累计算单元、给定值选择单元和输出控制逻辑单元，转子电流通过转子电流测量环节输入至启动值单元、顶值判断单元和转子电流校正环节，启动值单元的输出通过热积累计算单元至过热判断单元，过热判断单元的输出和顶值判断单元的输出至给定值选择单元，给定值选择单元的输出和转子电流校正环节的输出至转子过流限制加法器，转子过流限制加法器的输出、顶值判断单元的输出和过热判断单元的输出至输出控制逻辑单元，输出控制逻辑单元的输出即转子过流限制单元的输出。
本发明有以下有益效果：
（1）、首次利用MATLAB建立了功能完整、符合实际的励磁系统仿真模型，各单元接入方式灵活可选，代表性强，可以适应和满足不同结构励磁调节器的仿真需要。其中过励限制、低励限制、定子过流限制（包括最大无功限制）模型是在研究多种励磁系统限制单元工作原理及实测特性的基础上自主研究建立，通过与实测特性比对，模型工作稳定，符合实际。
（2）、仿真系统为开放式设计，使用者可以根据不同结构的仿真对象方便地进行组合和增减，相比常用的系统分析软件（如PSASP、BPA等不对用户开放，无法对模型结构进行改变）应用更加灵活，适应性更广。
（3）、提供了专用频率特性试验信号模块及计算程序，可进行PSS有补偿特性及无补偿特性的仿真测试，实现PSS单元的预整定计算及试验结果的仿真校核等；而PSASP、BPA却无法实现PSS有补偿特性的仿真测试。
（4）、利用MATLAB本身提供的录波器功能可以很方便地观察任意测点的响应波形，利于进行分析和调试，提高工作效率。
（5）、仿真系统中各整定参数的结构及物理意义，与国标保持一致，便于使用者掌握和应用。
附图说明
图1为本发明的主系统模型图；
图2为AVR模型图；
图3为定子电流限制模型图；
图4为转子电流限制模型图；
图5为低励限制模型图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，包括发电机、厂用电、主变压器、短路故障设置单元、线路、AVR单元、PSS单元、机端电压有效值计算模块、定子过流限制单元、转子过流限制单元和低励限制单元，电压给定值和试验信号（仿真所需要的电压测试信号）经加法器1叠加后形成电压参考值Vref输入至AVR单元；两个机端电压分量输入至数据转换器，数据转换器的输出至机端电压有效值计算模块，机端电压有效值计算模块的输出VS至AVR单元；转子电流ifd输入至AVR单元；发电机有功给定值和发电机有功经加法器2叠加后输入至PSS单元，转子速度偏差输入w至PSS单元，PSS单元的输出upss至AVR单元；发电机无功Q也至AVR单元，AVR输出调节电压Vf至发电机用于调节发电机电压；所述的发电机的输出接至厂用电和主变压器，主变压器的输出通过线路连接电网，主变压器的输出连接有短路故障设置单元。
所述的机端电压有效值计算模块输出的机端电压也输出至定子过流限制单元和低励限制单元，所述的发电机有功也输入至低励限制单元，所述的发电机无功同时输入定子过流限制单元和低励限制单元，所述的定子过流限制单元还输入有机端电流，所述的转子电流也输入至转子过流限制单元；所述的定子过流限制单元的输出和转子过流限制单元的输出接至低比门，低比门的输入还接有AVR单元的过励信号输出端GUOLI（信号连接符，来自图2），所述低励限制单元的输出和低比门的输出接至高比门，高比门的输出接至AVR 单元的低励信号输入端DILI（信号连接符，接至图2）。
如图2所示，所述的AVR单元包括有调差单元、PID环节、放大环节，励磁变换相电抗，输入AVR单元的电压参考值vref至AVR加法器4，调差单元的输出与输入AVR单元的发电机无功Q输入至AVR乘法器1，AVR乘法器1的输出和输入AVR单元的机端电压vs通过加法器3输入至AVR机端电压测量环节，AVR机端电压测量环节的输出也至AVR加法器4，AVR加法器4的输出至图1中的低比门，与限制单元输出进行比较。图1中的DILI和PSS的输出upss至AVR加法器5，AVR加法器5的输出依次通过PID环节、放大环节、限幅1进入限幅2，AVR机端电压测量环节的输出也至限幅2，限幅2的输出至AVR加法器6，励磁变换相电抗和输入AVR单元的转子电流ifd输入至AVR乘法器2，AVR乘法器2的输出至AVR加法器6，AVR加法器6的输出即AVR单元输出Vf，用于调节发电机机端电压。
如图3所示，所述的定子过流限制单元包括有顶值判断单元、热积累计算单元、过热判断单元和输出控制逻辑单元，输入定子过流限制单元的机端电压vs通过机端电压测量环节输送至顶值判断单元，输入定子过流限制单元的机端电流is通过机端电流测量环节输送至顶值判断单元、启动值单元和定子过流限制第一校正环节，启动值单元的输出通过热积累计算单元至过热判断单元，过热判断单元和顶值判断单元的输出至电流限制给定单元，电流限制给定单元的输出、顶值判断单元的输出和定子过流限制第一校正环节的输出均至输出控制逻辑单元；发电机无功Qe依次通过无功测量环节、定子过流限制第二校正环节至无功限制给定单元，无功限制给定单元的第一输出端通过非门和逻辑/数值转换单元至输出控制逻辑单元，无功限制给定单元的第二输出端直接至输出控制逻辑单元，输出控制逻辑单元的输出即为定子过流限制单元的输出。
如图4所示，所述的转子过流限制单元包括有顶值判断单元、过热判断单元、热积累计算单元、给定值选择单元和输出控制逻辑单元，转子电流通 过转子电流测量环节输入至启动值单元、顶值判断单元和转子电流校正环节，启动值单元的输出通过热积累计算单元至过热判断单元，过热判断单元的输出和顶值判断单元的输出至给定值选择单元，给定值选择单元的输出和转子电流校正环节的输出至转子过流限制加法器7，转子过流限制加法器7的输出、顶值判断单元的输出和过热判断单元的输出至输出控制逻辑单元，输出控制逻辑单元的输出即转子过流限制单元的输出。
如图5所示，所述的低励限制单元包括有低励定值表单元、低电压补偿单元、低励投退控制单元，发电机有功PE通过有功测量环节和低励定值表至低励限制乘法器3，发电机机端电压通过机端电压测量环节至低电压补偿单元（作用是根据机端电压变化动态补偿低励限制定值），低电压补偿单元的输出至低励限制乘法器3，低励限制乘法器3的输出通过滤波环节至低励限制加法器8；发电机无功通过无功测量环节、低励限制校正环节至低励限制加法器8，低励限制加法器8的输出通过放大环节K至低励限制加法器9，低励投退控制单元的输出至加法器9，加法器9的输出即低励限制单元的输出。
下面以自并励励磁系统的机组、励磁调节器采用各限制单元输出以竞比门方式接在PID环节前的结构为例，介绍见各模块的功能。
图1中的各模块分析：
1、发电机：采用MATLAB提供的详细模型，这个模型是已知的，需输入的参数可为铭牌参数或实测参数；
2、主变压器：采用MATLAB提供的详细模型，需输入的参数可为铭牌参数或实测参数；
3、厂用负荷：为一RLC型并联型负载，采用缺省值；
4、线路：模型结构可选，可按机组实际的联系阻抗选定；
5、电网：采用无穷大系统或实际等效电网；
6、短路故障模块：可实现单相、两相、三相短路故障模拟（接地电阻及短路时间可调）；
7、PSS模块：提供了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型PSS模型及信号处理方式，可按实际选用并进行参数设定，可投退；
8、试验信号模块：可采用MATLAB提供的各种信号进行试验和测试，也可用自编的专用测试信号及FFT程序完成频率响应测试。
此仿真系统的工作流程介绍如下：
通过“电压给定”、“有功给定”及“电网”电压水平设定，可以将发电机的有功、无功及机端电压调整到所需工况。
通过选取不同的试验信号、设置故障、投切负荷，可以进行AVR、PSS、限制单元的各种特性仿真及参数优化。
机端电压、调差单元、电压给定值叠加后形成的电压调节信号(参见附图2)，与过励限制输出、定子过流限制输出一起接到低比门min（参见附图1），低比门min的输出与低励限制的输出一起接到高比门max，高比门max输出与电力系统稳定器（PSS）输出叠加后（图2所示），形成总的调节信号，经PID调节、放大后，最终调节转子电压，达到控制发电机机端电压到目的。
正常运行时，各限制单元不动，过励限制和定子过流限制输出为高值，低励限制输出低值，电压调节通道进行正常调节；当由于过励造成过励限制或定子电流限制动作时它们输出低值，而低励限制不会动仍输出一个低值，过励限制或定子电流限制就会取代电压通道进行调节，动作于减磁并将转子电流或定子电流限制在一定值上，保护发电机不被损坏；当由于无功偏低造成低励限制动作时，它将输出一个高值，而过励限制或定子电流限制不会动仍输出一个高值，低励限制就会取代电压通道进行调节，动作于增磁，并将无功限制一给定值，避免发电机失去稳定。当发电机恢复正常运行后，各限制单元将自动返回，电压调节通道进行正常调节。
图2中所示的AVR单元模块的分析如下：
AVR采用自并励系统模型，各参数可按实测值整定。工作流程见上述，除了已提到的模块，还包含下列模块：
1、“测量环节”：测量环节模型1/（1+Trs）,测量时间常数Tr与调节器有关，一般取0.02；
2、“限幅1”：调节器控制环节最大、最小输出限制值；
3、“限幅2”：励磁系统最大、最小输出限制值；
4、“励磁变换向电抗”：用于反映励磁变阻抗对励磁系统输出电压的影响具体结构是已知的现有技术。
图3中所示的定子过流限制单元模块的分析如下：
采用反时限限制特性设计（即过电流值越大，则允许过流时间越短），各主要模块及作用如下：
1、“测量环节”：测量环节模型1/（1+Trs）,测量时间常数Tr与调节器有关，一般取0.02。本单元输入量分别为发电机无功Q、发电机机端电流Is、发电机机端电压Us；
2、“启动值”：用于设定限制单元进行热积累计算的启动值；
3、“热积累计算”：为一积分器，热积累B’=∫（Is2-启动值2）dt，下限幅为0；
4、“顶值判断”：用于判断定子电流是否达到允许最大值，并按要求将定子电流限制到设定值；
5、“过热判断”：用于设定允许的热积累定值B；判断热积累B’是否达到设定值B；整定过流反时限动作后允许再次过流的闭锁值，避免定子过流限制反复动作；
6、“电流限制给定”：用于整定顶值限制和过热限制定值，并通过逻辑判断选择其中的一个作为目标值（当过热动作时目标值取长期允许运行值，当电流超过顶值时目标值取顶值），并将定子电流限制到该目标值；
7、“无功限制给定”：用于在减小定子电流时,防止无功减为负值；
8、“校正环节”：校正环节模型（1+T1s）/（1+T2s），一般用于超前校正，有利于过励限制工作的稳定性。T1、T2缺省值取0.5、0.1；
9、“double”模块：用于逻辑量与数值量间的转换；
10、“输出控制逻辑”：在限制单元动作时，实现定子电流或无功的闭环控制，而在限制单元未动时确保单元不会误动；完成限制单元的投退设定。定子过流限制输出接至图1低比门min。
图4所示的转子过流限制单元模型的分析如下：
采用反时限限制特性设计，各主要模块及作用如下：
1、“测量环节”：测量环节模型1/（1+Trs）,测量时间常数Tr与调节器有关，一般取0.02，本单元输入量为发电机转子电流If；
2、“启动值”：用于设定限制单元进行热积累计算的启动值；
3、“热积累计算”：为一积分器，热积累B’=∫（If2-启动值2）dt，下限幅为0；
4、“顶值判断”：用于判断转子电流是否达到允许最大值，并按要求将电流限制到设定值；
5、“过热判断”：用于设定允许的热积累定值B；判断热积累B’是否达到设定值B；整定过流反时限动作后允许再次过励的闭锁值，避免过励限制反复动作；
6、“给定值选择”：用于整定顶值限制和过热限制定值，并通过逻辑判断选择其中的一个作为目标值（当过热动作时目标值取长期允许运行值，当电流超过顶值时目标值取顶值），并将转子电流限制到该目标值；
7、“校正环节”：校正环节模型（1+T1s）/（1+T2s），一般用于超前校正，有利于过励限制工作的稳定性。T1、T2缺省值取0.5、0.1；
8、“输出控制逻辑”：在限制单元动作时，实现转子电流的闭环控制，而在限制单元未动时确保单元不会误动；完成限制单元的投退设定。过励限制输出接至图1低比门。
图5所示的低励限制单元模型的分析如下：
1、“测量环节”：测量环节模型1/（1+Trs）,测量时间常数Tr与调节器 有关，一般取0.02。本单元输入量分别为发电机无功Q、发电机有功P、发电机机端电压Us；
2、“滤波环节”：测量环节模型1/（1+Tus），用于平滑低励定值的波动，Tu缺省值为1；
3、“低励定值表”：采用（P，Q）五点输入，即（P1，Q1）、（P2，Q2）、（P3，Q3）、（P4，Q4）、（P5，Q5），其它点通过实测的有功P，采取插值法计算得到对应的低励无功限制定值；
4、“低电压补偿”：目的是在机端电压低于于额定值时，将低励限制定值抬高，限制进相能力；
5、“校正环节”：校正环节模型（1+T1s）/（1+T2s），一般用于超前校正，有利于低励限制工作的稳定性。T1、T2缺省值取0.8、0.1；
6、“放大环节K”：用于调节低励限制的稳定性及调节精度，缺省值取1；
7、“低励投退控制”：整定0时，可将限制单元投入；整定一个大的负值（如-50），可将限制单元退出。低励限制输出接至图1高比门。
Claims (5)
1.一种基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，其特征在于：包括AVR单元、PSS单元、机端电压有效值计算模块、定子过流限制单元、转子过流限制单元和低励限制单元，电压给定值和试验信号经加法器1叠加后形成电压参考值至AVR单元；两个机端电压分量输入至数据转换器，数据转换器的输出至机端电压有效值计算模块，机端电压有效值计算模块的输出VS至AVR单元；转子电流输入至AVR单元；发电机有功给定值和发电机有功经加法器2叠加后输入至PSS单元，转子速度偏差输入至PSS单元，PSS单元的输出至AVR单元；发电机无功也至AVR单元，AVR输出Vf至发电机用于调节的发电机电压；所述的发电机的输出接至厂用电和主变压器，主变压器的输出通过线路连接电网，主变压器的输出连接有短路故障设置单元；
所述的机端电压有效值计算模块输出的机端电压也输出至定子过流限制单元和低励限制单元，所述的发电机有功也输入至低励限制单元，所述的发电机无功同时输入定子过流限制单元和低励限制单元，所述的定子过流限制单元还输入有机端电流，所述的转子电流也输入至转子过流限制单元；所述的定子过流限制单元的输出和转子过流限制单元的输出接至低比门，低比门的输入还接有AVR单元的过励输出信号，所述低励限制单元的输出和低比门的输出接至高比门，高比门的输出接至AVR单元的低励信号输入端。
2.根据权利要求1所述的基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，其特征在于：所述的AVR单元包括有调差单元、PID环节、放大环节，励磁变换相电抗，输入AVR单元的电压参考值至AVR加法器4，调差单元的输出与输入AVR单元的发电机无功输入至AVR乘法器1，AVR乘法器1的输出和输入AVR单元的机端电压通过加法器3输入至AVR机端电压测量环节，AVR机端电压测量环节的输出也至AVR加法器4，AVR加法器4的输出至低比门输入；高比门的输出至和PSS的输出至AVR加法器5，AVR加法器5的输出依次通过PID环节、放大环节、限幅1进入限幅2，测量环节的输出也至限幅2，限幅2的输出至AVR加法器6，励磁变换相电抗和输入AVR单元的转子电流输入至AVR乘法器2，AVR乘法器2的输出至AVR加法器6，AVR加法器6的输出即AVR单元输出，用于调节的发电机机端电压。
3.根据权利要求1所述的基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，其特征在于：所述的定子过流限制单元包括有顶值判断单元、热积累计算单元、过热判断单元和输出控制逻辑单元，输入定子过流限制单元的机端电压通过机端电压测量环节输送至顶值判断单元，输入定子过流限制单元的机端电流通过机端电流测量环节输送至顶值判断单元、启动值单元和定子过流限制第一校正环节，启动值单元的输出通过热积累计算单元至过热判断单元，过热判断单元和顶值判断单元的输出至电流限制给定单元，电流限制给定单元的输出、顶值判断单元的输出和定子过流限制第一校正环节的输出均至输出控制逻辑单元；发电机无功依次通过无功测量环节、定子过流限制第二校正环节至无功限制给定单元，无功限制给定单元的第一输出端通过非门和逻辑/数值转换单元至输出控制逻辑单元，无功限制给定单元的第二输出端直接至输出控制逻辑单元，输出控制逻辑单元的输出即为定子过流限制单元的输出。
4.根据权利要求1所述的基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，其特征在于：所述的转子过流限制单元包括有顶值判断单元、过热判断单元、热积累计算单元、给定值选择单元和输出控制逻辑单元，转子电流通过转子电流测量环节输入至启动值单元、顶值判断单元和转子电流校正环节，启动值单元的输出通过热积累计算单元至过热判断单元，过热判断单元的输出和顶值判断单元的输出至给定值选择单元，给定值选择单元的输出和转子电流校正环节的输出至转子过流限制加法器，转子过流限制加法器的输出、顶值判断单元的输出和过热判断单元的输出至输出控制逻辑单元，输出控制逻辑单元的输出即转子过流限制单元的输出。
5.根据权利要求1所述的基于MATLAB的励磁系统全功能特性仿真系统，其特征在于：所述的低励限制单元包括有低励定值表单元、低电压补偿单元、低励投退控制单元，发电机有功通过有功测量环节和低励定值表至低励限制乘法器，发电机机端电压通过机端电压测量环节至低电压补偿单元，低电压补偿单元的输出至低励限制乘法器，低励限制乘法器的输出通过滤波环节至低励限制第一加法器；发电机无功通过无功测量环节、低励限制校正环节至低励限制第一加法器，低励限制第一加法器的输出通过放大环节K至低励限制第二加法器，低励投退控制单元的输出至第二加法器，第二加法器的输出即低励限制单元的输出。
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