基于MATALAB的百萬千瓦發電機滅磁仿真計算

耿保荃，黃致新

（1.襄陽職業技術學院 機械電子信息工程學院，湖北 襄陽 441050；2.華中師范大學 物理科學與技術學院，武漢 430079）

基于MATALAB的百萬千瓦發電機滅磁仿真計算

耿保荃1，黃致新2＊

（1.襄陽職業技術學院 機械電子信息工程學院，湖北 襄陽 441050；2.華中師范大學 物理科學與技術學院，武漢 430079）

發電機滅磁是發電機發生故障時消除故障防止事故擴大的最后防線，發電機的安全、可靠和快速的滅磁能力直接決定了發電機等設備的安全水平.本文對同步發電機在空載狀態下的三類常用的滅磁方式進行了研究，它計及了轉子阻尼繞組的效應，利用了同步發電機在d，q軸的Park方程，特別是利用分析表達式表示同步發電機的空載特性，從而計及其飽和的影響.在用 MATLAB／Simulink仿真中利用了積分器解聯立微分方程組的方法，對1 000MW汽輪發電機空載滅磁，作了空載線性滅磁方式的仿真計算，得到了預期的結果，相關結果對于百萬千瓦發電機滅磁系統的設計具有指導意義.

MATLAB；同步發電機；滅磁；仿真

在同步發電機發生故障時，為保護發電機，防止故障擴大，除了及時和電網解列，切除勵磁電源外，還需要快速消滅或轉移出貯藏在電機磁場內的大量磁能，因此要求在故障下能快速滅磁，特別是當代的大型同步發電機，比如1 000MW巨型汽輪發電機在運行時，貯存在轉子磁場的能量十分巨大，故障滅磁確實是一大難題［1］.

目前常用的快速滅磁方法有如下3種［2］：傳統直流滅磁，耗能型滅磁以及移能型滅磁.為了能使同步發電機滅磁研究更符合實際，本文針對同步發電機在空載狀態下的上述3種滅磁方法進行研究，最后以1 000MW汽輪發電機空載滅磁為例，進行仿真研究，得出了空載線性滅磁的結果.

1 同步發電機滅磁工作原理分析

1.1 原理方程

利用同步發電機在d，q坐標軸內的Park方程，可列出下述同步發電機滅磁時轉子方程，其中的電壓方程為：

磁鏈方程為：

假定發電機空載，則有：id＝0.進一步假定Lad＝Lfid＝L1df，且Lf＝Lfs＋LadL1d＝L1ds＋Lad.

對于氧化鋅ZnO或碳化硅SiC構成的非線性電阻，其伏安特性可用下式表示

方程（1）和（4）合并后可改寫為：

對于耗能型滅磁，因不用滅磁電阻，方程（6）中R為零，但耗能型開關在滅磁時建立起弧壓Ub，用以維持滅弧柵中電弧燃燒.

試驗表明，滅弧柵的電弧電壓Ub在很廣的電流范圍內保持恒定，它等于Ub＝Uk×n，其中Uk為滅弧柵中鄰近二片板間的短弧電壓（如為金屬板時Uk＝25～30V），n為滅弧柵中的間隔數.

用了耗能型滅磁開關后，方程（6）應改為

方程（6）～（8）便是計及發電機轉子阻尼繞組后并考慮空載特性飽和（電感Lad不是常數）的同步發電機空載滅磁用仿真方程組.

1.2 同步發電機空載特性的數學處理

一般來說，在合理的技術性能和經濟要求設計下，同步發電機空載特性用標幺值表示時，和下述表1中的發電機常規空載特性Uo＝f（if）相差不大于4.

表1 常規汽輪發電機空載特性Tab.1 The characteristics of no－load ordinary generator

這里1單位的勵磁電流對應著空載特性上的額定電壓的勵磁電流，Uo＝1代表定子額定電壓.

基于上述標幺值的同步發電機空載特性可用下述表達式來表示［3］，

式中，Ib代表上述兩個函數曲線的交點，如果發電機空載特性己知，常數L、M、N、就可用試湊法確定.對於上述常規的發電機空載特性可選用：L＝1.1，M ＝1.95，N ＝0.95.將它們代入上述表達式中，可知道Ib＝0.823.表1中第二，三行代表了這個替代特性.替代特性Uo＝f（if）和常規空載特性的誤差很小，工程上使用是完全允許的.

1.3 滅磁仿真結構圖

圖1 實用滅磁仿真結構圖Fig.1 The practical de－excitation simulation design figure

本文采用 Matlab／Simulink仿真工具［4］，它備有SimPowersystem庫，內有基于park方程的同步電機模型.圖1是是實際的仿真結構圖.

1.4 仿真實例

現以1 000MW汽輪發電機為例進行仿真計算，其主要參數可由手冊查得.根據上述推導及編程計算，可得仿真結果如下：在1 000MW汽輪發電機空載線性滅磁時，圖2表示滅磁電阻、勵磁繞組和阻尼繞組所消耗的磁能情況；圖3表示勵磁電流、滅磁電阻電壓以及阻尼繞組電流隨時間的變化情況；圖4表示轉子勵磁繞組磁能隨時間的衰減情況.

圖2 滅磁電阻、勵磁繞組和阻尼繞組所消耗的磁能Fig 2 The expend magnetic energy on de－excitation resistance，excitation resistance and damp winding resistance

圖3 勵磁電流、滅磁電阻電壓以及阻尼繞組電流隨時間的變化Fig.3 The transformation of excitation current，de－excitation voltage and damp winding current

圖4 勵磁繞組磁能隨時間的衰減Fig.4 The magnetic energy decay with time

根據仿真計算，可對空載線性滅磁仿真的滅磁電壓、磁場電流和磁能波形的數據分析如下：

1）計及發電機空載特性飽和特性的空載線性滅磁數據如表2所示.

2）計及發電機空載特性飽和時，從磁場電流變化可看出滅磁的時間常數因Lad變化，明顯由小變大.

3）滅磁開始時d軸阻尼繞組電流i1d有一個突升，與此同時磁場電流相應地有一突降.這是因為滅磁時磁場電流衰減，引起d軸阻尼繞組中磁鏈突變，為維持磁鏈不變，感應出i1d.

4）d軸阻尼繞組在滅磁時吸收的磁能Wdp比磁場繞組吸收的磁能Wrf小，磁場繞組吸收的磁能Wrf比滅磁電阻吸收的磁能Wr小.Wr＋Wrf＋Wdp之和略小于初始轉子繞組儲能Wf，原因是移能滅磁型滅磁過程中也有一小部分磁場能量消耗在滅磁開關滅弧柵中.

表2 發電機應載線性滅磁數據Fig.2 The linewr de－excitation data of generator with no－load

2 結論

本文在對同步發電機3種滅磁方法進行研究的基礎上，考慮了轉子上裝有阻尼繞組，以及同步發電機空載特性因飽和引起的非線性.最后以1000 MW 汽輪發電機空載滅磁為例，進行仿真研究，得出了空載線性滅磁的結果.而且研究結果表明：

1）利用積分器解微分方程組的 MATLAB Simulink仿真方法是可行的，并且在仿真中考慮了發電機空載特性飽和.特別是發電機空載特性用分析表達式表示，可方便仿真計算.

2）從發電機滅磁仿真例子可看出：d軸阻尼繞組在滅磁時吸收的磁能Wdp比磁場繞組吸收的磁能Wrf小，磁場繞組吸收的磁能Wrf比滅磁電阻吸收的磁能Wr小.

3）Wr＋Wrf＋Wdp之和略小于初始轉子繞組儲能Wf，二者基本接近相等，原因是移能滅磁型滅磁過程中也有一小部分磁場能量消耗在滅磁開關滅弧柵中.

以上結論對于百萬千瓦發電機滅磁系統的設計具有指導意義.

［1］Johnson J P，Ehsani M，Guzelgunler Y.Review of sensorless methods for brushless DC motor［A］.Proceeding of the IEEE IAS Conference［C］.Hong Kong：IEEE Indnsution Applycation，1999：143－150.

［2］Shao J，Nola D，Hopkins T.Improved direct back EMF detection for sensorless brushless DC（BLDC）motor drives［A］.Proceeding of IEEE APEC［C］.Hong Kong：IEEE Indnsution Applycation，2003：300－305.

［3］章名濤.電機學［M］.北京：科學出版社，1973.

［4］李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用［M］北京：中國電力出版社，2009.

［5］張志涌，徐彥琴.MATLAB教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2001.

［6］托爾文斯基B A.同步發電機通用空載特性及其分析表達式［M］.北京：國家動力出版社，1945.

The simulation computation of de－excitation for megaton generator based on MATLAB

GENG Baoquan1，HUANG Zhixin2
（1.School of Mechanical and Electronic Information Engineering，Xianyang Vocational and Technical College，Xianyang，Hubei 441050；2.College of Physical Science and Technology，Huazhong Normal University，Wuhan 430079）

The de－excitation is the last protection line for the generator when it's brokendown.The reliable and quick de－excitation ability dominates the safety level of the generator.In this paper the three conventional de－excitation methods for the synchronous generator in unload condition are studied，the effect of damping winding is considered and Park equations in d，q axis are used.Specially，no－load characteristic（NLC）of generator is represented by analysis expression，so the effect of saturation of NLC on de－excitation is included.Differential equation group is successfully solved with integrators in MATLAB simulation.Finally，an example of de－excitation for a 1000MW synchronous generator on no－load with linear de－excitation methods is given.The result has practical guidance for the de－excitation system design.

MATLAB；synchronous generator；de－excitation；simulation

TM623.3

TM301.2

1000－1190（2011）04－0578－04

2011－07－05.

國家自然科學基金項目（60571010）.

＊通訊聯系人.E－mail：zxhuang＠phy.ccnu.edu.cn.