基于MATALAB的百万千瓦发电机灭磁仿真计算

耿保荃，黄致新

（1.襄阳职业技术学院 机械电子信息工程学院，湖北 襄阳 441050；2.华中师范大学 物理科学与技术学院，武汉 430079）

基于MATALAB的百万千瓦发电机灭磁仿真计算

耿保荃1，黄致新2＊

（1.襄阳职业技术学院 机械电子信息工程学院，湖北 襄阳 441050；2.华中师范大学 物理科学与技术学院，武汉 430079）

发电机灭磁是发电机发生故障时消除故障防止事故扩大的最后防线，发电机的安全、可靠和快速的灭磁能力直接决定了发电机等设备的安全水平.本文对同步发电机在空载状态下的三类常用的灭磁方式进行了研究，它计及了转子阻尼绕组的效应，利用了同步发电机在d，q轴的Park方程，特别是利用分析表达式表示同步发电机的空载特性，从而计及其饱和的影响.在用 MATLAB／Simulink仿真中利用了积分器解联立微分方程组的方法，对1 000MW汽轮发电机空载灭磁，作了空载线性灭磁方式的仿真计算，得到了预期的结果，相关结果对于百万千瓦发电机灭磁系统的设计具有指导意义.

MATLAB；同步发电机；灭磁；仿真

在同步发电机发生故障时，为保护发电机，防止故障扩大，除了及时和电网解列，切除励磁电源外，还需要快速消灭或转移出贮藏在电机磁场内的大量磁能，因此要求在故障下能快速灭磁，特别是当代的大型同步发电机，比如1 000MW巨型汽轮发电机在运行时，贮存在转子磁场的能量十分巨大，故障灭磁确实是一大难题［1］.

目前常用的快速灭磁方法有如下3种［2］：传统直流灭磁，耗能型灭磁以及移能型灭磁.为了能使同步发电机灭磁研究更符合实际，本文针对同步发电机在空载状态下的上述3种灭磁方法进行研究，最后以1 000MW汽轮发电机空载灭磁为例，进行仿真研究，得出了空载线性灭磁的结果.

1 同步发电机灭磁工作原理分析

1.1 原理方程

利用同步发电机在d，q坐标轴内的Park方程，可列出下述同步发电机灭磁时转子方程，其中的电压方程为：

磁链方程为：

假定发电机空载，则有：id＝0.进一步假定Lad＝Lfid＝L1df，且Lf＝Lfs＋LadL1d＝L1ds＋Lad.

对于氧化锌ZnO或碳化硅SiC构成的非线性电阻，其伏安特性可用下式表示

方程（1）和（4）合并后可改写为：

对于耗能型灭磁，因不用灭磁电阻，方程（6）中R为零，但耗能型开关在灭磁时建立起弧压Ub，用以维持灭弧栅中电弧燃烧.

试验表明，灭弧栅的电弧电压Ub在很广的电流范围内保持恒定，它等于Ub＝Uk×n，其中Uk为灭弧栅中邻近二片板间的短弧电压（如为金属板时Uk＝25～30V），n为灭弧栅中的间隔数.

用了耗能型灭磁开关后，方程（6）应改为

方程（6）～（8）便是计及发电机转子阻尼绕组后并考虑空载特性饱和（电感Lad不是常数）的同步发电机空载灭磁用仿真方程组.

1.2 同步发电机空载特性的数学处理

一般来说，在合理的技术性能和经济要求设计下，同步发电机空载特性用标幺值表示时，和下述表1中的发电机常规空载特性Uo＝f（if）相差不大于4.

表1 常规汽轮发电机空载特性Tab.1 The characteristics of no－load ordinary generator

这里1单位的励磁电流对应着空载特性上的额定电压的励磁电流，Uo＝1代表定子额定电压.

基于上述标幺值的同步发电机空载特性可用下述表达式来表示［3］，

式中，Ib代表上述两个函数曲线的交点，如果发电机空载特性己知，常数L、M、N、就可用试凑法确定.对於上述常规的发电机空载特性可选用：L＝1.1，M ＝1.95，N ＝0.95.将它们代入上述表达式中，可知道Ib＝0.823.表1中第二，三行代表了这个替代特性.替代特性Uo＝f（if）和常规空载特性的误差很小，工程上使用是完全允许的.

1.3 灭磁仿真结构图

图1 实用灭磁仿真结构图Fig.1 The practical de－excitation simulation design figure

本文采用 Matlab／Simulink仿真工具［4］，它备有SimPowersystem库，内有基于park方程的同步电机模型.图1是是实际的仿真结构图.

1.4 仿真实例

现以1 000MW汽轮发电机为例进行仿真计算，其主要参数可由手册查得.根据上述推导及编程计算，可得仿真结果如下：在1 000MW汽轮发电机空载线性灭磁时，图2表示灭磁电阻、励磁绕组和阻尼绕组所消耗的磁能情况；图3表示励磁电流、灭磁电阻电压以及阻尼绕组电流随时间的变化情况；图4表示转子励磁绕组磁能随时间的衰减情况.

图2 灭磁电阻、励磁绕组和阻尼绕组所消耗的磁能Fig 2 The expend magnetic energy on de－excitation resistance，excitation resistance and damp winding resistance

图3 励磁电流、灭磁电阻电压以及阻尼绕组电流随时间的变化Fig.3 The transformation of excitation current，de－excitation voltage and damp winding current

图4 励磁绕组磁能随时间的衰减Fig.4 The magnetic energy decay with time

根据仿真计算，可对空载线性灭磁仿真的灭磁电压、磁场电流和磁能波形的数据分析如下：

1）计及发电机空载特性饱和特性的空载线性灭磁数据如表2所示.

2）计及发电机空载特性饱和时，从磁场电流变化可看出灭磁的时间常数因Lad变化，明显由小变大.

3）灭磁开始时d轴阻尼绕组电流i1d有一个突升，与此同时磁场电流相应地有一突降.这是因为灭磁时磁场电流衰减，引起d轴阻尼绕组中磁链突变，为维持磁链不变，感应出i1d.

4）d轴阻尼绕组在灭磁时吸收的磁能Wdp比磁场绕组吸收的磁能Wrf小，磁场绕组吸收的磁能Wrf比灭磁电阻吸收的磁能Wr小.Wr＋Wrf＋Wdp之和略小于初始转子绕组储能Wf，原因是移能灭磁型灭磁过程中也有一小部分磁场能量消耗在灭磁开关灭弧栅中.

表2 发电机应载线性灭磁数据Fig.2 The linewr de－excitation data of generator with no－load

2 结论

本文在对同步发电机3种灭磁方法进行研究的基础上，考虑了转子上装有阻尼绕组，以及同步发电机空载特性因饱和引起的非线性.最后以1000 MW 汽轮发电机空载灭磁为例，进行仿真研究，得出了空载线性灭磁的结果.而且研究结果表明：

1）利用积分器解微分方程组的 MATLAB Simulink仿真方法是可行的，并且在仿真中考虑了发电机空载特性饱和.特别是发电机空载特性用分析表达式表示，可方便仿真计算.

2）从发电机灭磁仿真例子可看出：d轴阻尼绕组在灭磁时吸收的磁能Wdp比磁场绕组吸收的磁能Wrf小，磁场绕组吸收的磁能Wrf比灭磁电阻吸收的磁能Wr小.

3）Wr＋Wrf＋Wdp之和略小于初始转子绕组储能Wf，二者基本接近相等，原因是移能灭磁型灭磁过程中也有一小部分磁场能量消耗在灭磁开关灭弧栅中.

以上结论对于百万千瓦发电机灭磁系统的设计具有指导意义.

［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］章名涛.电机学［M］.北京：科学出版社，1973.

［4］李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用［M］北京：中国电力出版社，2009.

［5］张志涌，徐彦琴.MATLAB教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.

［6］托尔文斯基B A.同步发电机通用空载特性及其分析表达式［M］.北京：国家动力出版社，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.

国家自然科学基金项目（60571010）.

＊通讯联系人.E－mail：zxhuang＠phy.ccnu.edu.cn.