董健

[摘 要]電廠電氣系統(tǒng)是由能量傳送裝置構(gòu)成，對這些設(shè)備的研究一般都要借助于能代表它的模型。模型有物理模型和數(shù)學(xué)模型。物理模型是指將原設(shè)備體積縮小、結(jié)構(gòu)簡化形成模型，不過此類模型難以對火電廠這個復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行模擬。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對電廠電氣設(shè)備及系統(tǒng)的研究大多數(shù)采用數(shù)學(xué)模型的方法。

[關(guān)鍵詞]電廠；電氣；數(shù)學(xué)模型

中圖分類號：D622 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0003-01

1 前言

根據(jù)火電廠的具體情況，按照用戶的要求確定各個部分的仿真范圍、精度、逼真度。確定范圍后，第二步是將火電廠系統(tǒng)模型化，一般是將火電廠整個系統(tǒng)分為鍋爐、汽機(jī)、電氣及熱控四個子系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)又可以進(jìn)一步劃分為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)等。得到的每一個子系統(tǒng)又可以進(jìn)一步劃分，要求的仿真精度越高，子系統(tǒng)劃分的就越詳細(xì)，第三步就是各子系統(tǒng)建模。第四步是將生成的子系統(tǒng)模型有序的組合在一起得到一個完整、可交互、可運(yùn)行的整體模型。第五步是確認(rèn)整體模型是否滿足仿真范圍，是否符合精度、逼真度的要求，即進(jìn)行有效性檢驗。不符合要求需要繼續(xù)修改子模型，直到符合要求，最后便可投入正常使用。

2 電氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

發(fā)電機(jī)、變壓器、勵磁系統(tǒng)、同期系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)和廠用電系統(tǒng)六大系統(tǒng)組成了火電廠的電氣部分。接下來主要介紹電氣方面仿真最核心部分發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

2.1 同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成，是仿真培訓(xùn)系統(tǒng)仿真的核心設(shè)備之一。火力發(fā)電廠所用的發(fā)電機(jī)均為隱極式高速同步發(fā)電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子磁場轉(zhuǎn)速相同，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。由于它是一種集旋轉(zhuǎn)與靜止、電磁變化與機(jī)械運(yùn)動于一體，所以其暫態(tài)過程比較復(fù)雜。因此，為了建立同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在研究工程實際問題時，必須對三相同步發(fā)電機(jī)作必要的假定，從而簡化分析運(yùn)算。通常假定：1）定子三相繞組結(jié)構(gòu)完全相同，彼此互差 120 度；2）電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是完全對稱；3）定轉(zhuǎn)子鐵心同軸，且表面光滑，忽略齒諧波；4）電機(jī)空載，轉(zhuǎn)子恒速旋轉(zhuǎn)時，磁通勢在定子繞組中的感應(yīng)電動勢是正弦函數(shù)；5）忽略磁性材料磁飽和、磁滯、渦流和集膚效應(yīng)的影響，鐵芯工作于線性區(qū)，電機(jī)磁鐵部分的導(dǎo)磁系數(shù)為常數(shù)；滿足上述前提條件的電機(jī)稱為理想電機(jī)，在研究實際工程中采用理想電機(jī)就可以滿足所需。同步發(fā)電機(jī)電路發(fā)電機(jī)內(nèi)部六個回路的電壓方程包括：三相定子繞組、轉(zhuǎn)子勵磁繞組、直軸及交軸阻尼繞組回路的方程。在列寫方程時，首先選取電流、電壓以及磁鏈的參考方向，定子各相繞組的中性點到電機(jī)端點的方向為定子電流正方向，各相端電壓與電流是關(guān)聯(lián)參考方向。發(fā)電機(jī)定子繞組三相回路，轉(zhuǎn)子勵磁繞組 f、直交軸阻尼繞組 D、Q

3） 標(biāo)幺值表示法

在電力系統(tǒng)的計算中，除采用有單位的物理量進(jìn)行運(yùn)算外，還常采用無單位的相對值進(jìn)行運(yùn)算。有單位的是有名值，無單位的是標(biāo)幺值。標(biāo)幺值是相對單位制的一種表示方法，在計算時要先選取基準(zhǔn)值。標(biāo)幺值、實際值、基準(zhǔn)值之間的關(guān)系為：標(biāo)幺值=實際值/基準(zhǔn)值。標(biāo)幺值在電力系統(tǒng)計算中應(yīng)用廣泛，它具有的特點是：標(biāo)幺值是無量綱的量；標(biāo)幺值計算結(jié)果清晰，便于迅速判斷計算結(jié)果的正確性，可大大簡化計算；百分值=標(biāo)幺值×100；在三相對稱系統(tǒng)中，線電壓為相電壓的3倍，三相功率為單相功率的3倍，如取線電壓的基準(zhǔn)值為相電壓的3倍，三相功率的基準(zhǔn)值為單相功率基準(zhǔn)值的3倍，則線電壓和相電壓的標(biāo)幺值相等，三相功率和單相功率的標(biāo)幺值相等。

2.2 勵磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

給同步發(fā)電機(jī)的勵磁繞組中通入直流電流，建立勵磁磁場，發(fā)電機(jī)才能正常運(yùn)行。勵磁系統(tǒng)向同步發(fā)電機(jī)提供可調(diào)勵磁電流，可以調(diào)節(jié)電壓并保持極端電壓恒定，極大地改善了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)包括勵磁功率系統(tǒng)和勵磁調(diào)節(jié)器（AVR），勵磁功率系統(tǒng)是向發(fā)電機(jī)的勵磁繞組提供直流勵磁電流的電源部分；勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)發(fā)電機(jī)端電壓自動的調(diào)節(jié)勵磁功率系統(tǒng)的輸出。

勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理是發(fā)電機(jī)端電壓Ut通過測量環(huán)節(jié)與參考電壓Uref進(jìn)行比較，比較后得到的差值經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器的放大成并輸出UR ，進(jìn)而控制勵磁機(jī)的輸出電壓Ef。一般會引入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS 作為勵磁系統(tǒng)負(fù)反饋環(huán)節(jié)，可以達(dá)到勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及改善其動態(tài)品質(zhì)的目的。Ur為勵磁附加控制信號，往往是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的輸出。在電力系統(tǒng)中，勵磁系統(tǒng)的種類比較多而且各有各的特點。用一個慣性環(huán)節(jié)來表示測量環(huán)節(jié)，由于這個環(huán)節(jié)的時間常數(shù)TR很小，常不予考慮。一個慣性環(huán)節(jié)和超前滯后環(huán)節(jié)可以表示電壓調(diào)節(jié)器，由于時間常數(shù)Tc和Tb很小，也不予考慮，此環(huán)節(jié)反應(yīng)了調(diào)節(jié)器的相位特性。慣性環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)為Ka和時間常數(shù)為Ta。勵磁機(jī)傳遞函數(shù)也是一個慣性環(huán)節(jié)，一般計及飽和作用。靜止勵磁系統(tǒng)無勵磁機(jī)環(huán)節(jié)，他勵交流機(jī)及直流機(jī)的Kl=1。勵磁負(fù)反饋環(huán)節(jié)時間常數(shù)為Tf，放大倍數(shù)為Kf。靜止勵磁系統(tǒng)一般不設(shè)置勵磁負(fù)反饋環(huán)節(jié)，在可控硅電壓調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)中還需補(bǔ)入限幅環(huán)節(jié)。

2.3 同期系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1）準(zhǔn)同期方式

在上一章已經(jīng)介紹了同期裝置的作用及方式，現(xiàn)在火電廠中一般都使用準(zhǔn)同期方式并網(wǎng)。準(zhǔn)同期并網(wǎng)的過程是：首先給發(fā)電機(jī)加勵磁，其次對發(fā)電機(jī)的頻率及電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，待符合準(zhǔn)同期并網(wǎng)的條件后，即同期兩側(cè)的電壓大小、相位和頻率相等時，將發(fā)電機(jī)斷路器合閘，發(fā)電機(jī)的定子電流在合閘瞬間約為零，不會引起系統(tǒng)電壓降低。實際上，發(fā)電機(jī)在合閘瞬間不可能完全符合條件。一般情況下允許的電壓差在 5%～10%，頻率差在 0.1～0.2Hz，相位差小于 10°；事故時允許的電壓差在 20%之內(nèi)，頻率差不大于0.5Hz，相位差小于 20°。

3.結(jié)論

數(shù)學(xué)模型是決定仿真培訓(xùn)系統(tǒng)逼真度的關(guān)鍵因素。模塊模型是基于質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒的基本原理及設(shè)備的基本特性建立的。本章介紹了發(fā)電廠電氣系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型、勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、同期系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，這些系統(tǒng)都是電氣仿真培訓(xùn)系統(tǒng)仿真的重點，為電氣仿真系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論上的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]范曉旭.火電廠仿真培訓(xùn)系統(tǒng)電氣部分的建模與實現(xiàn)[D].北京：華北電力大學(xué)，2007.

[2]丁大業(yè).陽光發(fā)電廠300MW仿真機(jī)電氣部分的研發(fā)[D].太原：太原科技大學(xué)，2013.

[3]唐世林.電站計算機(jī)仿真技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1996.