同步发电机原动系统调速器仿真研究

同步发电机原动系统调速器仿真研究

徐叶松

云南电力试验研究院（集团）有限公司云南昆明650000

摘要：文章通过对同步发电机原动系统调速器进行绘制模型，原理介绍，来将其数字化，并进行离散处理，接下来进行了调速器的程序设计，通过编程等手段合理解决了在进行仿真研究时的精度问题，最终，试验结果证明，此次仿真研究与原型调速器一致，说明研究取得了成功，很好地对调速器进行了动态仿真。

关键词：同步发动机；原动系统；调速器；仿真

1、前言

同步发电机的原动系统调速器对于电力系统的频率以及调整发电机有功功率这些方面有着重要影响，为了更好地实现对电力系统的稳定性及异步运行，需要对调速器进行仿真研究。通过仿真研究，能够帮助我们更好地进行整个电力系统运行的模拟，具有重大的意义。

2、调速器数字处理及原理框图

目前来说，我国在对同步发电机的原动系统调速器进行仿真研究时，通常是采用模拟控制的办法，这种办法虽然原理上正确，但也有着致命的缺陷，容易受到环境的干扰，一旦环境中的温度等因素发生了变化，就容易对电子元件等精度要求很高的器件造成影响，这样会使得仿真过程中的可靠性降低，无法做到与原型调速器准确一致。为了提高仿真过程的抗干扰性，从而提高精度，本次试验没有采取传统的模拟方法，而是利用数字化的模型进行模拟，用单片机来进行模拟电路功能的代替，这使得以上的缺陷得到了改善，仿真过程更加精准。目前来说，这种仿真模拟的方式已经在小范围内得到了推广，事实证明，模拟效果良好。

2.1通用调速器原理框图

本次的调速器仿真模拟是主要是建立在机械液压式调速器的基本模型上。而在部分的数字模型上，机械液压式的调速器与电液调速器有着共通的地方，它们的不同只是出现在测量环节[1]。通用调速器的原理框图可以如下图所示，其中，NF代表的是反馈的速度，而N0代表的是给定的速度，i代表的是硬反馈系数，而σ代表的是综合环节的相对开度，r标识软反馈系数，μ表示的是油动机的相对位移，Pm表示的是输出功率存在的相对的增量，ξ则表示在反馈过程中出现的相对位移，η表示在测量过程中出现的相对位移，Tr表示的是水机软反馈时间常数，Ts表示的是油动机的时间常数，Tw表示这油动机水锤效应时间，To表示油动机的汽惯性时间常数，最后的D指的是微分算子[2]。整个调速器是由多重环节共同构成，协调运作的。

图2模拟原动机系统框图

2.3调速器模型数字处理

本次实验采用的核心办法就是利用单片机进行电路替代，这种办法也用到了数字化的模型处理，将模拟式调速器用数字化调速器进行替代，在这个过程中，通过编程的手段，使得仿真的效果更加精准[4]。整体的设计思路是先获得水轮机等系统的数字化模型，接下来对其进行离散处理，写出相应的方程，最后将这些方程利用专业的语言进行编程处理。在进行设计时，还巧妙运用了差分法，这种方法使得在采样周期确定后，就能够获得一个稳定的离散系统，使得仿真实验的准确性大大增强。

3、调速器程序设计

3.1水轮机、汽轮机调速器

分别对水轮机以及汽轮机进行程序的编写，在编写过程中，有许多需要注意的地方，要对这些地方进行综合控制，把握好精度问题，解决溢出与精度之间的矛盾。为了更好地解决这些问题，就需要编写人员对于每一个计算的步骤进行处理，要完成运算的系数扩大[5]。以水轮机为例，在进行水轮机的程序编写时，运算处理办法如下：将K4进行1000倍的扩大，将K4φ(k)进行16倍的扩大，将μ(K?1)以及μ(K)进行16倍的扩大，其他值保持不变，最终经过运算使得ξ(K)变为了倍扩大，这样的目的是使得Pm的值与最初的预计相符合，达到试验效果。

3.2系数处理及计算

在进行编程处理时，需要充分考虑参数的范围，并对K1到K8的值进行计算，然后进行离散化的方程式带入，同时要考虑到溢出问题以及精度问题，为了避免这些问题的额出现，需要合理控制参数的范围。参数需要经过扩大处理，这时因为单片机不能处理浮点运算，而在实际的参数中会有很多小数的出现。参数扩大的倍数则要根据实际预估而定，对实际可能出现的值顶下一个最大值和最小值，根据这个范围进行确定。原动机各参数运算规则如下所示：

在该计算式中，Q表示的是汽机，而W表示的是水机，T则表示采样的周期。

4、试验结果

本次试验在15kVA的模拟发电机组上进行，在进行试验时，设置了一些可以进行调试的参数，通过对这些参数进行合理范围内的调试，能够进行对不同的调速器的模拟，模拟范围加大，更具有实用性[6]。

在真正进行试验时，保证单机按照额定负荷运行工作，而HJ常数值保持不变，对运行中的主要参数进行调试改变，突然甩百分之百的负荷，对不同机组进行观察，主要观察n的动态变化是否与原型动态变化相符，还要观察运行稳态变动，以便观察仿真试验是否成功。

5、结束语

上述试验利用数字化的模型处理，巧妙运用单片机进行电路代替，实现了同步发电机的原动系统的调速器仿真，这种仿真手段弥补了传统仿真模式的精度缺陷，仿真效果更加可靠，而通过试验结果也验证了本次仿真的可靠性与有效性，这种仿真办法值得大力推广。希望专业人员不断加强对同步发电机原动系统仿真的研究，更好地实现电力系统的动态控制。

参考文献

[1]赵杨阳;柴建云;孙旭东.基于虚拟同步发电机的柔性虚拟调速器模型[J].电力系统自动化.2016(10):8-15