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GB／T 7409.2-2020 同步电机励磁系统 第2部分：电力系统研究用模型

图6自励有刷交流励磁机励磁功率单元

图7自励无刷交流励磁机励磁功率单元

图8表示采用永磁式副励磁机作电源的交流励磁机励磁功率单元的模型。该模型用以描述励磁机 带负载时的稳态和瞬态特性（在某些情况下考虑到瞬时负载影响，需用更详细的模型）。取决于励磁机 数据完整程度，可以构成不表达换相作用励磁机励磁功率单元模型DGJ 08-55-2006 城市居住地区和居住区公共服务设施设置标准，即设X为零。 图9表示采用有励磁变压器的交流励磁机不可控整流器励磁系统功率部分数学模型 有励磁变压器的交流励磁机励磁系统功率部分数学模型与有副励磁机的交流励磁机励磁系统功率 部分数学模型的区别是调节器输出限制值与发电机电压有关，

图8它励交流励磁机励磁功率单元详细模型

有励磁变压器的自励交流励磁机励磁功率单元详

图10表示交流励磁机励磁功率单元的简化模型。当不可能获得全部数据时，可用简化模型。虽然 用负载的饱和曲线只能描述其稳态负载特性，但已可以满足许多研究的要求。

4.3电势源静止励磁功率单元

流励磁机励磁功率单元简

电势源静止励磁功率单元有三种连接方式，包括电源采用自励恒压且与同步电机同轴的辅助发电机、或 取自与主发电机电压无关的辅助母线、或取自同步电机的输出端，励磁功率单元结构如图11所示。前两者分 别称作旋转源它励静止励磁系统和静止源它励励磁系统，其数学模型可以表示为图12；后者称作自并励静止 励磁功率单元，自并励静止励磁系统的性能和模型应考虑受机端电压变化的影响，数学模型可以表示为图13

电势源静止励磁功率单元

图12它励励磁功率单元模型

4.4复合源静止励磁功率单元

图13自并励静止励磁功率单元模型

复合源静止励磁功率单元同时采用电流源和电压源（取自同步电机）两种整流变压器供电。设计的 形式有电流源和电压源在直流侧并联、直流侧串联、交流侧并联和交流侧串联等多种形式。复合源静止 动磁功率单元使用甚少，这里仅说明交流侧串联的复合源静止励磁功率单元。 图14给出了两个电源在整流器交流侧串联、电压相加的原理图。带有气隙的电抗器将电流源转换 为电压源，也有采用带气随的电流源

图14交流侧串联、电压相加的复合源静止励磁功率单元

图15对应图14的模型

5.1电压测量和负载电流补偿环节模型

仿真模拟的发电机端电压测量环节是所有电压调节器共有的。考虑电流补偿时，通常有基于矢量 合成电压测量和基于标量迭加的电压、电流测量两种方式 a）基于失量合成的电压测量和负载电流补偿环节； 图16表示发电机电压与负载电流补偿的矢量合成

图16基于失量合成的电压及负载电流补偿模型

b）基于标量相乘送加的电压、电流测量与负载电流补偿环节 在大部分工程应用中，不考虑有功电流的电抗压降和无功电流电阻压降时，可将图16所示模型简 化为如图17所示

117基于标量相乘送加的电压、电流测量与电流

通常，负载电流的补偿采用下面的某一种形式： 当机组间未经阻抗直接并联时，采用电流补偿，造成一个人为的阻抗匹配，以使机组能合理地 分担无功功率，Xc应为正值； 当单一机组通过大的阻抗联到系统，或两台及多台机组通过各自变压器联到系统时可能要求 调节发电机端外某点的电压。比如，可以补偿变压器的部分阻抗，在这些情况下，Rc和Xc取 负值。 多数负载电流的补偿忽略Rc分量，而只要求Xc值，在此条件下，负载电流的影响可视为无功分量 约影响，起该作用的部件称作无功电流补偿器。 不使用补偿器，而仅仅用于端电压整流后的滤波时，仍适用于图16和图17。另外，滤波环节可能

是复杂的，为了模拟，可以简化为一阶惯性环节，在许多情况下此时间常数很小，可忽略不计， 加人负载补偿器影响滤波后的端电压信号与参考信号比较，参考信号表示端电压的理想整定值，选 驿等效电压调节器的参考信号UREF，以满足初始运行条件。常见的其他形式变压器高压侧电压控制有 SVR.其具体模型框图参见附录A

励磁控制的PID校正环节实现励磁调节和稳定控制功能。PID校正环节一般分为：串联型PII 环节和并联型PID校正环节，具体如下

a）串联型PID校正环节

串联型PID校正环节模型见图18。Kv设置为1时校正环节由两级超前滞后环节组成。K， 设置为零时校正环节带纯积分环节，实现无差调节

b）并联型PID校正环节

并联型PID校正环节模型见图19

5.3励磁反馈环节模型

环节一般包括软反馈环节和励磁机时间常数补偿

图18串联型PID校正环节

图19并联型PID校正环节

软反馈环节模型见图20。软反馈环节输入信号在静止励磁系统中为调节器输出U，，在励磁机 励磁系统中可以是与励磁机磁场电流信号成比例的Uie，或者发电机磁场电压U，软反馈环节

输出信号加到图24中电压相加点U.1或者PID校正环节的输出Us2或U

图20软反馈校正环节

b）励磁机时间常数补偿环节 励磁机时间常数补偿环节也称硬反馈环节，用以减少励磁机等效时间常数。励磁机时间常数 补偿环节的输入信号为发电机磁场电压或励磁机磁场电流信号，反馈到PID校正环节的输 出，见图21。

区分内限幅和外限幅两种限幅环节。内限幅和外

5.5电力系统稳定器模型

图21励磁机时间常数补偿环节

电力系统稳定器输人信号一般有发电机有功功率、机端电压的频率、发电机转速或它们的组合。电 系统稳定器可以用于发电机和电动机工况，但是参数需要分别整定。 迭加到电压相加点的电力系统稳定器输出量的基准值同发电机电压的基准值。电力系统稳定器输 量的基准值同发电机基准值。 电力系统稳定器模型主要有单输人信号电力系统稳定器模型、合成加速功率型电力系统稳定器模 和其他电力系统稳定器模型： a）单输人信号电力系统稳定器模型一PSS1型 PSS1型单输入信号电力系统稳定器模型由信号测量环节、两级隔直环节、轴系扭振滤波器、三 级超前滞后环节、增益调整环节和输出限幅环节组成，见图22。输人信号可以是发电机有功 功率、机端电压的频率或发电机转速

合成加速功率型电力系统稳定器模型 PSSZ型 PSS2型合成加速功率型电力系统稳定器模型见图23。PSS2型模型采用发电机转速（或频 率)和有功功率作为输入信号Us1和Us12，经过运算产生机械功率变化量信号，该信号减去有 功功率变化量信号即为加速功率变化量信号，以此作为电力系统稳定器校正信号输入到超前 滞后环节、增益调整环节和限幅环节

c）其他电力系统稳定器模型，比如多频段PSS模型（参见附录C)

5.6电压控制主环通用结构

图23加速功率型电力系统稳定器模型一 一PSS2型

电压控制主坏通常由儿种校止环节组合而成，其通用结构模型见图24，图中虚线描述了励磁反 馈环节和电力系统稳定器可选择的介人位置。励磁系统稳定计算模型可按照实际模型或按照等效 方式设置KA、KB、TA、TB、KFF和PID1、PID2对应的参数，选择励磁反馈环节和电力系统稳定器介人 点。KH设置为O时励磁反馈校正环节为软反馈校正，Kr、T设置为零时该环节为励磁机时间常数补 偿环节

5.7辅助限制环节模型

图24电压控制主环通用结构模型

器辅助限制功能。 辅助限制环节主要包括V/Hz限制、过励限制（OEL）、定子电流限制（SCL)和欠励限制（UEL）： a V/Hz限制环节 V/Hz限制环节实现防止同步电机或与其相连变压器过磁通功能。V/Hz限制环节根据反时 限实现方式不同可分为：解析函数类型和多点折线查表类型。 1） 采用解析函数类型实现反时限功能的V/Hz模型见图25，设置Kinv实现不同的反时限动作 时间整定，设置Kcol实现反时限动作返回时间整定，模型采用低通比较门（LV)方式介人电 压控制主环,输出信号Ua接人图33中UEL2。反时限特性计算公式见附录D的D.1

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图25采用解析函数实现反时限功能的V/Hz模型

采用多点折线形式的V/且Z功能模型图： T的多段折线函数，用于整定反时限动作特性。模型采用低通比较门(LV)方式介入电压 控制主环，输出信号UvFL接人图33中UvFL

图26采用多点折线形式的反时限V/Hz模型

励限制环节实现将励磁系统输出电流限制在充许值之内，限制作用可能是瞬时的或延时 约。过励限制环节通常由反时限计时模型、反时限动作模型和最大励磁电流限制动作模型 成。 OEL反时限计时模型见图27，设置Kin实现不同的反时限动作时间整定，设置Kcol实现 反时限动作返回散热时间整定，反时限特性计算公式见D.2。

图27OEL反时限计时模型

Kv设置为O时动作校正环节带纯积分环节，实现无差调节。模型采用LV方式介人电 压控制主环，输出信号UoEL接人图33中UoEL3或UoEL4；采用迭加方式介人时，需设置 UoELMAx为0，输出信号UOEL接入图33中UoEL

图28OEL反时限动作

3）OEL的最天励磁电流限制模型见图29，模型采用LV方式介人电压控制主环时，输出信 号UoEL接入图33中UoEL3或UoEL4；当以送加方式介入时，输出信号接图33中UoEL2 或UoE1.5

图29OEL最大励磁电流限制模型

定子电流限制环节实现在同步电机定子电流超出充许值后限制发电机输出定子电流无功分量 至合适范围。限制作用是延时的，其通常是由反时限计时模型和反时限动作模型组成： 1）定子电流限制反时限计时模型见图30。模型中热积累启动值Ith与过流倍数计算基准值 Itn为不同参数，Qzone1和Qzone2分别用于设置迟相和进相工况下的SCL动作死区，其反时限 特性计算公式参见式（D.3）

图30SCL反时限计时模型

定子电流反时限动作模型见图31，模型采用LV方式介人电压控制主环时，输出信号

图31SCL反时限动作模型

5.8辅助限制环节介入电压控制主环的方式

压调节仍起作用。比较门方式，限制动作后电压调节被阻断， 图33为辅助限制环节介入电压控制主环的一般方式。 励磁系统稳定计算模型可按照实际模型或者按照等效方式选择作用点和作用方式。

33辅助限制环节介入电压控制主环的一般方式

本部分提供的励磁系统模型对应多数在中国电网运行的、符合标准要求的发电机励磁系统，也包含 了多数在中国应用于电力系统稳定性研究的励磁系统模型。当有需要时，按照5.7增添辅助限制环节。 当所提供的模型不能满足应用时应建立新的、符合实际的励磁系统模型。 本部分所提供的励磁系统模型各个环节并非需要全部使用。当部分环节不使用时，可以设置参数 使其不起作用

GB/T 7409.22020

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6.2交流励磁机励磁系统模型

这类励磁系统由交流励磁机和静止整流器或者旋转整流器产生发电机磁场所需要的直流电流。模 型考虑了发电机磁场电流对交流励磁机的去磁作用和整流器的换相压降作用。根据交流励磁机励磁方 式的不同，其仿真模型可分为： a）EX1型交流励磁机励磁系统模型 图34所示EX1型模型用来表示副励磁机向励磁调节器供电的不可控整流器交流励磁机励磁 系统。 EX1型模型有各辅助限制介入位置、励磁系统输出电压最大值限制、串联型PID校正和软反 馈校正。按照反馈信号的来源分为A、B两型，A型适用于无刷励磁系统，B型适用于有刷或 无刷励磁系统

b）EX2型交流励磁机励磁系统模型

图35所示的EX2型模型用来表示发电机机端变压器向励磁系统供电的不可控整流器交流励 磁机励磁系统。按照反馈信号的来源分为A、B两型，A型适用于无刷励磁系统，B型适用于 有刷或无刷励磁系统。与EX1模型的差别仅仅在于调节器输出受发电机电压影响。励磁调 节器的输出电压限幅值与发电机端电压成正比，为U.·Urmax和U.·U.min。EX2型模型其他 部分同EX1型

c）EX3型交流励磁机励磁系统模型 EX3型与EX1型模型的差别在于采用并联型PID，其他与EX1型模型相同。EX3型交流 磁机励磁系统模型见图36

d）EX4型交流励磁机励磁系统模型 EX4型与EX3型模型的差别在于励磁电源与发电机电压有关。EX4型交流励磁机励磁系统 模型见图37

e）EX5型交流励磁机励磁系统模型

图38所示的EX5型模型用来表示励磁机采用自励恒压方式的可控整流器交流励磁机励 统，也可以用来表示其他稳定的电源向可控整流器供电的可控整流器励磁系统 EX5型模型有串联型PID校正和软反馈校正，软反馈校正的输入来自调节器输出

图38EX5型励磁系统模型

EX6型交流励磁机励磁系统模型 EX6型与EX5型模型的差别在于采用并联型PID,其他与EX5型模型相同。EX6型交深 磁机励磁系统模型见图39。

f）EX6型交流励磁机励磁系统模型

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6.3直流励磁机励磁系统模型

图39EX6型励磁系统模型

直流励磁机励磁系统模型取不可控整流器交流励磁机励磁系统模型EX1～EX4，一般将其Kc 设为零即可，当直流励磁机的空载特性和负载特性有显著差别时，K按直流励磁机的空载特性 成特性确定

6.4静止励磁系统模型

止励磁系统励磁方式的不同，其仿真模型可分为

a）ST1型静正励磁系统模型

图40所示的ST1型励磁系统模型用来表示自并励静止励磁系统。 自并励静止励磁系统通 励磁变压器由发电机机端取得励磁电源，经可控整流器输出磁场电压，它的限幅值与发电机 压成正比，为U.·Urmax和U.·U.min。模型含过励电流瞬时限制。 ST1模型有串联型PID校正、软反馈校正和各辅助限制介入位置

b）ST2型静止励磁系统模型

图40ST1型静止励磁系统模型

ST2型静止励磁系统模型 图41为ST2型静止励磁系统模型。ST2型与ST1型模型的差别在于采用恒定励磁电源 他与 ST1型模型相同

QB/T 5591-2021 休闲用人造草坪ST2型静止励磁系统模

ST3型静止励磁系统模型

图42为ST3型静止励磁系统模型。ST3型与ST1型模型的差别在于未包含软负反馈校 并采用并联型PID校正，其他与ST1型模型相同

d）ST4型静止励磁系统模型

图42ST3型静止励磁系统模型

图43为ST4型静止励磁系统模型。ST4型与ST3型模型的差别在于采用恒定励磁电源，其 他与ST3型模型相同

GB/T 40487-2021 结构用竹集成材图43ST4型静止励磁系统模型