學習電本題目三相同步發(fā)電機啟動運行仿真及GUI設(shè)計

1、實習階 第1周（3月9日）至第4周（4月5日）共周2、設(shè)計階 第5周（4月6日）至第11周（5月20日）共周 第12周（ 三相同步發(fā)電機啟動運行仿真與GUI設(shè)在世界中，同步發(fā)電機應經(jīng)得到了非常廣泛的應用，各種發(fā)電方式應用于國系統(tǒng)的機理，然后用中的模塊模擬發(fā)電機實際運轉(zhuǎn)情況，包括升guide創(chuàng)建并設(shè)計gui界面，實現(xiàn)對模擬控制。 ysisandSimulationofThree-phraseSynchronousGeneratorandGUIdesignIntoday'sworld,thesynchronousgeneratorshallbesubjecttoaverywiderangeofapplications,variouspowergenerationmethodsappliedtonationaleconomicdevelopment,suchasthermalpower,nuclearpower,windpowerandthelike.Synchronousgeneratorinthepowersysteminthe"heart"status,thewholesystemysanimportantroleinpower,sowecanimagine,thesynchronousgeneratorandthenormaloperationofthesystemysakeyroleinpeople'snormallife.Thispaperdescribesthemechanismofthethree-phasesynchronousgeneratorexcitationsystem,andthenusetheactualfunctioningofsimulationmodulegenerators,includingraisingspeedandactive,andreactivepowerboost,andnetthreeaspects,outputsimulationresults,integratedWaveformysis,andfinallycreatedanddesignedbyguiinterfaceguide,achieveogcontrol.:three-phasesynchronousgenerator;xcitationsystem;simulation;startingoperationalcharacteristics引 第1章同步發(fā)電機概 同步發(fā)電機的分 同步發(fā)電機的結(jié) 同步發(fā)電機的運行特性和有功無 第2章同步發(fā)電機的勵磁系 第3 基 3.1/介 SimPowerSystems庫簡 3.3運行仿真步 第4章發(fā)電機零起升壓仿 建立發(fā)電機零起升壓仿真模 模塊參數(shù)設(shè) 第5章50%負載狀態(tài)下升無功仿 建立仿真模 模塊參數(shù)設(shè) 第6章GUI設(shè) GUI設(shè)計基本介 GUI設(shè)計與M文件編 構(gòu)建仿真界面與輸出仿真結(jié) 總 致 部機械裝置輪機和汽輪機等聯(lián)動發(fā)電機把其他形式的能量如核能、風能、熱能等10.520kv110kv220kv330kv500kv6kv1kv380v220v積停電的幾率。電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故是電力系統(tǒng)各種事故中涉及面最廣、最嚴重勵磁控制系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分，它的特性好壞直接影響到同步發(fā)電機運行的可靠性與穩(wěn)定性。勵磁的主要任務是根據(jù)發(fā)電機的運行狀況，向發(fā)電機的勵磁繞組提供一個可調(diào)的直流電流，以滿足發(fā)電機的運行需要。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)一般由兩部分組成。一部分用于向發(fā)電機的磁場繞組提供直流電流，以建立直流磁場，通常稱為勵磁功率輸出部分(或稱為功率單元)電流的大小，以滿足運行需要，一般稱為勵磁控制部分。1同步發(fā)電機的同步發(fā)電機的 120.2～2mm。氣隙越大，磁阻越大，要產(chǎn)變壓器為大，因而同步電機的勵磁電流也比變壓器的大得多。變壓器的勵磁電流約為3%30%勵磁電流越大，功率因數(shù)越低。為提高同步電機的功率因數(shù)，必須減少它的勵磁電流，最有效的方法是盡可能縮短氣隙長度。但是氣隙過小會使裝配，還有可能使定、轉(zhuǎn)子在運行時發(fā)生摩擦或碰撞，因此，氣隙的大小由制造工藝以及運行安全可靠等因素來決定。同步發(fā)電機的運行特性和有功無把發(fā)電機拖動到相同轉(zhuǎn)動速度，在勵磁繞組線圈中通入勵磁電流，改變勵磁電流值的大小，空載電動勢的大小也隨它改變而改變。測量兩個數(shù)值，畫在坐標系內(nèi)，就得到空載特性曲線，由于鐵磁材料有磁滯現(xiàn)象，在進行實驗時，勵磁電流由零變大到最大值1-1示。一般把下調(diào)的的這條曲線作空載特性曲線。因為這條曲線和橫坐標的交點不在原點，而在b0a1.2倍額定電壓。上升和下降兩條曲線，在不飽和時它們的傾斜角相差不大，對于作氣隙線的準確度影響很小，在高飽和區(qū)域內(nèi)，它們靠得很近，差別就非常小，所以取增加那條曲線作為空載特性曲線，也不會有很大區(qū)別。圖1-1的，如果設(shè)計得太飽和將導致勵磁繞組使用銅的量很大，運行時調(diào)節(jié)電壓也很；如同步發(fā)電機的外部特性是指電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到速度不變是，勵磁電流if和負載功率因數(shù)都為變常數(shù)的情況下，調(diào)節(jié)負荷電流I大小時，端電壓U1-2表示不同功率因數(shù)負荷情況下同步發(fā)電機的外特性。從圖中可以看出，純電阻負載cosφ＝1時，伴隨著負載電流增加端電壓下降稍微少些，電感性負載cosφ＝0.8時，隨負載電流升高端電壓下降較多，而在電容性負載cos（-φ）＝0.8時，隨負載電流增加端電壓有可能會增圖1-20.8（滯后），0.850.9。額定功率因數(shù)是由電力系統(tǒng)的需要情況而定，電機制造部門就按照所要求的額定額定值un從外特性也可以求出發(fā)電機的電壓調(diào)整率，電壓調(diào)整率用ΔU表示，，它是表示同步激磁電流之間關(guān)系的曲線稱為調(diào)整特性，即u=const,cosθ=const,If=f(I)表示了端電壓為額當電樞電流I及功率因數(shù)cosθ（If）I=const，cosθ=const不同的I和不同的cosθ18-6所示。在這眾多的負載特性曲線中，有實用意義的，除了前述I=0時的空載特性外，是所謂零功率因數(shù)曲線，或稱感應性負載特性曲線，即I=IN,θ=900,cosθ=0時的。通過零功率因數(shù)曲線和空載特性曲線可同步發(fā)電機并入電網(wǎng)后，如何調(diào)節(jié)有功功率的輸出，一般如下：當發(fā)電機通過準確P1恰好和空載損耗P0相平衡，沒有多余部分可以轉(zhuǎn)化為電磁功率，即P1P0，T1T0，發(fā)電機處于平衡狀態(tài)。如果我們增加輸入機械功率P1，使P1＞P0，則輸入功率扣除了空載損耗之后，其余部分將轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β?，即P1-P0P點來看，也很顯然的。發(fā)電機輸出的有功功率是由原動機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換來的，所以要改變發(fā)電機輸出的有功功率，必須相應地改變原動機輸入的機械功率。由此可見，要調(diào)節(jié)與電網(wǎng)并聯(lián)的同步發(fā)電機的輸出有功功率，只需要調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出機械功率，這時發(fā)電機內(nèi)部會自行改變位移角δ達到新的平衡狀態(tài)。假使連續(xù)不斷地增加發(fā)電機的輸入功率，當δ900時，電磁功率便增加到=.增加輸入功率，則δ角將大于.由功角特性可見，這時電磁功率隨著δ的增大而減小，輸入功率扣除掉空載損耗和減去電磁功率后還有剩余，剩余的功率將使轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速，δ角繼續(xù)增大，電磁功率繼續(xù)減小，功率不能再保持平衡。如此互為因果，導致發(fā)電機不能0＜δ＜范圍內(nèi)運行時穩(wěn)定的，在范圍內(nèi)是19-5所示。同理可以說明，同步發(fā)電機作為電動機運行，當是穩(wěn)定的，19-5所示電動機運行，當正負最高值處兩條垂直線中間，這一輸出的QQ的大小和性質(zhì)。2第3 /基/介在國外的英語簡介中是由matrix和labortory這兩個英文單詞構(gòu)成的，其意思大概為矩陣，這個軟件的開發(fā)是由mathworks公司為科學計算、能看到化以及交流互動式程序設(shè)計的高級程序環(huán)境。這個軟件可以把數(shù)據(jù)分析、矩陣計算能看到化以及動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個可以利用的視窗環(huán)境中，為科學家研究、工程師設(shè)計以及需要進行眾多科學計算的眾多科學家領(lǐng)域提供了一個可靠而高效的解決方法，而且在某一領(lǐng)域掙脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言操作方法，如C語言和Fortrn語言，可以說代表了計算機科學界很高的地位。它的數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令格式與物理、化學中頻繁使用的方法十分相似，所以可以看到使用計算實際問題比用C語言和FORTRAN語言完成相同的事情簡單很多，而且也借鑒了很多類似的工程語言軟件的優(yōu)點，使成為一強大的數(shù)學工具。在新的版本中也加入了對C語言，F(xiàn)ORTRAN語言，C++語言，JAVA函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶直接進行就可以用。為了提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真設(shè)計了這個軟件包，是關(guān)于圖形界面的仿真平臺。掛接在環(huán)境上，以的強大計算功能為基礎(chǔ)，我們可以使用其清晰方便的界面來仿真與計算。提供了各種仿真工具，尤為突出平臺上拖曳和連接典型模塊就可以繪制仿真對象的模塑框圖，并對模型進行仿真。在平臺上，這就避免了在窗口使用命令和函數(shù)仿真吋，需要熟悉大讀M函數(shù)的麻煩，對廣大工程技術(shù)人員來說，這無疑是一個。以解決在使用過程中遇到的非線性、變系數(shù)等問題。它能夠進行連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真，也能夠進行線性和非線性系統(tǒng)仿真，并且支持多種采樣頻率系統(tǒng)的仿真，使不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以仿真較大、較復雜的系統(tǒng)。因此，不同的科學領(lǐng)域根據(jù)自己的仿真要求，以為基礎(chǔ)，開發(fā)了大量的仿真程序，并把這些程序以模塊的形式放人軟件包中，形成模塊庫。的模塊庫實際上就是用基本語言編寫的子框圖中。從4不同的版本中包含電力系統(tǒng)模塊庫（PowerSystemBlockset），該模塊庫主要由HydroQuebec和TECS1MInternational公司的研究人員共同開發(fā)出來的。在環(huán)境下用電力系統(tǒng)模塊庫的模塊，可以方便地進行電路、電力電子電路、電力系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)等的仿真。本設(shè)計的仿真實驗就是在/環(huán)境下，主SimPowerSystemsSimPowerSystems元件庫提供了平常用到的電氣設(shè)備和元件。比如變壓器、電力輸電線、電機、電力電子原件等等。首先整體上看一下SimPowerSystems的結(jié)構(gòu)框架。在執(zhí)行命令中打出powerlib這個命令，然后按回車，就可以打SimPowerSystems3-1也可以打開組件，從中找到SimPowerSystems圖3-1SimPowerSystem電源（ElectricalSources）電源（ElectricalSources）模塊組包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、三相電源、三相可編程電壓源、受控電壓源和受控電流源等基本模塊。組件（Elemnt）模塊組包括各種電阻、電容和電感組件，各種傳輸線組件、斷路LC分支來選擇。電力電子（PowerElectronics）電力電子（PowerElectronics）模塊庫包括二極管（Diode）、晶閘管（Thyristor）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、絕緣門極晶體管（）、MOS場效應管（MOSFET）、/Diode、理想開關(guān)（IdealSwitch）、三電平變流器橋等模塊，此外還有兩個附加的應用實例庫（Application附加（Extras）模塊組主要有Measurements子模塊組、DiscreteMeasurements子模塊組、ControlBlocks子模塊組、DiscreteControlBlocks子模塊組。而每個附加（Extras）子模塊運行仿真步驟一般使用窗口菜單命令進行仿真，方便且人機交互性強，用戶可容易地進行使用窗口菜單命令進行仿要可以完成以下一些操作過程選擇菜單選項Simulation—ConfigurationParameters可以進行仿真參數(shù)及算法的設(shè)置。選擇此選項后會顯示仿真參數(shù)框，如圖3-2所示。圖3-2仿真參數(shù)此框包含的主要屬性頁的內(nèi)容及功能如下DataImport/Export：和工作間數(shù)據(jù)的輸入和輸出設(shè)定，以及數(shù)據(jù)選擇適當?shù)乃惴ú⒃O(shè)置好其他仿真參數(shù)后，點擊框中的OK或Apply按鈕，修改的設(shè)置即可生效?？?，選擇菜單選項Simulation→Start或電動機中的▲圖標起動仿真。模型中用來顯示輸出的模塊（如Scope模塊)，就可以觀察到仿真的結(jié)果。當然，也可以可以選擇菜單選項Simulation→Stop停止仿真。圖3-3框在仿真過程中若出現(xiàn)錯誤，將會終止仿真并彈出一個標題為“ErrorDialog”的框。該框分為如下三部分。圖3-3框Reportedby：出錯信息來源，如、Stateflow,Workshop等SummaryOpen設(shè)置仿真時間常重要，它決定了模型仿真的時間或取值區(qū)域，其設(shè)置完全根據(jù)待仿真系統(tǒng)的特性確定，反映在輸入顯示上就是示波器的橫軸坐標值的取值范圍。Start和Stoptime”項分別用以設(shè)置仿真開始時間或取值區(qū)域下限）和終止時間（或取值區(qū)域上限)0.010.0。在的仿真過程中選擇合適的算法是很重要的。仿真算法是求常微分方程傳根據(jù)仿真步長，中提供的常微分方程數(shù)值計算的算法大致可以分兩類FixedStep—般來說，使用變步長的自適應算法是比較好的選擇。這類算按照設(shè)定的精確4建立發(fā)電機零起升壓仿真模如圖4-1圖4-1在仿真模型中，其中由以下模塊構(gòu)成：階躍模塊（te）、斜坡模塊（rmp）、乘法模塊（produt）、限幅模塊（turtion）、反饋模塊、PID模塊（PIDontrollr）、死區(qū)模塊（dZone）、常數(shù)模塊（ontain）、慣性環(huán)節(jié)模塊（rigonomtricFuntion）、空載特性曲線模塊（lookuptabl）、加法模塊（dd）。這些模塊都可以從的數(shù)據(jù)庫中找到然后放到mdl仿真文件的界面中，對應上圖進行連接。因為仿真的是零起升壓運行，所以用到數(shù)學方法來模擬實際發(fā)電機運行中的啟勵和勵磁系統(tǒng)，所以用到了電機學與電力系統(tǒng)分析中的很多 原理，這些 原理在上圖中得到了很大應用。模塊參數(shù)設(shè)階躍模塊。階躍模塊控制的輸入信號大小與輸入時間，所以按要求初始時間設(shè)置0014-2PID模塊。PID模塊對輸入值與反饋值之差進行修改，使它的差盡量變小符合要，0.614-3所示壓，相當于將整個回路切斷，從而達到滅磁的作用，如圖4-4所示1]調(diào)節(jié)器、[0.011]晶閘管功放、[81]轉(zhuǎn)子響應特性時間常數(shù)，以下為其中一個設(shè)置樣toworkspace模塊。因為在gui界面中需要輸出結(jié)果曲線，所以把要輸出的數(shù)據(jù)線處接此模塊，并定義好相應的變量名稱方便以后m文件編輯對應相應的變量，所以設(shè)定了四個變量名untitlednew_3、untitlednew_4、untitlednew_5、untitlednew_6,4-6圖為（3）4-7α的變化規(guī)律曲線圖，這個角度為發(fā)電機機端懂為弧度制，所以這里的α88°，符4-8中表示的是經(jīng)晶閘管后的勵磁電壓的大小變化，勵磁電壓在經(jīng)過幾次震蕩如圖4-9化基本處于同步，因為經(jīng)過整流后的電壓變?yōu)橹绷?，僅受到電阻的影響，所以曲線符合要求4-10幾次調(diào)整，穩(wěn)定的緩慢增至一個定值，之后一直穩(wěn)定運行，此時即為發(fā)電機的穩(wěn)定運行狀態(tài)。550%建立仿真模如圖5-1圖5-150%模塊參數(shù)設(shè)常數(shù)模塊。因為要用到觸發(fā)延遲角，所以需要常數(shù)來算出其值，在PID1/1.35，相應的當用完后應該還原1.35的常數(shù)來還原它，在轉(zhuǎn)子勵磁回路中，需要換算一個標幺值，所以需要一個常數(shù)模塊來進行換算。以及在運算模塊中需要輸入一個變量，實現(xiàn)gui對其控制，因此設(shè)置一個變量m2。1]、[0.011]、[81]增益模塊。在增益參數(shù)中設(shè)置為1，如圖5-toworkspace模塊。因為在gui界面中需要輸出結(jié)果曲線，所以把要輸出的數(shù)據(jù)連線處接此模塊，并定義好相應的變量名稱方便以后m文件編輯對應相應的變量，所以設(shè)定了四個變量名untitlednew_1、untitlednew_2、untitlednew_3、untitlednew_4、Ucos2Ucos2P2P2QUP2QP2QPXd

sinU

U

U UsQXd

cos

UsXd5-不變最總使得發(fā)電機機端電壓由1.001Pu上升到Pu1.01。如下圖5-發(fā)電機的有功功率的實時變化P，由于原動機輸入的有功保持0.5Pn不變，發(fā)Eqδ不會變化。這樣就會使得輸出功率P低，δ減小，但最終P5-5各個時刻無功功率Q5-發(fā)電機的功率叫δ的變化圖線如下所示，隨著輸出無功的增加，δ的角度會逐漸5-7功率因數(shù)cos5-發(fā)電機的機端電流I，隨著輸出無功的增加，發(fā)電機電樞電流會增加。升無功總6GUIGUI設(shè)計基本介GUI是在工程設(shè)計中經(jīng)常用到的重要的程序語言，它將數(shù)據(jù)運算，符號運算，模擬仿真等功能集合為一體，同時也是程序設(shè)計接術(shù)和程序接術(shù)等。由于其模擬方式伴隨著計算機科學技術(shù)的進步與發(fā)展，人和計算機的信息溝通與也發(fā)生了重大變化。從以往的代碼命令格式發(fā)展如今的交流互動。在圖形界面清晰指導下，人民對象，如圖形窗口、菜單、框及文本等內(nèi)容的圖形接口。利用該圖形接口，用戶可以作為最強大的科學計算軟件同樣提供了創(chuàng)建圖形用戶接口的功能尤其是 GUIMGUIDE輔助的圖（1）MGUI程序界面，就是通過低級句柄圖形對象創(chuàng)建函GUI界面下各個交互組件的屬性。這主要用到句柄圖形對象操作的方法。(2)使用GUIDE（GraphicalUserInterfaceDevelopmentEnvironment）輔助設(shè)計是一種更簡單的創(chuàng)建GUI程序界面的方法。GUIDE即提供的GUI程序的開發(fā)，境實際上就是一個圖形用戶界面程序用戶只需要通過簡單的鼠標拖拽等操GUIGUI編程的首選方法。，GUIGUIDE觸控按鈕（Push靜態(tài)文本(Static可編輯文本（Edit面板坐標軸本次設(shè)計通過以上工具實現(xiàn)對GUIDEGUI設(shè)計與M文件編GUI 圖6-2GUI編輯mdlm啟動guiM按照操作要，按下按鈕后，相對應的參數(shù)需要輸入到mdl的模塊的變量設(shè)置中，所以要對相應的按鈕callback進行編程，實現(xiàn)以上功能。例如對pushbuttontag37勵磁系統(tǒng)投入globalglobalk2;globalk1;globaloptions;ifkkk==1options=simset('SrcWorkspace','current');gridon;gridon;gridon;gridon;其他按鈕類似此操作，應注意的是，在編輯時，先查找號要編輯的按鈕的序列號以及相對應的編輯文本的序列號。globalk2;是對變量k2定義之后，將28的編輯文本的內(nèi)容賦予k2變量，輸入到mdl文件是對為14的坐標軸坐標軸的隱藏屬性進行設(shè)定，類似的，像文本內(nèi)容以及顏色都是對mdl文件untitlednew中workspace中的變量untitlednew_4結(jié)果輸出到為13的構(gòu)建仿真界面與輸出仿真結(jié)50%6-1）mdlworkspace模塊來，繪制想M文件、ImdlIM文件便會把相應的參數(shù)傳遞到mdlM文件會數(shù)據(jù)和波形。2）50%啟動仿真，先輸入取值范圍的任意數(shù)值，按下按鈕，相應的參數(shù)傳遞到mdl文件中，在50%負載狀態(tài)下，操作界面一開始便是勵磁投入狀態(tài)，所以不需要再設(shè)置勵磁投入m1誤參數(shù)，導致運行部成功。本次畢業(yè)設(shè)計是以三相同步發(fā)電機為主要研究對象的，通過對三相同步發(fā)電機的結(jié)掌握與思考，之后使用/進行仿真，并完成了相關(guān)系統(tǒng)的仿真圖。 高軍鋒等．基礎(chǔ)與應用實例集粹[M]．：人民郵電設(shè) ．：郭文彬，桑林．通信原理-基于的計算機仿真[M]郵電大學．： 英文文ModelingandysisoftheSynchronousGeneratorsExcitationSystemsVadimSlenduhhov,JakoKilterTallinnUniversityofTechnology(Estonia) ,jako.kilter@ttu.ee—Thispaperdescribesformerandmoderntypesoftheexcitationsystems.Theresultsofthestudyperformedarepresentedinordertoassessthebehaviorofsynchronousgeneratorwithdifferenttypesofexcitationsystems.Anoverviewandcomprehensive ysisofthebehaviorofdifferentexcitationsystemsis ysisismadeusingPSCADsoftware.1、Excitationsystemsareoneofthemostimportantpartsofthesynchronousgenerators.Excitationsystemofthegeneratorcomprisefrommachines,devicesandappliancesthatareintendedtoprovidedirectcurrenttothegeneratorfieldwindingandthiscurrentregulation.Additionally,excitationsystemsarealsoresponsibleforcontrolandprotectionfunctionsofthepowersystem.Asanimportantcontrolunitofsynchronousgenerator,theexcitationsystemanditsdynamicperformancehasadirectimpactongenerators’stabilityandreliability[1].Whenthebehaviorofthesynchronousmachinesistobesimulatedaccurayinpowersystemstabilitycase,itisessentialthattheexcitationsystemsofthesynchronousmachinesbemodeledinsufficientdetails.Thedesiredmodelsmustbesuitableforrepresentingtheactualexcitationequipmentperformanceforbothlargeandsmallperturbationsaswell.ModelsofdifferentexcitationsystemstobeusedforsystemstabilitystudiesarepresentedincorrespondingIEEE[2].Broaddescription,characteristicsandmodelingfeaturesoftheexcitationsystems,dynamicperformancecriteriaanddefinitionsofrelatedtermsusefulintheidentificationandspecificationoftheexcitationsystemsrequirementsarewidelydiscussedanddescribed[3],[4].Followingsectionsdescribescommontypesoftheexcitationsystems,theirmonitoring,protectionandcontrolfunctions,alsorelativeadvantagesanddisadvantagesarebrieflydiscussedandcompared.Casestudyincludesshortpresentationofthepowersystemmodelused,summaryoftheexcitationsystemsandpowersystemstabilizertests,andtheGridCodeverificationresults.EXCITATIONTypesoftheExcitationSystemsPresentlytherearedifferenttypesoftheexcitationsystemsusedworldwide.FormtheexcitationpowergainpointofviewexcitationsystemscouldbedividedfollowingIndependent.Exciterisnotconnectedtothegridthusexcitationparametersdonothavedirectconnectionwithgridparameters.Thepartof turbinemechanicalpowerisusedfortheexcitation.Dependent.Exciterutilizesthepartofgeneratorpowerorisconnectedtothegrid.Accordinglytotheexcitationsourceusedexcitationsystemsareclassifiedasfollowing:DCACStaticDCexcitationsystemsutilizedirectcurrentgenerators.Insuchsystemsdirectcurrentisprovidedtotherotorofthesynchronousgeneratorthroughthesliprings.Theexcitermaybecedonthesameshaftwithpowergeneratororissepara ydrivenbyamotor.Excitermaybeself–excitedorwithseparateexcitation,withpermanentmagnetgeneratorapplied.ACexcitationsystemsutilizeACmachinesforgeneratorexcitation.Exciteristypicallycedonthesameshaftwiththeturbine.ACisrectifiedbycontrolledornon-controlledrectifiers,toprovideDCtothegeneratorfieldwinding.AlsoACexcitationsystemsmaydifferbyoutputcontrolmethodandsourceofexcitationforthePresentlystationaryandrotatingACrectifiersystemsareinuse.InstationaryrectifierstheDCoutputisfedtothefieldwindingofthegeneratorthroughthesliprings.Onthecontrary,inrotatingrectifiersthereisnoneedinslipringsandbrushesandDCisdirectlyfedtothegeneratorfieldasthearmatureoftheexciterandrectifiersrotatewiththegeneratorfield.Suchsystemsareknownasbrushlesssystemsandweredevelopedtoavoidtheproblemswithbrusheswhenextremelyhighfieldcurrentsoflargegeneratorsareapplied.Instatic(ST)excitationsystemsalltheelementsarestationary.Suchsystemsdirectlyprovidesynchronousgeneratorfieldwindingwithexcitationcurrentbymeansofsliprings.RectifiersinSTsystemsgainthepowerfromgeneratorthroughauxiliarywindingsorastep-downtransformer.Insuchsystemsgeneratoritselfispowersourcewhatmeansthanthegeneratorisself-excited.Asthegeneratorisnotabletoproduceanyvoltagewithoutexcitationvoltage,thegeneratormusthaveauxiliarypowersourcetoprovidefieldcurrentandenergizethegenerator.StationbatteriesareusuallyforthepurposeofadditionalpowersourcesandtheprocessisnamedfieldExcitationSystemsMonitoring,ControlandProtectiveModernexcitationsystemsincludenumberofmonitoring,protection,controlandlimitingfunctions,whichhelpstofulfillthenecessaryrequirements.Eachexcitationsystem253mayincludesomeorallfunctions,itisimportanttohaverangeoffunctionsthatissufficientforthewholesystemmaintenanceonthedesiredlevel.MainfunctionsoftheexcitationsystemsareACandDCExcitationsystemPowersystemVoltagesensingandloadUnder-andoverexcitationBriefdescriptionofthecontrolandprotectionACvoltageregulatormainfunctionistopreserveandmaintaingeneratorstatorvoltage.Itsadditionalfunctionisthegeneratorexcitationvoltagecontrol.DCvoltageregulatorholdsgeneratorexcitationvoltageontheconstantlevelandistypicallymanuallycontrolled.Regulatorismainlyusedduringtests,startupsandtocovertheACregulatoroutages.Inthismodeofoperationthefieldvoltageisregulated.Excitationsystemsstabilizingcircuitsareusedtoimprovethedynamicperformanceoftheexcitationsystem.AsDCandACexcitationsystemshaveelementswithsignificanttimeconstantsanditisimportanthavefeedbackcompensation.Theresultisminimizationofthephaseshiftcausedbyelementstimeconstants,whatcontributestowardsgeneratorstableoperationsuchasbeforethesynchronizationorafterloadPowersystemstabilizer(PSS)usesspecialstabilizingsignalsforexcitationsystemcontrolandpowersystemdynamicperformanceimprovement.MajorinputsignalsthatPSSusuallyutilizesareshaftspeed,frequencyandpower.Mainfunctionofthestabilizeristherotoroscillationsdamthroughexcitationcontrol.TogaindamstabilizerhavetoproduceappropriateelectrictorqueLoadcompensationisusedtocontrolvoltageatapointthatisexternalorinternaltothegenerator.Compensatorhasadjustableimpendencetosimulateelectricaldistancebetweenthegeneratorterminalsandthepointatwhichthevoltageisbeingcontrolled.Accordinglytotheresultsachievedvoltagedropiscalculatedandgeneratorterminalvoltageregulated.Voltageregulationatthepointthatisexternaltothegeneratoriscommonlyusedtoprovidepropersharingofthereactivepowerbetweengeneratorsbussedtogether.Voltageregulationatthepointthatisinternaltothegeneratorisusedtocompensatethevoltagedroponthestepuptransformers.Underexcitationlimiter(UEL)isusedtopreventgeneratorexcitationdecreasetothelimitatwhichgeneratorstabilityislost.Limiterinputsignalisgeneratorvoltageandcurrentoractiveandreactivepower.Thelimitsaredeterminedbysignalexceedingthereferencelevel.Overexcitationlimiter(OEL)majorfunctionistopreventgeneratoroverheatingduetolongtermexcitationovercurrent.OELrecognizesovercurrentandafterthedelayreduceexcitationtothecertainvalue.Therearetwowaysoftimedelay:fixedtimeandinversetimedelay.Fixedtimelimiteroperateswhenexcitationcurrentexceedsreferencevalueduringpresettime.Inversetimelimiteroperateswiththedelaythatmatchesfieldthermalcondition.Volt-per-hertzlimiterisresponsibleforgeneratorsandstep-uptransformersprotectionfromexcessivemagneticfluxduetolowfrequencyorovervoltage.Excessivemagneticfluxmaycausegeneratorortransformersseriousoverheatinganddamage.Magneticfluxisproportionaltotheratioofvoltperunittohertzperunit.GeneratorprotectionisappliedwhenV/Hzregulatorexceedspresetvalueduringspecifiedtime.Exciterfieldsuppressionisoneoftheseriousproblemsofsynchronousgeneratorstrip.Becauseofhighinductivityduringgeneratortripextremelyhighvoltageappearsinthefieldwinding.Presentlyspecialcircuitbreakersareusedinwhichelectricarcischoppedonmanysmallerelectricalarcsandgetsextinguished.Typicalde-energizingtimeis0.5to1s.InstaticexcitationsystemsrectifiersareswitchedtotheinvertermodeinconsequenceofwhatpoweraccumulatedinthefieldwindingisguidedtotheexciterortransformerExcitationSystemsAdvantagesandDifferentexcitationsystemshavetheirrelativeadvantagesanddisadvantages,mainofthemarepresentedintheTableI.TABLEEXCITATIONSYSTEMSADVANTAGESANDSofSVings-SFAdditionally,itmustbementionedthatDCsystemsarelessdependentonvoltageoscillations,buttheircontrolsignalshassmalleramplificationandresponsetimeduringtransientsisslow.ACsystemsbenefitsincomparisonwithDCareextendedrangeofexcitationcurrentandvoltageandhighersignalsamplification.Brushlessexcitersadvantageishighreliabilityinusingwithlargegeneratorsbecauseofabsencetheslipringsandbrushes.Staticexcitermeritsareresponsetimeandsizesofthesystem.AmplificationopportunityandexcitationcurrentandvoltagearemuchhigherthaninDCandACsystems.SometimesSTexcitersareevenprovidedwithadditionfieldcurrentlimiter,becauseofextremelyhighceilingvoltage.ThemaindisadvantageofSTsystemsisthatpowersourceismaingeneratoranditisself-excitedThatrequiresadditionalpowersourcetoinitiallyprovidethefieldcurrentandenergizetheMODELINGOFTHEEXCITATIONExcitationsystemsmathematicalmodelsareimportantfortechnicalrequirementsestimation,additionalcontrolandprotectioncircuits’configurationandcoordinationalsoforthewholesystemstabilityresearchandItisessentialthattheexcitationsystemofthesynchronousgeneratorismodeledinsufficientdetails,toget ysimulatedpowersystemstabilitycase.Delayedprotectiveand254controlfeaturesthatcomeintoyinlong-termsystemperformance,e.g.UELandOEL,arenotpresented.CASEExcitationSystemThemodeledpowersystemisbasicallyonegeneratorandaninfinitebussystem.Themodelincludestypicalpowersystemmainelectricalequipment,suchasgenerator,powertransformer,high-voltagelines,measuringdevices,electricalnetworkload.Thesynchronousgeneratordatausedinthisstudyissomewhatmodifiedactualgeneratordata.Apparentpowerofthegeneratorwas230MWwithoutputvoltage15.75kV.Generatormainparametersunderobservationarerotorspeed(W),mechanicaltorque(Tm),excitationvoltage(Ef),excitationcurrent(If),terminalvoltage(U)andcurrent(I).Transformeris250MVA,15.75kV/347kV,delta/wye.Electricallinesare50kmlongOHL;baseloadis200MWactivepowerand20MVArreactivepowerperphase.Allusedparametersareselectedbasedonactualdata.ThegeneratorandthenetworkaremodeledinPSCAD.ExcitationSystemsResponseRatioandCeilingExcitationsystemsmainparametersareresponseratioandceilingvoltage.Theaimofthetestistofindout,exploreandcomparedifferentexcitationsystemsthistwoparameters.Duringthetestthree-phaseshort-circuitismodeled.Shortcircuittakeceat15thsecondaftersimulationbeginning.Thedelayischosentowaitforallthetransientsdamandpreventparametersdistortionbecauseofthem.Excitationsystemceilingvoltageistheumvoltageappliedacrossthefieldwindingforaveryshortduration.Mostinterestingvalueisforcingratio()–theproportionofhowmanytimesceilingvoltage(ishigherthannominalexcitationvoltage,asshownin(1)Excitationresponseratiomeasuringunitis,whichshowshowmanynominalvoltagevaluesexcitationsystemisabletoachieveduring1second.Inthispapermodelsofthreemostcommonexcitationsystemsaresimulated,testedandrepresented:DCexcitationsystem–DC1A,ACexcitationsystem–AC1Aandstaticexcitationsystem–ST1A.TheparametersselectedfordifferentexcitationsystemarebasedonIEEEmaterial[2].DC1A,AC1AandST1Asystemsexcitationvoltagesduringtheappliedshort-circuitarepresentedintheFig.1,Fig.2andFig.3,respectively.DCexcitationsystemforcingratioaccordinglytotheFig.1and(2)is1.34,asshowninUsing(2),excitationresponseratioiscalculatedandequalsACexcitationsystemforcingratioaccordinglyto(1)is1.3andexcitationresponseratioaccordinglyto(2)is0.51Fig.2.AC1Aexcitationvoltageduringthree-phaseshort-circuit.STexcitationsystemforcingratiois3.2asin(1)andresponseratio13.96asin(2)(Fig.ThesetestsclearlyshowthatstaticexcitationsystemresponseratioandforcingratioaremuchhigherthanACand255DCsystems.PresentedturbogeneratorsDCandACexcitationsystemsexceeds2andachievesover2nominalvoltagevaluesduring1second.Toprovidehigherforcingandresponseratiosthestaticexcitationsystems,whereandreaches4and40accordingly,areused.Anotherpointofinterestisthetime,whichisneededforexcitationsystemtoreachtheceilingvoltage.DCandACsystemsbehaviorisquitesimilar.Bothsystemsrequireapproximay1.5seconds,asseeninFig.1andFig.2.Ontheoppositestaticexcitationsystemneeds0.015seconds,asseeninFig.3.ExcitationSystemsResponsetoaShort-circuitinthePowerThistestwasperformedinordertoshowdifferentexcitationsystemsreactiononnetworkShort-circuitappearson15thsecond,durationofthewholetestis30secondstogivethesystemtimeforthestabilizationaftershort-circuitdisappearance.Short-circuittimeischosen0.15s,0.18s,0.22sand0.24s,asthesearethetypicalshortcircuitlengthsinpowernetwork.Fig.4,Fig.5andFig.6showsexcitationvoltagechangesofdifferentexcitationsystemsduringdifferentshort-circuitFig.4.DC1Asystemexcitationvoltageduringdifferentshort-circuitFig.5.AC1Asystemexcitationvoltageduringdifferentshort-circuitIngeneral,itmustbestated,thattheshorteristheshortcircuitlength,thequicker eTestshowsthatwiththeprovidedsettingsallsystems eunstablewhentheshort-circuitdurationislongerthan0.22seconds.Inaddition,itisseenfromFig.4toFig.6thatinsystemwithstaticexciteroscillationsaredampedquickerthanwithDCorACsystems.ThephenomenoniscausedbySTsystemmuchhigherforcingandresponseratios.OscillationsinsystemswithDCandACexcitersaredamsimilarlywithaslightadvantageofACsystem.ItisseeninFig.4–Fig.6thatincaseofshort-circuitdurationof0.22secondsDCandACsystemsexcitationvoltagebecamestableonapproximay28th-30thsecondsandSTsystemon20thsecondaccordingly.Inaddition,Fig.7,Fig.8andFig.9showsperturbationsofstaticexcitationsystemST1Ageneratorterminalvoltage,activeandreactivepower.Fig.9.Reactivepowerduringdifferentshort-circuittime(ST1AsystemItcouldbeseenhowparametersofthepowersystemarechangingduringdifferentshort-circuittime:withagradualincreaseofshort-circuittimetheamplitudeoftheoscillationsaregettinggreateruntilthestabilityislost,e.g.,whenshortcircuittimeequals0.24s.StaticExcitationSystemTestwithPowerSystemPowersystemstabilizers(PSS)areusedtoenhancedamofpowersystemoscillationsthroughexcitationcontrol.Inthispaper,theresultofpowersystemstabilizerPSS1A[2]utilizedwithexcitationsystemST1Aareintroduced.Mainobjectofthetestistoshowthedifferenceofsystemstabilizationaftershort-circuitwithPSSandwithoutit.Fig.10showsactivepoweroscillationscausedbytheshort-circuitappearance.Itisclearlyseen,thatexcitationsystemwithstabilizerrecoversquicker,oscillationpeaksareloweralreadyonthesecondfluctuationandtotallydisappearson2ndsecondafterdisturbancecommitment.Systemwithoutstabilizeralsogetsstabilized,butabitlater,approximayon4thsecondaftershort-circuitFig.10.Activepowerstabilizationafterdisturbance(t=0.15s)disappearancewithandwithoutPSS.MoredemonstrativelythebenefitofPSSutilizationisshowninFig.11.IncaseofusingPSSsystemrecoversand esstableon3rdsecondafterdisturbancedisappearance.WhenthePSSisnotinusestabilityislost.VerificationoftheExcitationSystemAccordinglytotheGridCodeofEstonia[6],seriesofmeasurementsandtestsmustbeconducted,beforeexcitationsystemunitutilizationpositiveresolutionisobtained.Thesteadystateisdeterminedbymeasuringthedynamiccharacteristics.Powergeneratorisoperatedinno-loadconditionsandterminalvoltageischangedexplosivelyon10%.Terminalvoltageischangedfrom95%to105%and105%to95%oftheratedvoltage.Inbothcasesthegeneratoroutputvoltagechangemustcorrespondfollowingrequirements:ThereshouldnotbeoscillationsinoutputTerminalvoltage90%risetimemustbe0.2-0.3secondsforSTIntheFig.12isshownexcitationsystemST1Ano-loadverificationtest.Terminalvoltageischangedon11.06secondfromteststartform95%to105%andon16.5secondischangedbackfrom105%to95%ofratedvoltage.Nominaloutputvoltageofthegeneratoris15.75kV,inthiscase95%isequalto14.96kVand105%isequalto16.54kV.AccordinglytotheGridCoderegulations90%ofbothvaluesmustbereachedduring0.2-0.3secondsifstaticexcitationsystemisFig.12.Terminalvoltageexplosivechangeinno-loadThedifferencebetween105%and95%ofratedvoltageis1.58kV.Itmeansthat90%ofthisvalue,equalto1.42kV,riseorreductionmustbeobtainedintheperiodof0.2to0.3seconds.Thetestshows,thatincaseof10%voltagereductionneededvalueisacquiredduring0.21secondsandincaseofvoltageriseduring0.22Oneofthemostimportantelementsofthepowersystemsaresynchronousgeneratorsandtheirexcitationsystems.Theseprovideconsumerswithelectricalpowerandtothegreatextentguaranteepowersystemreliability,securityandstability.InthispaperthemostcommonexcitationsystemsofthesynchronousgeneratorsandtheirbehaviorfeaturesarethoroughlydescribedandmodeledinPSCAD.Theaimoftheworkwastoinvestigateandshowdifferentexcitationsystemsproperties,definetheirparameters,estimatetheiradvantagesanddisadvantages,model,simulateandtestpowersystemsindifferentconditions.Inthestudycasemostimportanttestarepresentedanddescribed.Threemainexcitationsystemsaremodeledandyzed:DC,ACandstatic.Duringtheteststhereal,mostimportantparametersoftheexcitationsystems,suchasforcingrationandresponseratioweredefinedandcompared.Theparametersc