发电机并网模型的建立与并网过程的仿真分析

目录0前言31设计任务及要求31. 1设计目的31.2设计内容和基本要求32发电机并网条件分析42.1并网的理想条件42.2相位差、频率差和电压差对滑差的影响43发电机并网模型建立63.1仿真模型63.2系统仿真模型的建立74发电机并网过程仿真分析84.1潮流计算和初始状态设置84.2发电机并网仿真85仿真结果分析96总结14参考文献140前言计算机仿真技术己成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要 方法和手段。由于电力系统的特殊性，很多研究无法采用实验的方法进行，仿真 分析显得尤为重要。发动机并网是电力系统中常见而重要的一项操作，不恰当的 并列操作将导致严重的后果。因此，对同步发电机的并列操作进行研究，提高并 列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。MATlAB是高性能数值计算和可视化软件产品。它由主包、Simulink及功能 各异的工具箱组成。从版本开始增加了一个专用于电力系统分析的PSB （电力系 统模块,Power system blockset ） 。PSB中主要有同步机、异步机、变压器、 直流机、特殊电机的线性和非线性、有名的和标么值系统的、不同仿真精度的设 备模型库单相三相的分布和集中参数的传输线单相、三相断路器及各种电力系 统的负荷模型、电力半导体器件库以及控制和测量环节。再借助其他模块库或工 具箱，在Simulink环境下，可以进行电力系统的仿真计算，并可方便地对各种波 形进行图形显示。本文以一单机一无穷大系统为模型，在环境下使用GUI、 Simulink、m语言等创建一发电机并网过程分析与仿真系统。该系统可以对多种 情况下的发电机并网过程进行仿真分析，并将仿真结果显示于GUI界面。1设计任务及要求分析1.1设计目的通过发电机并网模型的建立与仿真分析，使学生掌握发电机并网方法和 Matlab/Simulink中的电力系统模块（PSB），深化学生对发电机并网技术的理解， 培养学生分析、解决问题的能力和Matlab软件的应用能力。1.2设计内容和基本要求设计内容主要包括发电机并网模型的建立和并网过程的Matlab仿真。基本要求如下：1、发电机并网条件分析；2、发电机并网模型的建立；3、分别对发电机端电压电压与电网电压幅值、频率和初相位在各种匹配情况下，发电机并网过程的仿真；4、理论分析结果与仿真分析结果的比较。2发电机并网条件分析2.1并网的理想条件同步发电机组并列运行，并列断路器合闸时冲击电流应尽可能的小，其瞬时 最大值一般不宜超过1-2倍的额定电流；发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动1。为了减小电网与发电机组组成的回路内产生的瞬时冲击电流，需保证同步发 电机电压与电网并网瞬时电压相等，所以发电机并网的理想条件为：1、应有一致的相序；2、方应有相等的电压有效值；3、方应有相同或者十分接近的频率和相位。若满足理想条件，则并列合闸冲击电流为零，且并列后发电机与电网立即进 入同步运行，无任何扰动现象。但在实际操作中，三个条件很难同时满足，而并 列合闸时只要冲击电流较小，不危及电气设备，合闸后发电机组能迅速拉入同步 运行且对电网影响较小，因此实际并列操作允许偏离理想条件一定范围时进行合 闸操作。2.2相位差、频率差和电压差对滑差的影响利用Matlab绘图工具可得到各种情况下滑差电压波形，设电网电压为U = 100sin(wt +a )，图1为频差为0.5Hz、电压差和相位差为零的滑差电压波形。图2为频差为0.5Hz、相位差为60、电压差为零的滑差电压波形。图3为电压 差为10V、频差为0.5Hz相位差为零的滑差电压波形。频差为0.5Hz20015010050-50-100-15000.51U 01.522.533.54t/s-200图1频差为0.5Hz、电压差和相位差为零的滑差电压波形图20015010050U 0-50-100-15000.511.522.533.54频差为0.5Hz相位差为60-200t/s图2频差为0.5Hz、相位差为60、电压差为零的滑差电压波形图200150100500-50-100-150-200频差为0.5Hz压差为10V00.511.522.533.54t/v图3电压差为10V、频差为0.5Hz相位差为零的滑差电压波形图由图1和图2可知当电压差为零时滑差电压包络线都过零点，此时合闸则没 有冲击电流。而有电压差时（如图3）滑差只有最小值而不过零点，因此无论何 时合闸都存在冲击电流，不利于系统稳定。3发电机并网模型建立发电机并网模型可用单机-无穷大系统模拟，由此分析发电机并网的动态过 程。图4所示为单机-无穷大系统。变压器图4单机-无穷大系统3.1仿真模型单机即同步发电机，这里选用Synchronous Machine，P = 200MW ;V = 13.8kV; Xd = 1.305; Xd，= 0.296; Xd ”= 0.252; 参数:Xq = 0.474; Xq= 0.243; X1 = 0.18;Td = 1.01; Td = 0.0053; Tqo = 0.1;变压器模型选用 Three-phase Transformer, ，Yg,参数:P = 210 MW; fn = 60 Hz;V 1/V 2 = 13.8kV /230kV;R1 = R2 = 0.0027; L1 = L 2 = 0.08; Rm = 500; Lm = 500;无穷大系统用powerlib中的inductive source with neutral模块表示， 参数:p = 10000MVA; fn = 60Hz;V = 230kV; X /R = 10;系统负荷分别为5MW、10MW。3.2系统仿真模型的建立打 Matlab/simulink/simpowersystems/blocklibary,新建一个 mdl 文件， 将所需的同步电机、变压器、线路、无穷大系统和负荷模型（按3.1选定的系统 模型）拖到该文件下，为便于对电动机的各参量进行设置和检测，还加入了调速 系统模型 Hydraulic Turbineand Governor、励磁调节器 Excitation System和 多路选择器BusSelector,从同步发电机的测量端子m引出发电机的参数通过 BusSelector得到各参数，联接到励磁调节器和调速器的输入端口。按下图连线， 建立发电机并网的仿真模型。图5发电机并网的仿真模型发电机设为PU结点，Bustype为pv generator。变压器采用YgYg接线，可 省去计算电压相角时相位差的变化。通过双击各模块，在弹出的窗口中可实现对 其参数的设置和变更。对需要测量的量可直接引出端口接示波器，便于观察波形 或进行数据分析。完成仿真模型建立后，拖入一个Power GUI到文件中，如图5 所示。4发电机并网过程仿真分析4.1潮流计算和初始状态设置在并网仿真之前需先通过Power GUI进行潮流计算，使发电机电压发出电压 满足并网幅值、相角、频率要求后可进行仿真，相当于发电机并网后的动态过程。 为充分研究并网条件，分别对不同条件下的情况进行仿真分析，并做相应波形对 比。双击 Power GUI，点击 Steady-State Voltages and Currents，显示当前稳 定状态的电压电流值，并可选择查看状态变量、被测值、电压电流源、非线性环 节的电压电流值和相角。双击Initial States Setting可实现运行初始状态的设置，可对状态变量 全设零或设为稳定状态或手动输入任意值，可从任意值开始进行仿真。Machine load flow可用来设置模型中发电机节点的类型，这里设为 P&V generator，还可设置发电机的电压和输出功率，结果窗口中可查看发电机线电 流、相电压、有功和无功功率、励磁电压、转差、转矩等。4.2发电机并网仿真通过改变发电机和系统的参数设置，可进行多种条件下的并网仿真分析，限 于篇幅，这里只对部分条件做相应仿真分析。为便于分析发电机的并网过程，这里设置几种初始条件下的仿真。由于发电 机和系统存在压差时，即使其他同步条件都符合要求还是会存在冲击电流。又考 虑到变压器是YY型连接，仿真将分析频差、压差对系统稳定的影响。分别设置 频差为1%、5%. 10%时比较发电机的同步情况。并与发电机存在压差时进行对比 分析。仿真算法采用ode45。对不同初始条件下的发电机并网过程进行仿真，并将发电机功率、转速、励 磁电压、冲击电流等重要参数通过示波器显示，结果见第五章。5仿真结果分析对不同初始条件下的发电机并网过程进行仿真，结果如图所示。只存在频差时的仿真结果无频差时（1%）4321u0P0-1-2-3-40冲击电流0.20.40.60.811.21.41.61.82t/s图6频差5%时43210-1-2-3冲击电流-4 00.20.40.60.811.21.41.61.82t/s频差10%冲击电流43210-1-2-3-400.20.40.60.811.21.41.61.82t/s图8当系统压差和相角差为零、频差也很小时，经过一个短暂、轻微的振荡过程， 系统可迅速将发电机拉入同步运行，几乎没有冲击电流。如图所示，当频差为 5%时，经过一个较长时间的振荡过程，系统最后也可以将发电机拉入同步运行， 此时有一定的冲击电流。当频差较大时，如图10%，系统将一直处于振荡状态， 无法稳定。发电机将不能与系统实现同步运行，若此时并网则将存在很大的冲击 电流。电压存在相位差时并网仿真结果图10如图所示：在0.8秒并网时，从电压波形图可以看出发电机电压相位与电网 电压在0.8秒前有一个相位差，在0.8秒合闸时，发电机机组迅速投入运行，其 电压与电网电压波形一致，说明并网成功。在0.8秒并网时，发电机机组并入电 网运行，由于发电机电压与电网电压存在相位差，此时将并网瞬间的冲击电流 波形记录下来，观察冲击电流的变化，在0.8秒并网前，电网电流非常小，在0.8 秒时发电机并入电网运行，冲击电流倍数=38000/6470 =5.9倍，可见产生的 冲击电流较大。存在压差的仿真结果图12增大励磁电流，使机端电压升高，机端电压幅值大于电网电压幅值时，在1.2 秒时进行并网。如上图所示：在1.2秒并网时，从电压波形图可以看出发电机电 如图所示：在1.2秒并网时，发电机机组并入电网运行，由于发电机电压幅值与 电网电压幅值不相等，幅值相差较大，产生冲击电流倍数=54000/6470 =8.3 倍，如图所示，冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响，由于定子绕组端部的 机械强度最弱，所以须特别注意对它所造成的危害。由于并列作为运行操作，冲 击电流最大瞬时值限制在12倍为宜。无差并网仿真结果如图所示：发电机在3.52秒时，机端电压与电网电压幅值相同，机端电压 相位与电网电压相位相同，选择在此时刻进行并网，从图中可以看出发电机机组 迅速投入运行，说明并网成功。发电机在3.52秒并网时，机端电压与电网电压 相位相同、幅值相同，产生冲击电流倍数=6500/6470 =1.005倍。说明在满 足并网运行条件时，发电机投入运行，产生的冲击电流较小。对电网不会造成大 的冲击。6总结发电机机组并入电网运行时，若发电机频率与电网频率不相等、电压幅值 不相等、相角差不为零，会产生很大的冲击电流，危机设备的安全，合闸后发电 机组不能迅速拉入同步运行，将导致电网运行的不良后果。所以实际中待并入的 发电机机组的调节系统应在上述三个条件得到满足的情况下才能进行并网运行 的操作。才不会对电网运行产生不良后果。用Simulink建立电力系统模型，用仿真方法对三种常见情况下的发电机并 网运行进行了仿真分析，得到了电压波形与电流波形，这对于分析发电机并网 的工作状态和控制提供了帮助。使在现实中难以实现的试验通过软件得以直观的 展现，运用MATLAB语言对电网并联运行操作进行仿真试验，可以起到事半功倍 的效果。本次课程设计主要依靠Matlab，基本知识由于考研等诸多因素并没有好好掌 握，以至于任务开始阶段进展艰难，不过经过好好看书之后还是勉强做出，许多 问题也是通过与同学讨论解决。总之，有所收获！参考文献1 王莹.电力系统及其自动化.中国电力出版社2 王先彬.电力系统及其自动化.中国电力出版社3 吴天明.Matlab电力系统设计与分析.国防工业出版社.北京.20044 王晶.电力系统的Matlab/Simulink仿真与应用.西安电子科技大学出版社5 刘平，李辉.基于Matlab的发电机并网过程仿真分析J.2010