电力系统自动化课设

电力系统自动化课设-发电机并网（共14页）-本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可-内页可以根据需求调整合适字体及大小-电力系统自动化课程设计发电机并网模型的建立与并网过程的仿真分析专业班级：电气0802班姓名：吴彦亨学号：08指导老师:孙妙平发电机并网模型的建立与并网过程的仿真分析三相同步发电机是常用的交流发电机，但是单一的 1 台三相同步发电机对 电网供电有明显的缺点：1）不能保证供电质量（电压和频率的稳定性）和可靠性 （发生故障就得停电）；（2）无法实现供电的灵活性和经济性。这些缺点可以通过 多台三相同步发电机并联来改善。通过并联可将几台同步发电机或几个发电站 并成一个电网。现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流 排上一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统。电网供电比单机供电有许多优点：1）提高了供电的可靠性，1 台电机发生 故障或定期检修不会引起停电事故。2）提高了供电的经济性和灵活性，例如水 电厂与火电厂并联时，在枯水期和旺水期，两种电厂可以调配发电，使得水资 源得到合理使用。在用电高峰期和低谷期。可以灵活地决定投入电网的发电机 数量，提高了发电效率和供电灵活性。3）提高了供电质量，电网的容量巨大， 单台发电机的投入与停机，个别负载的变化，对电网的影响甚微，衡量供电质 量的电压和频率可视为恒定不变的常数。电力系统运行过程中，经常需要把同步发电机投入到电力系统上去进行并 列运行，把同步发电机投入电力系统作并列运行的操作称为并网操作。发电机 组应当安众可靠、准确快速地投入电网，确保系统的可靠、经发电机并网要求 满足准同期条件，并网要求准确、快速。准确可以保障安全和减少对发电机并 网引起的冲击，而快速则能够减小发电机的空转损耗。随着计算机工业的发展 和数字技术的迅猛进步，研制使用能够自动实现发电机并网的智能仪器已成为 发电厂技术革新和自动化改造的重要课题。本文探讨了发电机安全并入电网所 需的条件，并对并网模型进行了建立，借助工程计算软件MATLAB强大的绘图功 能对不同条件下的并网过程进行了仿真分析，从而得出了一些重要的结论。这 些结论为自动准同期装置的研制提供了理论根据。目录第一章发电机并网条件分析 错误!未定义书签。1、1发电机并网条件 错误!未定义书签1、2发电机并入系统时的冲击电流 错误!未定义书签1、3发电机并网条件的分析 错误!未定义书签电压相位差分析 错误!未定义书签初相位差分析 错误!未定义书签频率滑差分析 错误!未定义书签电压幅值差分析 错误!未定义书签分析结论 错误!未定义书签第二章发电机并网模型的建立 错误!未定义书签第三章 并网过程仿真 错误!未定义书签UG丰UX错误!未定义书签。存在频率滑差 错误!未定义书签存在相位差 错误!未定义书签理论分析结果与仿真分析结果的比较 错误!未定义书签【参考文献】 错误!未定义书签。第一章 发电机并网条件分析1、1发电机并网条件发电机并网时，若要减小电网与发电机组成的回路内产生的瞬态冲击电流，必须保证发电机的电压与电网电压在并网的瞬时相等，由此得出发电机并 网的理想条件：（1）双方应有一致的相序；（2）双方应有相等的电压的有效值；（3）双方应有同样或者十分接近的频率和相位。在以上 3 个条件中，相序一致是必须满足的，而其他两个条件要尽量满足。1、2 发电机并入系统时的冲击电流发电机经变压器通过断路器与电力系统并网（见图 1）。因并网前发电机处空载状态，故转子电流产生的在定子绕组的磁链为fg。，在定子绕组中的感应 电动势为UG。设在q主触头瞬间UG和Us的相角差为5。可见，在q方向上，电压差分量为UG Us C0S 5，产生的冲击电流周期分量有效值为:U - U cos 5 /X ” + XGs dT在 d 轴方向上，电压差分量为0 -Ussin 5 ，产生的冲击电流周期分量有效值为0 - U sin 5sXq显然，流过发电机的冲击电流为上述两部分的相量和，得到的冲击电流周期分量的有效值为swU - U cos 5G sX + XdTU sin 5 丫+sX ” + X qT丿由上式可见，当5 =0。时，I有较小的数值，再有U = U，则I =0 ；swG Ssw当5 =180。，I有最大值。显然，U与U不等时发电机并网均会产生冲击电swGS流。UUUsUeT()发电机电踏(砧冲击电潦的产生1、3 发电机并网条件的分析设发电机A相瞬时电压为：u = U sin( t + p )(1)g g g g (1)电网A相瞬时电压为：u = U sin t +9 )X X X X存在电压差和频差的情况下，发电机与电网的瞬时电压差应该由下式描述u = u u = U sin(e t + 9 ) U sin(e t + 9 )(3)该瞬时电压差就称之为电压滑差。并网时冲击电流的大小就决定于此电压 滑差。本文将借助工程计算软件MATLB强大的绘图功能详细讨论相位差、电压 差和频率差对滑差的影响。下面就分析在满足相序一致条件下，其他两个条件 未满足时对同步发电机并网运行的影响。电压相位差分析假定发电机的电压和电网的电压相同，即，则Ugm = UXm = U式3变为:u = u - u = U sin（ t + 9 ） - U sin（ t + 9 ）gXggXX=2Ucos1）t + 丄（9 +9 ）sin1（w - ）t +丄（9 一9 ）2 gX2 gX2 gX2 gX4）由式（4）可知：电压滑差u是由一个高频余弦波分量和一个低频正弦波分量调制而成。它的包络线反映了低频正弦波分量的特点。低频正弦波的相位：甲 二丄（一）t +丄（申一甲）（5）L 2 g X 2 g X申L正好是Ug和UX的相位差的一半，因而相位差的变化趋势与电压滑差包络线 的变化趋势是一致的。当9厶=0时，sin申二0，电压滑差u =0,即在相位差为 L零的地方，电压滑差包络线通过零点；而当9l二兀时，电压滑差包络线达到最 大值。显然，如果控制发电机的并网开关在电压滑差包络线过零的瞬时闭合， 将不会有任何冲击。也就是说，发电机并网的理想位置是在电压滑差包络线的 过零点。将式（4）带入具体的数值利用MATLAB绘制f 二49-5Hz，巴壬6；丁50Hz，9x/ 3； ug,uX=100sin（100 兀 t + 兀,3）；的波形，其结果如下图。从下图可以看出滑差波形是一个调制波，它的包络线决定于低频正弦波分量。500-501234567100-100-150-200 0200150初相位差分析根据式（4）,滑差的低频正弦波分量的角频率为g X）。可见，滑差包络线的变化频率正好是和叭的一半，如果的铁和叭频差为0,则式（4）变为：1 1 1u 二 2U cos（ +o ）t + 仰 +Q ）sin 仰一甲）2 g X 2 g X 2 g X （ 6 ）式（6）说明，当频差为零时，U和ux的相位差成为一个定值申二坷 申）L 2 g X ，如果初相同。则式（6）恒等于零。这正是发电机并网所要求的理想情况，在此条件下，任意时刻将发电机并网都不会有任何冲击，因为电压滑差恒为 0，说明电网和发电机的瞬时电压在任何时候都相同。但是如果Ug和Ux的初相不相同, 匕H巴，则电压滑差只有高频余弦波分量，其包络线是两条平行直线，不存在任何过零点。在这种情况下，发电机在任何位置并网都会带来冲击，冲击大小 由2U吨2（巴一代）的大小来决定，若若2吨勺巴一陀越接近零，则冲击越小。正因为电网和发电机电压存在着同频时可能不同相的情况，所以实际并网 总是在.7h网和发电6机不同（频时进行的6$ u = 1 OOsin将式（ +）带入具体的数值利用MATLAB绘制 U 丰 U , f f =一0.5HX g XZ电压滑差的波形如图 1-2如示：g图 1-2频率滑差分析根据式（4）,滑差的低频正弦波分量的角频率为gX）。可见，滑差包络线的变化频率正好是g和叭的一半，如果的9g和PX频差为0,则式 （4）变为：1 1 1u 二 2U cos（ +）t + （9 +9 ）sin （ -）t2 g X 2 g X 2 g X （ 7 ）从式（4）和图l中可以看到，如果存在一定的频差，滑差包络线将会周期性地变化，并且周期性地通过零点，我们称该变化周期为滑差周期。对于式（7），带入f - 49 7 H 9 二兀/ f 二 50 H 9 二 不同的频差值，利用MATLAB绘制出J z屮g/6 Jxz屮xu - 100sin（99.4兀t + 兀）,u - 100sin（100兀t + 役6）g/6 Xy 6丿电压滑差波形如图1-3所示。U500-5001234567100-100200150-150-200图 1-3电压幅值差分析以上讨论，都是在发电机电压和电网电压相同的条件下完成的。如果电压 不相同，而是存在差值，即Ug丰UX，如果同步发电机的电压的有效值与电网 电压的有效值不相等，从式(1)可以看出即使同步发电机A相的瞬时电压的频率 f与电网A相瞬时电压的频率f相等，同步发电机A相的瞬时电压的初相位与 电网A相瞬时电压的初相位也相等。滑差uHO。对于式(3),在MATLAB中绘 制出叮Ux = 10V，频率滑差fg -fx =一0.5Hz，初相位相同的情况下，电压滑 差u的波形如图1-4所示：图中可见发电机电压跟电网电压存在电压差时，电压滑差只有最小值而没有过 零点，所以无论何时合闸都存在冲击电流。分析结论(1) 在一定的频差下，电网和发电机的相位差呈现周期性的变化，变化快慢 受频差的影响，频差越大，变化越快。(2) 控制发电机断路器在相位差过零的瞬时闭合，可以保证发电机能够平滑 地并入电网。(3) 初相位不同，电压幅值和频差相同，发电机在任何位置并网都会带来冲 击，冲击大小由由2 2(匕貲)决定，所以实际并网总是在电网和发电机不 同频时进行的。(4) 在相位差过零点并网时冲击的大小取决于此时电网和发电机的电压差， 电压差越大，冲击越大，电压差为零，则没有冲击。第二章发电机并网模型的建立画出并网模型图2-1发电机并网模型第三章并网过程仿真当发电机端压G与无穷大电源电压X不相等时，而频率相同，初相位相同 时，对其进行仿真，仿真结果如图3-1。三个波形依次为发电机端子A相电 压，无穷大系统A相电压，二者并网时相差即电压滑差。图3-1仿真结果分析：由图3-1可以看出，当而频率、初相位都相同 时，在并网时电压滑差较大，但会出现并网时电压滑差为零的时刻。存在频率滑差当发电机端压G与无穷大电源电压X相等时，而频率不相同（相差），初 相位相同时，对其进行仿真，仿真结果如图3-2。三个波形依次为发电机端子A 相电压，无穷大系统A相电压，二者并网时相差即电压滑差。图3-2丄-.-,-八.,.严” - -:.,仿真结果分析：由图3-2可以看出，当g = X，而频率不同、初相位相 同时，在并网时电压滑差较小，会出现并网时电压滑差为零的时刻。存在相位差当发电机端压G与无穷大电源电压X相等时，而频率相同，初相位不相 同时，对其进行仿真，仿真结果如图3-3。三个波形依次为发电机端子A相电 压，无穷大系统A相电压，二者并网时相差即电压滑差。图3-3仿真结果分析：由图3-3可以看出，当g = x，而频率相同、初相位不相同时，在并网时电压滑差较小，会出现并网时电压滑差为零的时刻。理论分析结果与仿真分析结果的比较对两个结果波形图像可知：当G =-时仿真结果与理论分析结果基本符 合。而当发电机端压G与无穷大电源电压x不相等时，理论分析结果为：不管断路 器在何时闭合都会产生电流冲击，而在仿真结果中波形图像出现了电压滑差为 零的点。分析其原因为mat lab仿真中发电机端压与无穷大电源电压有效值总是 相同，不会出现两个电压有效值不同的情况。【参考文献】1 王莹电力系统及其自动化中国电力出版社.20072 王先彬电力系统及其自动化中国电力出版社.20043 吴天明.MATLAB电力系统设计与分析.国防工业出版社.北京.20044 曾翔君，刘国伟，申忠如.发电机并网的仿真研究.期刊论文.