發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立與并網(wǎng)過程的仿真分析

1、Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse覆目錄肆0前言3蝸1設(shè)計任務(wù)及要求3節(jié)1.1設(shè)計目的二：，：:3輻1.2設(shè)計內(nèi)容和基本要求:：:3蠅2發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析：4膈2.1并網(wǎng)的理想條件4蒂2.2相位差、頻率差和電壓差對滑差的影響4聿3發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型建立6腿3.1仿真模型6肄3.2系統(tǒng)仿真模型的建立7賺4發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程仿真分析8膈4.1潮流計算和初始狀態(tài)設(shè)置8研4.2發(fā)電機(jī)并網(wǎng)仿真8蚄5仿真結(jié)果分析9膂6總結(jié)14薁參考文獻(xiàn)14膀0前言薄計算機(jī)仿真技術(shù)己成為電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃、設(shè)計和運(yùn)行等各個方面的重要方法和手段。由于電力系

2、統(tǒng)的特殊性,很多研究無法采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行,仿真分析顯得尤為重要。發(fā)動機(jī)并網(wǎng)是電力系統(tǒng)中常見而重要的一項(xiàng)操作,不恰當(dāng)?shù)牟⒘胁僮鲗?dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此,對同步發(fā)電機(jī)的并列操作進(jìn)行研究,提高并列操作的準(zhǔn)確度和可靠性,對于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有很大的現(xiàn)實(shí)意義?；譓AT1A匿高性能數(shù)值計算和可視化軟件產(chǎn)品。它由主包、Simulink及功能各異的工具箱組成。從版本開始增加了一個專用于電力系統(tǒng)分析的PSB（電力系統(tǒng)模塊,Powersystemblockset）。PS計主要有同步機(jī)、異步機(jī)、變壓器、直流機(jī)、特殊電機(jī)的線性和非線性、有名的和標(biāo)么值系統(tǒng)的、不同仿真精度的設(shè)備模型庫單相三相的分布和集中參數(shù)的傳輸線單相

3、、三相斷路器及各種電力系統(tǒng)的負(fù)荷模型、電力半導(dǎo)體器件庫以及控制和測量環(huán)節(jié)。再借助其他模塊庫或工具箱,在Simulink環(huán)境下,可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計算,并可方便地對各種波形進(jìn)行圖形顯示。本文以一單機(jī)一無窮大系統(tǒng)為模型,在環(huán)境下使用GUI、Simulink、m語言等創(chuàng)建一發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程分析與仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對多種情況下的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程進(jìn)行仿真分析，并將仿真結(jié)果顯示于GU阱面。羋1設(shè)計任務(wù)及要求分析聿1.1設(shè)計目的莆通過發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立與仿真分析，使學(xué)生掌握發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法和Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)模塊（PSB），深化學(xué)生對發(fā)電機(jī)并網(wǎng)技術(shù)的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能

4、力和Matlab軟件的應(yīng)用能力。羈1.2設(shè)計內(nèi)容和基本要求薁設(shè)計內(nèi)容主要包括發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立和并網(wǎng)過程的Matlab仿真。蒈基本要求如下：滕1、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析；建2、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立；蠅3、分別對發(fā)電機(jī)端電壓電壓與電網(wǎng)電壓幅值、頻率和初相位在各種匹配情況下，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程的仿真；袈4、理論分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果的比較。w肄2發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析量2.1并網(wǎng)的理想條件勘同步發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，并列斷路器合閘時沖擊電流應(yīng)盡可能的小，其瞬時最大值一般不宜超過1-2倍的額定電流；發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后，應(yīng)能迅速進(jìn)入同步運(yùn)行狀態(tài)，其暫態(tài)過程要短，以減少對電力系統(tǒng)的擾動1。蝸為了減小電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組組成

5、的回路內(nèi)產(chǎn)生的瞬時沖擊電流，需保證同步發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)并網(wǎng)瞬時電壓相等，所以發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的理想條件為：袁1、應(yīng)有一致的相序；膀2、方應(yīng)有相等的電壓有效值；蟆3、方應(yīng)有相同或者十分接近的頻率和相位。肅若滿足理想條件，則并列合閘沖擊電流為零，且并列后發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)立即進(jìn)入同步運(yùn)行，無任何擾動現(xiàn)象。但在實(shí)際操作中，三個條件很難同時滿足，而并列合閘時只要沖擊電流較小，不危及電氣設(shè)備，合閘后發(fā)電機(jī)組能迅速拉入同步運(yùn)行且對電網(wǎng)影響較小，因此實(shí)際并列操作允許偏離理想條件一定范圍時進(jìn)行合閘操作。舞2.2相位差、頻率差和電壓差對滑差的影響芨利用Matlab繪圖工具可得到各種情況下滑差電壓波形，設(shè)電網(wǎng)電壓為U100s

6、in(wt)，圖1為頻差為0.5Hz、電壓差和相位差為零的滑差電壓波形。圖2為頻差為0.5Hz、相位差為60°、電壓差為零的滑差電壓波形。圖3為電壓差為10V、頻差為0.5Hz相位差為零的滑差電壓波形。頻差為0.5Hzt/sV襖圖1頻差為0.5Hz、電壓差和相位差為零的滑差電壓波形圖頻差為0.5Hz相位差為60t/sV蝕圖2頻差為0.5Hz、相位差為60°、電壓差為零的滑差電壓波形圖頻差為0.5Hz壓差為10V00.511.52.533.52t/v薄圖3電壓差為10V、頻差為0.5Hz相位差為零的滑差電壓波形圖腿由圖1和圖2可知當(dāng)電壓差為零時滑差電壓包絡(luò)線都過零點(diǎn)，此時合閘

7、則沒有沖擊電流。而有電壓差時（如圖3）滑差只有最小值而不過零點(diǎn)，因此無論何時合閘都存在沖擊電流，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。蠅芳3發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型建立英發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型可用單機(jī)-無窮大系統(tǒng)模擬，由此分析發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的動態(tài)過程。圖4所示為單機(jī)-無窮大系統(tǒng)。賺圖4單機(jī)-無窮大系統(tǒng)蜩3.1仿真模型*單機(jī)即同步發(fā)電機(jī)，這里選用SynchronousMachine,Pn200MW;Vn13.8kV;Xd1.305;Xd'0.296;Xd"0.252;襖參數(shù)：Xq0.474;Xq"0.243;X10.18;Td'1.01;Td"0.0053Tqo”0.1;方變壓器模型選用Thr

8、ee-phaseTransformer,Yg,Pn210MW;fn60Hz;V1/V213.8kV/230kV;腿參數(shù)：R1R20.0027;L1L20.08;Rm500;Lm500;裊無窮大系統(tǒng)用powerlib中的inductivesourcewithneutral模塊表示，蟻參數(shù):Pn10000MVA;fn60Hz;V230kV;X/R10;螞系統(tǒng)負(fù)荷分別為5MW、10MW。薇3.2系統(tǒng)仿真模型的建立菱打開Matlab/simulink/simpowersystems/blocklibary,新建一個mdl文件，將所需的同步電機(jī)、變壓器、線路、無窮大系統(tǒng)和負(fù)荷模型（按3.1選定的系統(tǒng)模型

9、）拖到該文件下，為便于對電動機(jī)的各參量進(jìn)行設(shè)置和檢測，還加入了調(diào)速系統(tǒng)模型HydraulicTurbineandGovernor、勵磁調(diào)節(jié)器ExcitationSystem和多路選擇器BusSelector,從同步發(fā)電機(jī)的測量端子m引出發(fā)電機(jī)的參數(shù)通過BusSelector得到各參數(shù)，聯(lián)接到勵磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器的輸入端口。按下圖連線，建立發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的仿真模型。5蜜圖5發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的仿真模型交發(fā)電機(jī)設(shè)為PUS點(diǎn)，Bustype為pvgenerator。變壓器采用YgYg®線，可省去計算電壓相角時相位差的變化。通過雙擊各模塊，在彈出的窗口中可實(shí)現(xiàn)對其參數(shù)的設(shè)置和變更。對需要測量的量可直接引出

10、端口接示波器，便于觀察波形或進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。完成仿真模型建立后，拖入一個PowerGUI到文件中，如圖5所示。衿4發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程仿真分析蠶4.1潮流計算和初始狀態(tài)設(shè)置肆在并網(wǎng)仿真之前需先通過PowerGUI進(jìn)行潮流計算，使發(fā)電機(jī)電壓發(fā)出電壓滿足并網(wǎng)幅值、相角、頻率要求后可進(jìn)行仿真，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的動態(tài)過程。為充分研究并網(wǎng)條件，分別對不同條件下的情況進(jìn)行仿真分析，并做相應(yīng)波形對比。雙擊PowerGUI,點(diǎn)擊Steady-StateVoltagesandCurrents,顯示當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)的電壓電流值，并可選擇查看狀態(tài)變量、被測值、電壓電流源、非線性環(huán)節(jié)的電壓電流值和相角。其雙擊InitialSt

11、atesSetting可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行初始狀態(tài)的設(shè)置，可對狀態(tài)變量全設(shè)零或設(shè)為穩(wěn)定狀態(tài)或手動輸入任意值，可從任意值開始進(jìn)行仿真。腿Machineloadflow可用來設(shè)置模型中發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的類型，這里設(shè)為P&Vgenerator，還可設(shè)置發(fā)電機(jī)的電壓和輸出功率，結(jié)果窗口中可查看發(fā)電機(jī)線電流、相電壓、有功和無功功率、勵磁電壓、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)矩等。蟆4.2發(fā)電機(jī)并網(wǎng)仿真董通過改變發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，可進(jìn)行多種條件下的并網(wǎng)仿真分析，限于篇幅，這里只對部分條件做相應(yīng)仿真分析。箴為便于分析發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程，這里設(shè)置幾種初始條件下的仿真。由于發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)存在壓差時，即使其他同步條件都符合要求還是會存在沖擊電

12、流。又考慮到變壓器是YY型連接，仿真將分析頻差、壓差對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。分別設(shè)置頻差為1%、5%、10%時比較發(fā)電機(jī)的同步情況。并與發(fā)電機(jī)存在壓差時進(jìn)行對比分析。仿真算法采用ode45。#對不同初始條件下的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程進(jìn)行仿真，并將發(fā)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、勵磁電壓、沖擊電流等重要參數(shù)通過示波器顯示，結(jié)果見第五章。蝴5仿真結(jié)果分析螂對不同初始條件下的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖所示只存在頻差時的仿真結(jié)果肅無頻差時（1%）沖擊電流4r1c:-:匚c-31-21一一0- 1- 2- 3.- 4I1c1cc1- 0.20.40.60.811.21.41.61.82t/s神圖6苗頻差5%寸沖擊電流蒲圖7量

13、祎荒10%妨筮頻差沖擊電流芍圖8蒂當(dāng)系統(tǒng)壓差和相角差為零、頻差也很小時，經(jīng)過一個短暫、輕微的振蕩過程，系統(tǒng)可迅速將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行，幾乎沒有沖擊電流。如圖所示，當(dāng)頻差為5%寸，經(jīng)過一個較長時間的振蕩過程，系統(tǒng)最后也可以將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行，此時有一定的沖擊電流。當(dāng)頻差較大時，如圖10%系統(tǒng)將一直處于振蕩狀態(tài)，無法穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)將不能與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，若此時并網(wǎng)則將存在很大的沖擊電流。量電壓存在相位差時并網(wǎng)仿真結(jié)果蒙圖9=一三一二之芨圖10嵋如圖所示：在0.8秒并網(wǎng)時，從電壓波形圖可以看出發(fā)電機(jī)電壓相位與電網(wǎng)電壓在0.8秒前有一個相位差，在0.8秒合閘時，發(fā)電機(jī)機(jī)組迅速投入運(yùn)行，其電壓與電網(wǎng)電

14、壓波形一致，說明并網(wǎng)成功。在0.8秒并網(wǎng)時，發(fā)電機(jī)機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓存在相位差，此時將并網(wǎng)瞬間的沖擊電流波形記錄下來，觀察沖擊電流的變化，在0.8秒并網(wǎng)前，電網(wǎng)電流非常小，在0.8秒時發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行，沖擊電流倍數(shù)=38000/6470=5.9倍，可見產(chǎn)生的沖擊電流較大。-+-幾輯存在壓差的仿真結(jié)果荽圖11K10肇圖12芾增大勵磁電流，使機(jī)端電壓升高，機(jī)端電壓幅值大于電網(wǎng)電壓幅值時，在1.2秒時進(jìn)行并網(wǎng)。如上圖所示：在1.2秒并網(wǎng)時，從電壓波形圖可以看出發(fā)電機(jī)電如圖所示：在1.2秒并網(wǎng)時，發(fā)電機(jī)機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)電壓幅值與電網(wǎng)電壓幅值不相等，幅值相差較大，產(chǎn)

15、生沖擊電流倍數(shù)=54000/6470=8.3倍，如圖所示，沖擊電流的電動力對發(fā)電機(jī)繞組產(chǎn)生影響，由于定子繞組端部的機(jī)械強(qiáng)度最弱，所以須特別注意對它所造成的危害。由于并列作為運(yùn)行操作，沖擊電流最大瞬時值限制在12倍為宜。景無差并網(wǎng)仿真結(jié)果13圖蝸41圖»覆如圖所示：發(fā)電機(jī)在3.52秒時，機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓幅值相同，機(jī)端電壓相位與電網(wǎng)電壓相位相同，選擇在此時刻進(jìn)行并網(wǎng)，從圖中可以看出發(fā)電機(jī)機(jī)組迅速投入運(yùn)行，說明并網(wǎng)成功。發(fā)電機(jī)在3.52秒并網(wǎng)時，機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓相位相同、幅值相同，產(chǎn)生沖擊電流倍數(shù)=6500/6470=1.005倍。說明在滿足并網(wǎng)運(yùn)行條件時，發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行，產(chǎn)生的沖擊電

16、流較小。對電網(wǎng)不會造成大的沖擊。肆蝸6總結(jié)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行時，若發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率不相等、電壓幅值不相等、相角差不為零，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，危機(jī)設(shè)備的安全，合閘后發(fā)電機(jī)組不能迅速拉入同步運(yùn)行，將導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行的不良后果。所以實(shí)際中待并入的發(fā)電機(jī)機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)在上述三個條件得到滿足的情況下才能進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行的操作。才不會對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不良后果。輻用Simulink建立電力系統(tǒng)模型，用仿真方法對三種常見情況下的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行了仿真分析，得到了電壓波形與電流波形，這對于分析發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的工作狀態(tài)和控制提供了幫助。使在現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)通過軟件得以直觀的展現(xiàn)，運(yùn)用MATLABS言對電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行操作進(jìn)行仿真試驗(yàn)，可以起到事半功倍的效果。蠅本次課程設(shè)計主要依靠