電力系統(tǒng)自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)

1、摘要:電機(jī)并網(wǎng)要求滿足準(zhǔn)同期條件,并網(wǎng)要求準(zhǔn)確、快速。準(zhǔn)確可以保障安全和減少對(duì)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)引起的沖擊,而快速則能夠減小發(fā)電機(jī)的空轉(zhuǎn)損耗。隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展和數(shù)字技術(shù)的迅猛進(jìn)步,研制使用能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的智能儀器已成為發(fā)電廠技術(shù)革新和自動(dòng)化改造的重要課題。本文探討了發(fā)電機(jī)安全并入電網(wǎng)所需的條件,借助工程計(jì)算軟件Matlab強(qiáng)大的繪圖功能對(duì)不同條件下的并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析,從而得出了一些重要的結(jié)論。這些結(jié)論為自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的研制提供了理論根據(jù)。關(guān)鍵詞: 發(fā)電機(jī)并網(wǎng);Matlab仿真;準(zhǔn)同期條件前言隨著負(fù)荷的變動(dòng),電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)也經(jīng)常改變。因此。同步發(fā)電機(jī)的并列操作是電廠的一項(xiàng)重

2、要操作。另外,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某些事故時(shí).也常要求將備用發(fā)電機(jī)組迅速投入電網(wǎng)運(yùn)行.由于某種原因,解列運(yùn)行的電網(wǎng)需要聯(lián)合運(yùn)行,這就需要電網(wǎng)間實(shí)行并列操作?？梢?jiàn),在電力系統(tǒng)運(yùn)行中并列操作足較為頻繁的。本次工程訓(xùn)練的題目是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立與并網(wǎng)過(guò)程的仿真分析。具體內(nèi)容是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立、并網(wǎng)過(guò)程的仿真。本次課程設(shè)計(jì)涉及面較廣,需查閱大量資料,由于上學(xué)期剛了解此專(zhuān)業(yè)課,故對(duì)一些知識(shí)點(diǎn)理解的不是很深刻,因此,錯(cuò)誤與疏漏之處再所難免,望老師批評(píng)指正。第一章緒論三相同步發(fā)電機(jī)是常用的交流發(fā)電機(jī),但是單一的1臺(tái)三相同步發(fā)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)供電有明顯的缺點(diǎn):(1不能保證供電質(zhì)量(電壓和頻率的穩(wěn)定性和可靠性(發(fā)生故障就

3、得停電;(2無(wú)法實(shí)現(xiàn)供電的靈活性和經(jīng)濟(jì)性;這些缺點(diǎn)可以通過(guò)多臺(tái)三相同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)來(lái)改善。通過(guò)并聯(lián)可將幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)或幾個(gè)發(fā)電站并成一個(gè)電網(wǎng)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中都是把幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)起來(lái)接在共同的匯流排上,一個(gè)地區(qū)總是有好幾個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)強(qiáng)大的電力系統(tǒng)。電網(wǎng)供電比單機(jī)供電有許多優(yōu)點(diǎn):(1提高了供電的可靠性.1臺(tái)電機(jī)發(fā)生故障或定期檢修不會(huì)引起停電事故(2提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性,例如水電廠與火電廠并聯(lián)時(shí).在枯水期和旺水期.兩種電廠可以調(diào)配發(fā)電,使得水資源得到合理使用。在用電高峰期和低谷期.可以靈活地決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量,提高了發(fā)電效率和供電靈活性。(3提高了供電質(zhì)量,電網(wǎng)的容量巨大,單

4、臺(tái)發(fā)電機(jī)的投入與停機(jī)。個(gè)別負(fù)載的變化,對(duì)電網(wǎng)的影響甚微,衡量供電質(zhì)量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)是電力系統(tǒng)的一項(xiàng)經(jīng)常、重要操作,不恰當(dāng)?shù)牟⒘锌赡茉斐呻姎庠O(shè)備的損壞并對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。過(guò)去對(duì)發(fā)電機(jī)并列的工程培訓(xùn)和研究,一般需要?jiǎng)幽C(jī)組和多種傳感器、錄波器等昂貴設(shè)備。成本高且數(shù)據(jù)讀取和計(jì)算復(fù)雜、繁瑣,輸出結(jié)果不理想。而利用數(shù)字仿真只需要有計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的軟件即可實(shí)現(xiàn),不但成本低,還可以很方便地得到各種所需數(shù)據(jù)、波形等結(jié)果,對(duì)數(shù)據(jù)的處理也更方便。第二章設(shè)計(jì)任務(wù)2.1 設(shè)計(jì)題目發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立、并網(wǎng)過(guò)程的仿真2.2 設(shè)計(jì)要求1、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析;2、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立;3、分

5、別對(duì)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(guò)程的仿真;4、理論分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果的比較。第三章發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 若要減小電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組組成的回路內(nèi)產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊電流, 必須保證同步發(fā)電機(jī)的電壓與電網(wǎng)電壓在并網(wǎng)的瞬時(shí)相等, 由此得出同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的理想條件:雙方應(yīng)有一致的相序;雙方應(yīng)有相等的電壓有效值;雙方應(yīng)有相同或者十分接近的頻率和相位。以上三個(gè)條件中, 相序一致是必須滿足的, 而其他兩個(gè)條件要盡量滿足。下面分析在滿足相序一致條件下,其他兩個(gè)條件未滿足時(shí)對(duì)同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的影響。并網(wǎng)條件不滿足時(shí)對(duì)電機(jī)的影響1電機(jī)和電網(wǎng)之間有環(huán)

6、流,定子繞組端部受力變形。2產(chǎn)生諧振電流和電壓.引起電機(jī)內(nèi)功率振蕩。3電機(jī)和電網(wǎng)之間有高次諧波環(huán)流,增加損耗,溫度升高.效率降低,4電網(wǎng)和電機(jī)之間存在巨大的電位差而產(chǎn)生無(wú)法消除的環(huán)流,害電機(jī)安全運(yùn)行。3.1相位差、頻率差和電壓差對(duì)滑差的影響利用Matlab強(qiáng)大的繪圖功能,可以得到各種情況下滑差電壓的波形。圖3.1所示為頻差為0.5Hz、壓差和相位差為零時(shí)的滑差電壓波形。圖3.2所示為頻差為0.5Hz、壓差為零和相位差為60°時(shí)的滑差電壓波形?？梢?jiàn)當(dāng)壓差為零時(shí)包絡(luò)線總是有過(guò)零點(diǎn)的,只要控制在過(guò)零點(diǎn)時(shí)合閘就沒(méi)有沖擊電流?；畎j(luò)線的頻率和頻率差成正比。圖3.3所示為壓差為10 V、頻差為

7、0.5Hz、相位差為零時(shí)的滑差波形。從圖中可見(jiàn)存在電壓差時(shí),滑差只有最小值而沒(méi)有過(guò)零點(diǎn),所以無(wú)論何時(shí)合閘都存在沖擊電流。 頻差為0. 5Hz 時(shí)的滑差波形 頻差為0.5Hz 相位差為60°時(shí)的滑差波形圖3.1圖3.2 壓差為10 V 頻差為0. 5 Hz 時(shí)的滑差波形圖3.2第四章發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立在Matlab/Simulink 下用PSB 建立如圖4.1所示的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的模型,以此模型來(lái)分析發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 圖4.1單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)4.1發(fā)電機(jī)的仿真模型同步發(fā)電機(jī)模型采用未簡(jiǎn)化的同步發(fā)電機(jī)模型,其電氣部分采用五階的狀態(tài)空間方程組(不考慮零軸的派克方程,沒(méi)有考慮q

8、軸阻尼繞組的電磁暫態(tài)過(guò)程。其轉(zhuǎn)子等值電路如圖4.2所示。 4.2 線路和變壓器仿真模型線路采用串聯(lián)的電阻和電感組成的集中參數(shù)模型,Matlab 中還有PI型和分布參數(shù)2種輸電線模型。Matlab 提供各種型號(hào)的變壓器,可以根據(jù)需要選取其型號(hào)和接線方式。4.3 系統(tǒng)仿真模型系統(tǒng)模型采用PSB中提供的Three- phase Inductive Source,它由共地的三相對(duì)稱的理想電壓源串接阻抗組成,阻抗值的大小由電壓幅值和系統(tǒng)的視在功率決定。它主要提供無(wú)功功率以保證電壓穩(wěn)定。4.4 負(fù)荷仿真模型負(fù)荷模型采用接地的恒定阻抗來(lái)模擬,這樣可以加快仿真速度,其數(shù)值大小由電壓和負(fù)荷大小決定。除此之外,M

9、atlab還提供電動(dòng)機(jī)等負(fù)荷。第五章發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程的仿真Matlab是高性能數(shù)值計(jì)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Matlab5.2版本開(kāi)始增加了一個(gè)專(zhuān)用于電力系統(tǒng)分析的電力系統(tǒng)模塊。PSB中主要有同步機(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(kù);單相、三相的分布和集中參數(shù)的傳輸線;單相、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(kù)以及控制和測(cè)量環(huán)節(jié)。再借助其他模塊庫(kù)或工具箱, 在Simulink環(huán)境下, 可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算, 并可方便地對(duì)各種波形進(jìn)行圖形顯示。該系統(tǒng)可以對(duì)多種情況下的

10、發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析, 并將仿真結(jié)果顯示于界面。5.1利用Matlab建立仿真模型首先在Matlab主命令窗口下輸入Simulink 進(jìn)入仿真平臺(tái),建立一個(gè)新的.mdl文件。將所需同步發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、無(wú)窮大系統(tǒng)和負(fù)荷模型均用鼠標(biāo)拖到該文件下。根據(jù)圖4.1所示將各個(gè)模塊聯(lián)接,再將同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器拖到文件下,從同步發(fā)電機(jī)的測(cè)量端子m引出發(fā)電機(jī)的參數(shù)通過(guò)PSB中的Machine Measurement Demux 得到各個(gè)參數(shù),聯(lián)接到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器的輸入端口。變壓器采用YgY 接線,這樣可以省去計(jì)算電壓相角時(shí)相位的變化。各模塊的參數(shù)均可通過(guò)其對(duì)話框來(lái)設(shè)置。對(duì)感興趣的量可

11、以通過(guò)測(cè)量元件在示波器上顯示或者以數(shù)組形式輸出到工作空間,并可觀察波形或進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。最后再拖入一個(gè)PowerGUI 到文件里即可進(jìn)行仿真。 在進(jìn)行仿真計(jì)算前,先在Power GUI 下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算,設(shè)置初始運(yùn)行的條件,即可對(duì)不同條件下的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。設(shè)置簡(jiǎn)單方便,有“Set state variables ”,“Steady state ”,“Machine load flow ”3 項(xiàng)?！癕achine load flow ”可用來(lái)設(shè)置模型中發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型(PV 節(jié)點(diǎn)或平衡節(jié)點(diǎn)、電壓和輸出功率(或電壓角度,在結(jié)果中可以看到發(fā)電機(jī)的線電壓、相電流、有功、無(wú)功、勵(lì)磁電壓、轉(zhuǎn)

12、差、轉(zhuǎn)矩等。在計(jì)算完穩(wěn)態(tài)潮流后,相應(yīng)結(jié)果可自動(dòng)填入電機(jī)的數(shù)據(jù)輸入對(duì)話框和初始條件設(shè)置中。通過(guò)“Set state variables ”能夠?qū)τ?jì)算所需的狀態(tài)變量數(shù)值分別設(shè)定,可以從任意初始值開(kāi)始進(jìn)行仿真?！癝teady state ”可以查看穩(wěn)態(tài)時(shí)包括電壓電流源、狀態(tài)變量、被測(cè)量和非線性環(huán)節(jié)在內(nèi)相應(yīng)電壓和電流的幅值和相角。運(yùn)行不同條件下的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程仿真, 并將發(fā)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電壓等重要參數(shù)以波形的形式顯示出來(lái),如圖5.2、圖5.3所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的頻差5%為時(shí), 經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的震蕩過(guò)程, 系統(tǒng)可將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行。合閘后存在一定的沖擊電流, 符合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際并網(wǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)

13、發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的頻差為10%, 存在較大的并列誤差時(shí), 合閘后發(fā)電機(jī)一直震蕩而無(wú)法進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài),系統(tǒng)無(wú)法將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行。由圖可以看出,當(dāng)同時(shí)存在壓差圖5.1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)仿真模型和頻差, 且頻差較小時(shí), 經(jīng)過(guò)一個(gè)輕微的震蕩過(guò)程, 也能將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行。而當(dāng)發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的壓差不為0且頻差較大(頻差為5%時(shí)并網(wǎng), 合閘后產(chǎn)生較大大的沖擊電流, 發(fā)電機(jī)一直處于震蕩狀態(tài)而無(wú)法穩(wěn)定, 系統(tǒng)無(wú)法將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行。通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)及系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置, 還可以進(jìn)行其他多種條件下的并網(wǎng)過(guò)程仿真分析. 圖5.2 存在頻差時(shí)并網(wǎng)1在一定的頻差下,電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的相位差呈現(xiàn)周期性的變化,變化快慢受頻差的影響,

14、頻差越大,變化越快。(2控制發(fā)電機(jī)斷路器在相位差過(guò)零的瞬時(shí)閉合,可以保證發(fā)電機(jī)能夠平滑地并入電網(wǎng)。(3在相位差過(guò)零點(diǎn)并網(wǎng)時(shí)沖擊的大小取決于此時(shí)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電壓差,電壓差越大,沖擊越大,電壓差為零,則沒(méi)有沖擊。自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置是利用計(jì)算機(jī)和準(zhǔn)同期條件實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自動(dòng)并網(wǎng)的智能儀器。該裝置必須能夠自動(dòng)檢測(cè)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電壓、頻率和相位差,促使準(zhǔn)同期條件得到滿足,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)確并網(wǎng)。由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合需要一定的時(shí)間,因此,自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置所要完成的主要任務(wù)是:控制發(fā)電機(jī)的電壓和頻率,使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓差和頻差被限制在一定的范圍內(nèi)。在相位差的周期性變化過(guò)程中,通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)量其變化率,根據(jù)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)

15、閉合所需時(shí)間的大小,捕捉合閘脈沖的發(fā)出時(shí)機(jī),從而控制斷路器在相位差過(guò)零點(diǎn)附近閉合。5.2 GUI 設(shè)計(jì) 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程仿真分析GUI 界面由波形顯示區(qū),仿真條件設(shè)置區(qū), 運(yùn)行控制區(qū)及輔助功能區(qū)組成, 波形顯示區(qū)通過(guò)坐標(biāo)系顯示重要變量波形圖;仿真條件圖5.4 GUI 仿真界面設(shè)置區(qū)采用下拉框設(shè)置頻率、電壓、相位等幾個(gè)重要的并網(wǎng)條件;運(yùn)行控制區(qū)用按鈕實(shí)現(xiàn)“開(kāi)始仿真”、“查看波形”、“退出”等幾個(gè)主要的運(yùn)行控制功能;輔助功能區(qū)實(shí)現(xiàn)放大/還原、加/去柵格等輔助功能。5.2功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)核有兩大部分:模型文件和函數(shù)文件。模型文件即是在Similink下構(gòu)建的發(fā)電機(jī)在各種條件下進(jìn)行并網(wǎng)的仿真模型。共有10

16、個(gè).mdl文件, 分別對(duì)應(yīng)不同的并網(wǎng)條件, 與GUI界面仿真條件設(shè)置區(qū)的頻率選擇、電壓選擇、相位選擇的不同組合相對(duì)應(yīng)。函數(shù)文件包含主控函數(shù)、回調(diào)函數(shù)和通用繪圖函數(shù)。主控函數(shù)實(shí)現(xiàn)界面切換功能?；卣{(diào)函數(shù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)界面上各控件的動(dòng)作響應(yīng)。繪圖函數(shù)實(shí)現(xiàn)仿真波形圖的繪制。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程仿真分析系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單直觀、能靈活選擇仿真條件等優(yōu)點(diǎn), 可以用于分析多種條件下發(fā)電機(jī)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響, 也可用于相關(guān)課程的教學(xué)及工程培訓(xùn)。隨著新設(shè)備、新技術(shù)不斷應(yīng)用于電力系統(tǒng), 電力系統(tǒng)變得日益復(fù)雜和龐大, 這也對(duì)電力系統(tǒng)的仿真提出了更高的要求。Matlab作為電力系統(tǒng)仿真軟件之一, 有著圖形用戶界面設(shè)計(jì)方便、仿真建模模塊

17、化、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn), 是電力系統(tǒng)仿真分析的理想工具。但Matlab也有仿真速度較慢、對(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)仿真較困難等缺陷?？偟膩?lái)說(shuō),Matlab還是一個(gè)電力系統(tǒng)仿真分析的有力工具,隨著版本的升級(jí), 模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 相信的Matlab仿真性能會(huì)越來(lái)越卓越。心得體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)是在大四的第一學(xué)期學(xué)習(xí)了電力系統(tǒng)自動(dòng)化課程后進(jìn)行的,作為電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課,自動(dòng)化技術(shù)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通過(guò)課程設(shè)計(jì)能讓我們了解其具體應(yīng)用方式。因?yàn)樯蠈W(xué)期要準(zhǔn)備考研,故本門(mén)課程學(xué)習(xí)的并不是很扎實(shí),課程設(shè)計(jì)做起來(lái)也比較吃力。但通過(guò)不斷翻書(shū),不斷學(xué)習(xí),我還是從中學(xué)到了很多的知識(shí)。翻閱MATLAB程序設(shè)計(jì)書(shū)籍是十分必要的,本次課程設(shè)計(jì)MATLAB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言制在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都用到了它。因?yàn)槲覀兯奚嵬瑢W(xué)做的是同一個(gè)課