發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立及并網(wǎng)過(guò)程的仿真分析

1、目錄 0前言3 1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求3 1. 1設(shè)計(jì)目的:.。.：.;3 1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容和基本要求:：.,二,：.3 2發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析4 2.1 并網(wǎng)的理想條件4 2.2 相位差、頻率差和電壓差對(duì)滑差的影響4 3發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型建立6 仿真模型6 系統(tǒng)仿真模型的建立7 4發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程仿真分析8 潮流計(jì)算和初始狀態(tài)設(shè)置8 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)仿真8 5仿真結(jié)果分析9 6總結(jié)14 參考文獻(xiàn)140前言 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)己成為電力系統(tǒng)研究、 規(guī)劃、 設(shè)計(jì)和運(yùn)行等各個(gè)方面的重要方法和手段。由于電力系統(tǒng)的特殊性，很多研究無(wú)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(dòng)機(jī)并網(wǎng)是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)而重要的一項(xiàng)操作，不恰當(dāng)?shù)?/p>

2、并列操作將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，對(duì)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(duì)于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 MAT1A髭高性能數(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。從版本開(kāi)始增加了一個(gè)專(zhuān)用于電力系統(tǒng)分析的PSB（電力系 統(tǒng)模塊,Powersystemblockset）。PS計(jì)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Simu

3、link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。本文以一單機(jī)一無(wú)窮大系統(tǒng)為模型，在環(huán)境下使用GUI、 Simulink、m語(yǔ)言等創(chuàng)建一發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程分析與仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)多種情況下的發(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GU阱面。 1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求分析 設(shè)計(jì)目的 通過(guò)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(duì)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(wèn)題的能力和Matlab軟件的應(yīng)用能力。 設(shè)計(jì)內(nèi)容和基本要求 設(shè)計(jì)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(guò)程的Matlab仿

4、真。 基本要求如下： 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。 2發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析 并網(wǎng)的理想條件 同步發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，并列斷路器合閘時(shí)沖擊電流應(yīng)盡可能的小，其瞬時(shí) 最大值一般不宜超過(guò)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(guò)程要短，以減少對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)1。 為了減小電網(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，需保證同步發(fā) 電機(jī)電壓與電網(wǎng)并網(wǎng)瞬時(shí)電壓相等，所以發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的理想條件為：1、應(yīng)有一致的相序；

5、2、方應(yīng)有相等的電壓有效值； 3、方應(yīng)有相同或者十分接近的頻率和相位。 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(wú)任何擾動(dòng)現(xiàn)象。但在實(shí)際操作中，三個(gè)條件很難同時(shí)滿足，而并列合閘時(shí)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(duì)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(shí)進(jìn)行合閘操作。 相位差、頻率差和電壓差對(duì)滑差的影響 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 U=100sin（wt+口），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

6、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。 圖1頻差為0.5Hz、電壓差和相位差為零的滑差電壓波形圖 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 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 由圖1和圖2可知當(dāng)電壓差為零時(shí)滑差電壓包絡(luò)線都過(guò)零點(diǎn)， 此時(shí)合閘則沒(méi)有沖擊電流。而有電壓差時(shí)（如圖3）滑差只有最小值而不過(guò)零點(diǎn)，因此無(wú)論何 時(shí)合閘都存在沖擊電流，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定 3發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型建立 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型可用單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)模擬，由此分析發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò) 程。圖4所示為單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)。 負(fù)荷 圖4單機(jī)-無(wú)窮大

7、系統(tǒng) 仿真模型 單機(jī)即同步發(fā)電機(jī)，這里選用SynchronousMachine, 發(fā)電機(jī) 3 無(wú)窮大系統(tǒng) 變壓器 Pn=200MW;Vn=13.8kV;Xd=1.305;Xd=0.296;Xd=0.252; 參數(shù)：Xq=0.474;Xq=0.243;X1=0.18; Td=1.01;Td=0.0053Tqo=0.1; 變壓器模型選用Three-phaseTransformer,Yg, Pn=210MW;fn=60Hz;V1/V2=13.8kV/230kV; R1=R2=0.0027;L1=L2=0.08;Rm=500;Lm=500; 無(wú)窮大系統(tǒng)用powerlib中的inductivesourc

8、ewithneutral模塊表示， 參數(shù)：Pn=10000MVA;fn=60Hz;V=230kV;X/R=10; 系統(tǒng)負(fù)荷分別為5MW、10MW。 系統(tǒng)仿真模型的建立 打開(kāi)Matlab/simulink/simpowersystems/blocklibary,新建個(gè)mdl文件，將所需的同步電機(jī)、變壓器、線路、無(wú)窮大系統(tǒng)和負(fù)荷模型（按3.1選定的系統(tǒng)模型）拖到該文件下，為便于對(duì)電動(dòng)機(jī)的各參量進(jìn)行設(shè)置和檢測(cè)，還加入了調(diào)速 系統(tǒng)模型HydraulicTurbineandGovernor、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器ExcitationSystem和多路選擇器BusSelector,從同步發(fā)電機(jī)的測(cè)量端子m引出發(fā)電機(jī)的

9、參數(shù)通過(guò) BusSelector得到各參數(shù)，聯(lián)接到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器的輸入端口。按下圖連線， 建立發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的仿真模型。 圖5發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的仿真模型 發(fā)電機(jī)設(shè)為PU吉點(diǎn)，Bustype為pvgenerator。變壓器采用YgY斯線，可省去計(jì)算電壓相角時(shí)相位差的變化。通過(guò)雙擊各模塊，在彈出的窗口中可實(shí)現(xiàn)對(duì)其參數(shù)的設(shè)置和變更。對(duì)需要測(cè)量的量可直接引出端口接示波器，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(gè)PowerGUI到文件中，如圖5所示。 4發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程仿真分析 潮流計(jì)算和初始狀態(tài)設(shè)置 在并網(wǎng)仿真之前需先通過(guò)PowerGUI進(jìn)行潮流計(jì)算，使發(fā)電機(jī)電壓發(fā)出電壓滿足并網(wǎng)幅值、相角、

10、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(dòng)態(tài)過(guò)程。為充分研究并網(wǎng)條件，分別對(duì)不同條件下的情況進(jìn)行仿真分析，并做相應(yīng)波形對(duì) 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(cè)值、電壓電流源、非線性環(huán)節(jié)的電壓電流值和相角。 雙擊InitialStatesSetting可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行初始狀態(tài)的設(shè)置，可對(duì)狀態(tài)變量 全設(shè)零或設(shè)為穩(wěn)定狀態(tài)或手動(dòng)輸入任意值，可從任意值開(kāi)始進(jìn)行仿真。 Machineloadflow可用來(lái)設(shè)置模型中發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型，這里設(shè)為P&V generator,還可設(shè)置發(fā)電機(jī)的電壓

11、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(wú)功功率、勵(lì)磁電壓、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)矩等。 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)仿真 通過(guò)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(duì)部分條件做相應(yīng)仿真分析。 為便于分析發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過(guò)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(shí)，即使其他同步條件都符合要求還是會(huì)存在沖擊電流。又考慮到變壓器是YY型連接，仿真將分析頻差、壓差對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。分別設(shè)置頻差為1%5%10%寸比較發(fā)電機(jī)的同步情況。并與發(fā)電機(jī)存在壓差時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析。仿真算法采用ode45。 對(duì)不同初始條件下的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行仿真，并將發(fā)電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電壓、

12、沖擊電流等重要參數(shù)通過(guò)示波器顯示，結(jié)果見(jiàn)第五章。 5仿真結(jié)果分析 對(duì)不同初始條件下的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖所示 只存在頻差時(shí)的仿真結(jié)果 無(wú)頻差時(shí)（1%） 圖6 頻差5%時(shí) 圖7 頻差10% 圖8 當(dāng)系統(tǒng)壓差和相角差為零、頻差也很小時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫、輕微的振蕩過(guò)程,系統(tǒng)可迅速將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行，幾乎沒(méi)有沖擊電流。如圖所示，當(dāng)頻差為5%寸，經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的振蕩過(guò)程，系統(tǒng)最后也可以將發(fā)電機(jī)拉入同步運(yùn)行，此時(shí)有一定的沖擊電流。當(dāng)頻差較大時(shí)，如圖10%系統(tǒng)將一直處于振蕩狀態(tài)，無(wú)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(shí)并網(wǎng)則將存在很大的沖擊電流。 電壓存在相位差時(shí)并網(wǎng)仿真結(jié)果 如圖所示

13、：在0.8秒并網(wǎng)時(shí)，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(gè)相位差，在0.8秒合閘時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)組迅速投入運(yùn)行，其電壓與電網(wǎng)電壓波形一致，說(shuō)明并網(wǎng)成功。在0.8秒并網(wǎng)時(shí)，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(shí)將并網(wǎng)瞬間的沖擊電流 波形記錄下來(lái)，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(shí)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(jiàn)產(chǎn)生的沖擊電流較大。 存在壓差的仿真結(jié)果 圖10 時(shí)何(以 圖12 增大勵(lì)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(shí)，在1.2秒時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)。如上圖所示：在1.2秒

14、并網(wǎng)時(shí)，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(shí)，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)生沖擊電流倍數(shù)=54000/6470=8.3 倍，如圖所示，沖擊電流的電動(dòng)力對(duì)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(duì)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(shí)值限制在12倍為宜。 無(wú)差并網(wǎng)仿真結(jié)果 圖13 圖14 如圖所示：發(fā)電機(jī)在3.52秒時(shí)，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(shí)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(shuō)明并網(wǎng)成功。發(fā)電機(jī)在3.52秒并網(wǎng)時(shí)，機(jī)端電

15、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(shuō)明在滿 足并網(wǎng)運(yùn)行條件時(shí)，發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行，產(chǎn)生的沖擊電流較小。對(duì)電網(wǎng)不會(huì)造成大的沖擊。 6總結(jié) 發(fā)電機(jī)機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，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(huì)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(gè)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(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不良后果。 用Simulink建立電力系統(tǒng)模型，用仿真方法對(duì)三種常見(jiàn)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(duì)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(guò)軟件得以直觀的展現(xiàn)，運(yùn)用MATLABS言對(duì)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。 本次課程設(shè)計(jì)主要依靠Matla