同步發(fā)電機突然三相短路控制系統(tǒng)仿真

同步發(fā)電機突然三相短路控制系統(tǒng)仿真引言同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最重要和最復雜的元件，由多個具有電磁耦合關系的繞組構成。同步發(fā)電機突然短路的暫態(tài)過程所產生的沖擊電流可能達到額定電流的十幾倍，對電機本身和相關的電氣設備都可能產生嚴重的影響，因此對同步發(fā)電機動態(tài)特性的研究歷來是電力系統(tǒng)中的重要課題之一。而同步電機的突然三相短路，是電力系統(tǒng)的最嚴重的故障，它是人們最為關心、研究最多的過渡過程。雖然短路過程所經歷的時間是極短的（通常約為0.1?0.3s），但對電樞短路電流和轉子電流的分析計算，卻有著非常重要的意義。為了保證發(fā)電機、變壓器、斷路器、互感器等的可靠運行，必須計算短路電流的最大瞬時值，為了決定繼電保護裝置的工作條件，需要知道短路電流的變化規(guī)律，此外，為了保證勵磁系統(tǒng)的可靠運行以及強行勵磁對短路電流的影響，需要進行勵磁電流的計算。電機動態(tài)過程的仿真一般是先建立電機的數(shù)學模型，在此基礎上在編程進行仿真。傳統(tǒng)編程語言的編程效率不高，作動態(tài)響應曲線也不夠方便快捷，而Matlab語言擴展能力強，能方便地調用C語言的已有程序，特別適用于矩陣計算，并且在數(shù)學建模、動態(tài)仿真及圖形描述等方面都有其它高級語言難以比擬的優(yōu)點。同步發(fā)電機的數(shù)學模型為了方便計算，做如下假定：①只考慮電機氣隙基波磁場的作用（氣隙諧波磁場只在差漏磁場中加以考慮）；②忽略齒諧波的作用；③不計磁路飽和、磁滋和渦流；④就縱軸或橫軸而言，轉子在結構上是對稱的。在這樣的假設下，建立起來的方程是線性的。在d-P坐標系統(tǒng)下，可得出以基值系統(tǒng)表示的三相同步電機（有阻尼繞組）的狀態(tài)方程（用標幺值表示）。2.1回路電壓方程定子回路：u=-ri+e=-ri+a=-ri+屮 e=，正電流TOC\o"1-5"\h\za aaa aadt aa a dt產生負磁鏈:. ?d屮 ?.u=-ri+e=—ri+ b=一ri+屮bbbbbbdt bbb. ?d屮 ?.u=-ri+e=—ri+c=—ri+屮c ccc ccdt ccc轉子回路D繞組：轉子回路D繞組：Q繞組：f ff f f dt ff fu=0=ri+e=r+d屮D=ri+WDDDDDdtDDDu=0=ri+e=r+d屮Q=ri+WQQQQQdtQQQu=ri+e=r+f=ri+屮 (負載反電勢)用分塊矩陣形式簡寫為：u=-ri +屮2.2磁鏈方程2.2磁鏈方程_LMMMMM_-iaaaabacafaDaQa屮MLMMMM-ibbabbbcbfbDbQb屮MMLMMM-ic=cacbcccfcDcQ?c屮MMMLMMiffafbfcfffDfQf屮MMMMLMiDDaDbDcDfDDDQD屮MMMMMLiQQaQbQcQfQDQQQu=ri+申fDQRRfDQfDQ2.3運動方程=T-T

medwJtdt=T-T

me其中J轉動慣量；Wt為轉子的機械角速度；T為原動機的機械轉矩；T為電me機的電磁轉矩。同步發(fā)電機突然三相短路的理論分祈3.1定子電流的計算在分折突然蔓相短路時，可以利用疊加原理，認為不是發(fā)生了突然短路，而是在電機的端頭上突然加上了與電機突然短路前的端電壓大小相等但方向相反的三相電壓。這樣考慮時，同步電機的突然三相短路問題就變成了下述兩種工作情況的綜合問題了,即:（1）與短路前一樣的穩(wěn)態(tài)運行狀況；（2）突然在電機端頭上加上與突然短路前的端電壓大小相等但方向相反的三相電壓。將電機突然三相短路后的定子電流分為兩部分來計算，將它們合并后，即得同步發(fā)電機突然三相短路后的實際電流為：i=dx''dt_i=dx''dt_e-T；+x'd_z_TdUcos(6)+—-—ex x''ddt-Tcos(t+5)U_亠TUsin?)+ eTsin(t+8)"q丿"q丿q3.2轉子電流的計算突然三相短路后，電機轉子中的電流，也象計算定子電流一樣，可以分成兩部分來計算，即：（1）原來穩(wěn)態(tài)三相對稱運行時的轉子電流；（2）突然在電機端頭上加上與突然短路前的端電壓大小相等但方向相反的三相電壓所引起的轉子電流。將電機突然三相短路后的轉子電流分為兩部分來計算。將它們合并后，即得同步發(fā)電機突然三相短路后的實際電流為：ifd1)當轉子上沒有阻尼繞組時，則UxU t_+ a^_? e一丁'COSOifd1)當轉子上沒有阻尼繞組時，則UxU t_+ a^_? e一丁'COSO-RXx' Tdfd ffddx―ad-Xffd匕e-~Tcos(t+8)x' ad2）當轉子上有阻尼繞組時，則：i=fdU+Rfd'X x -x2 1x Hd_ad a^? ——ad—X x —x2 x'' Xlldffdadd ffdxd'丿-丄 x1 -丄e廠+—ad e廠aaXx'ffddXx 一x2 UUCOS8+ lld_ad a^?eXx 一x2 x''lldffdaddTaCOs(t+8)阻尼繞組中的實際電流，在短路前，穩(wěn)態(tài)對稱運行時，阻尼繞組的電流為零因之，突然三相短路后的阻尼繞組的實際電流為：i

ldX x i

ldX x —x2 U —亠lld—ad ad■eX x —x2 x''X x —x2 Ulld—ad ad■ eX x —x2 x''TaCOS(t+8)lldffdaddlldffdaddlldffdaddilqxU―ilqxU―aq eXx''￡ xme)+丈U—eTsin(t+8)x''llqqllqdllqq同步發(fā)電機突然三相短路的仿真Matlab是一個強大數(shù)學計算和仿真工具，利用它可以避免復雜的數(shù)學計算編程（比如矩陣的計算），并且借助其繪圖函數(shù)可方便實現(xiàn)了計算結果的可視化。利用Matlab7／Simulink提供的電力系統(tǒng)分析工具，構造了同步發(fā)電機突然三相短路的仿真模型，凸極同步發(fā)電機的調節(jié)機構由水輪機調節(jié)器（HTG）和勵磁調節(jié)器（ExcitationSystem）構成。水輪機調節(jié)器（HTG）根據(jù)反饋量大小進行調節(jié)。勵磁凋節(jié)器采用的是IEEEI型勵磁調節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)機端電壓經過坐標變換的進行電壓調節(jié)，發(fā)電廠與無窮大電網母線經單回線相聯(lián)，長度為

200km，每公里的參數(shù)為：電阻0.01273，電抗0.35182,在發(fā)電機機端處發(fā)生突然三相短路。4?1發(fā)電機突然發(fā)生三相短路的Simulink仿真模型圖1發(fā)電機突然發(fā)生三相短路的仿真模型4.2仿真參數(shù)設置同步電動機參數(shù)設置如下：lfb|BlockParjfnrtsra:■Synd^ranouiMndiine-pj￡tandard呂嚇i亡htrofm圖1發(fā)電機突然發(fā)生三相短路的仿真模型4.2仿真參數(shù)設置同步電動機參數(shù)設置如下：lfb|BlockParjfnrtsra:■Synd^ranouiMndiine-pj￡tandard呂嚇i亡htrofm□空 (riadi)(link)Ixpleneritsa.J-pihastsynchiowjufAachirr?niadpUedintJwdq￡atdierftrence-frane?Stator catuK-ctad.invyatoatiLntarrialhAiitralpoint.CccdiEucationBi3irfin.alpwpijline-tc^lnr-twitasej.fip^j^nry[fnCTAJ勿陽““fn(B±)];PiL'arictexsAdvanced[2ODE6L3H0D50]0.15Idoccistir?canrtantsiShort-citcuitqsaxtiTKcunztants:Opsn-cir匚口譏Tiir陽constints3tstcr[PE-istariCPRsCpu.)0.Q05InertlaGwtlclBhtjrnctlunt■匹to燈polepalis【FCpu)p0]sIniti-al iatvz[dj(N-)1:k<dflgjii-Sjlb^in(pu.)ph■町ph匕』衛(wèi)hr[deg]7f(pu)]:[Q-陽，OTJT0.CET0TH30,0270743Dr0270743 -124.Z3C1]0?T64L,M2^1 |jina^attsat-uxaiion圖2同步電動機參數(shù)設置圖3變壓器參數(shù)設置三相短路參數(shù)設置：圖4三相短路參數(shù)設置4.2仿真結果及分析圖5三相對稱短路時d繞組波形圖圖6三相對稱短路時q繞組波形圖圖7三相對稱短路時勵磁電流波形圖圖8三相對稱短路時a、b、c三相電流波形圖900800700EOO5004003002001000100■ ■. ■■IMAAAAAAAA/WWWWvAi/VVVV'/uwv■ywwwwwww[i i：| 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Q7 0.8 0.9圖9三相對稱短路時定子A相電流波形圖由以上的仿真波形可以看出，突然短路時，各繞組電流都發(fā)生震蕩。定子繞組有周期分量和非周期分量（實際數(shù)學分析時還有二倍頻分量）。轉子各繞組也有周期分量和非周期分量。從物理意義上可以這樣來理解：定于繞組突然三相短路后，由于轉子磁場的旋轉及定子繞組中產生相應的三相穩(wěn)態(tài)基頻電流，將引起定子勵磁繞組中就產生了非周期電流。由于轉子以同步速旋轉，轉子阻尼和勵磁繞組中的非周期電流分量。由于轉子繞組中存在電阻，突然短路在轉子阻尼繞組中引起的非周期分量將逐步衰減到零，如圖5和圖6,勵磁繞組要衰減到短路前的idf如圖7所示。短路后，由于定轉子短路電流產生的磁場相互作用，電磁轉矩產生衰減?？偨Y本文在坐標系統(tǒng)下，建立了三相同步發(fā)電機的數(shù)學模型以及繪制出了它的動態(tài)等效電路。在Matlab／Simulink環(huán)境下，構建了同步發(fā)電機機端突然三相短路的仿真模型，不需要編程，模型層次分明、簡潔，電機結構和內部電磁關系的概念非常清晰。通過仿真結果分析，仿真結果與理論分析相吻合。本文的方法還可用來對同步發(fā)電機某些動態(tài)過程的研究，如突加突卸過程動態(tài)電壓跌落、突然短路過程最大短路電流的仿真研究，從而為電機的優(yōu)化設計提供必要的理論依據(jù)。參考文獻：馬志五.電機瞬態(tài)分析[M].北京：中圍電力出版社,1998.高景德，李發(fā)海.交流電機及其系統(tǒng)的分析[M].北京:清華大學出版社,1993.陳們時.電力