電力系統(tǒng)自動化課程設計

PAGEPAGE16課程設計任務書題目發(fā)電機自動準同期并入電網(wǎng)學院信息科學與電氣工程學院專業(yè)電氣工程及其自動化學生姓名DonaldGeorge一、設計內容及要求1、根據(jù)發(fā)電機自動準同期并入電網(wǎng)所需的條件，使用Matlab對不同條件下的并網(wǎng)過程進行仿真分析。二、設計原始資料詳見參考書三、設計完成后提交的文件和圖表1．計算說明書部分仿真結果及設計說明書（論文）2．圖紙部分：仿真電路程序和仿真結果等以圖片的形式附在設計報告中。四、進程安排第一周：第一天上午：選題，查資料；第一天下午：制定設計方案；第二——第五天：搭建仿真模型，完成仿真部分；第二周：第一——四天：對仿真結果進行分析，完善設計方案，并完成設計報告；第五天：答辯，交設計報告。五、主要參考資料《電力系統(tǒng)分析（第三版）》于永源主編，中國電力出版社，2007年《電力系統(tǒng)自動化》，王葵、孫瑩編著，中國電力出版社，2007年；《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》，陳珩主編，中國電力出版社，2007年；《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》，李光琦主編，中國電力出版社，2007年。目錄前言51設計任務及要求51．1設計目的………………...…...……...……….51.2設計內容和基本要求……………..…………52發(fā)電機并網(wǎng)條件分析62.1并網(wǎng)的理想條件62.2相位差、頻率差和電壓差對滑差的影響63發(fā)電機并網(wǎng)模型建立83.1仿真模型83.2系統(tǒng)仿真模型的建立94發(fā)電機并網(wǎng)過程仿真分析104.1潮流計算和初始狀態(tài)設置104.2發(fā)電機并網(wǎng)仿真105仿真結果分析116總結16參考文獻17前言計算機仿真技術己成為電力系統(tǒng)研究、規(guī)劃、設計和運行等各個方面的重要方法和手段。由于電力系統(tǒng)的特殊性,很多研究無法采用實驗的方法進行,仿真分析顯得尤為重要。發(fā)動機并網(wǎng)是電力系統(tǒng)中常見而重要的一項操作,不恰當?shù)牟⒘胁僮鲗е聡乐氐暮蠊?。因?對同步發(fā)電機的并列操作進行研究,提高并列操作的準確度和可靠性,對于系統(tǒng)的可靠運行具有很大的現(xiàn)實意義。MATlAB是高性能數(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）。PSB中主要有同步機、異步機、變壓器、直流機、特殊電機的線性和非線性、有名的和標么值系統(tǒng)的、不同仿真精度的設備模型庫單相\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)的負荷模型、電力半導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,可以進行電力系統(tǒng)的仿真計算,并可方便地對各種波形進行圖形顯示。本文以一單機一無窮大系統(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)電機并網(wǎng)過程進行仿真分析,并將仿真結果顯示于GUI界面。1設計任務及要求分析1.1設計目的通過發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立與仿真分析，使學生掌握發(fā)電機并網(wǎng)方法和Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)模塊（PSB），深化學生對發(fā)電機并網(wǎng)技術的理解，培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力和Matlab軟件的應用能力。1.2設計內容和基本要求設計內容主要包括發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立和并網(wǎng)過程的Matlab仿真?；疽笕缦拢?、發(fā)電機并網(wǎng)條件分析；2、發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立；3、分別對發(fā)電機端電壓電壓與電網(wǎng)電壓幅值、頻率和初相位在各種匹配情況下，發(fā)電機并網(wǎng)過程的仿真；4、 理論分析結果與仿真分析結果的比較。2發(fā)電機并網(wǎng)條件分析2.1并網(wǎng)的理想條件同步發(fā)電機組并列運行，并列斷路器合閘時沖擊電流應盡可能的小，其瞬時最大值一般不宜超過1-2倍的額定電流；發(fā)電機組并入電網(wǎng)后，應能迅速進入同步運行狀態(tài)，其暫態(tài)過程要短，以減少對電力系統(tǒng)的擾動[1]。為了減小電網(wǎng)與發(fā)電機組組成的回路內產(chǎn)生的瞬時沖擊電流，需保證同步發(fā)電機電壓與電網(wǎng)并網(wǎng)瞬時電壓相等，所以發(fā)電機并網(wǎng)的理想條件為：1、應有一致的相序；2、方應有相等的電壓有效值；3、方應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)電機與電網(wǎng)立即進入同步運行，無任何擾動現(xiàn)象。但在實際操作中，三個條件很難同時滿足，而并列合閘時只要沖擊電流較小，不危及電氣設備，合閘后發(fā)電機組能迅速拉入同步運行且對電網(wǎng)影響較小，因此實際并列操作允許偏離理想條件一定范圍時進行合閘操作。2.2相位差、頻率差和電壓差對滑差的影響利用Matlab繪圖工具可得到各種情況下滑差電壓波形，設電網(wǎng)電壓為，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。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可知當電壓差為零時滑差電壓包絡線都過零點，此時合閘則沒有沖擊電流。而有電壓差時（如圖3）滑差只有最小值而不過零點，因此無論何時合閘都存在沖擊電流，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。3發(fā)電機并網(wǎng)模型建立發(fā)電機并網(wǎng)模型可用單機-無窮大系統(tǒng)模擬，由此分析發(fā)電機并網(wǎng)的動態(tài)過程。圖4所示為單機-無窮大系統(tǒng)。圖4單機-無窮大系統(tǒng)3.1仿真模型單機即同步發(fā)電機，這里選用SynchronousMachine，參數(shù)：變壓器模型選用Three-phaseTransformer，Yg,參數(shù)：無窮大系統(tǒng)用powerlib中的inductivesourcewithneutral模塊表示，參數(shù):系統(tǒng)負荷分別為。3.2系統(tǒng)仿真模型的建立打開Matlab/simulink/simpowersystems/blocklibary,新建一個mdl文件，將所需的同步電機、變壓器、線路、無窮大系統(tǒng)和負荷模型（按3.1選定的系統(tǒng)模型）拖到該文件下，為便于對電動機的各參量進行設置和檢測，還加入了調速系統(tǒng)模型HydraulicTurbineandGovernor、勵磁調節(jié)器ExcitationSystem和多路選擇器BusSelector,從同步發(fā)電機的測量端子m引出發(fā)電機的參數(shù)通過BusSelector得到各參數(shù)，聯(lián)接到勵磁調節(jié)器和調速器的輸入端口。按下圖連線，建立發(fā)電機并網(wǎng)的仿真模型。圖5發(fā)電機并網(wǎng)的仿真模型 發(fā)電機設為PU結點，Bustype為pvgenerator。變壓器采用YgYg接線，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現(xiàn)對其參數(shù)的設置和變更。對需要測量的量可直接引出端口接示波器，便于觀察波形或進行數(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。4發(fā)電機并網(wǎng)過程仿真分析4.1潮流計算和初始狀態(tài)設置 在并網(wǎng)仿真之前需先通過PowerGUI進行潮流計算，使發(fā)電機電壓發(fā)出電壓滿足并網(wǎng)幅值、相角、頻率要求后可進行仿真，相當于發(fā)電機并網(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行仿真分析，并做相應波形對比。 雙擊PowerGUI，點擊Steady-StateVoltagesandCurrents，顯示當前穩(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。 雙擊InitialStatesSetting可實現(xiàn)運行初始狀態(tài)的設置，可對狀態(tài)變量全設零或設為穩(wěn)定狀態(tài)或手動輸入任意值，可從任意值開始進行仿真。 Machineloadflow可用來設置模型中發(fā)電機節(jié)點的類型，這里設為P&Vgenerator，還可設置發(fā)電機的電壓和輸出功率，結果窗口中可查看發(fā)電機線電流、相電壓、有功和無功功率、勵磁電壓、轉差、轉矩等。4.2發(fā)電機并網(wǎng)仿真通過改變發(fā)電機和系統(tǒng)的參數(shù)設置，可進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仿真分析。 為便于分析發(fā)電機的并網(wǎng)過程，這里設置幾種初始條件下的仿真。由于發(fā)電機和系統(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。分別設置頻差為1%、5%、10%時比較發(fā)電機的同步情況。并與發(fā)電機存在壓差時進行對比分析。仿真算法采用ode23S。 對不同初始條件下的發(fā)電機并網(wǎng)過程進行仿真，并將發(fā)電機功率、轉速、勵磁電壓、沖擊電流等重要參數(shù)通過示波器顯示，結果見第五章。5仿真結果分析 對不同初始條件下的發(fā)電機并網(wǎng)過程進行仿真，結果如圖所示。只存在頻差時的仿真結果無頻差時（1%）圖6合閘時在0.2秒，在頻差1%時，斷路器合閘后，電壓相位及頻率能迅速拉入同步，如下圖所示：圖7合閘時在0.2秒，在頻差1%時，斷路器合閘后，短路器兩側電流相位及頻率會產(chǎn)生一些波動，但也能迅速拉入同步勵磁電流及電磁功率的波形圖：頻差5%時三相定子沖擊電流，圖7斷路器合閘后，短路器兩側電流相位及頻率會產(chǎn)生較大波動，導致波形不再是正弦型。頻差10%總體參數(shù)的波形圖如下：發(fā)電機定子測的電流波形圖如下所示：當系統(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)電機拉入同步運行，幾乎沒有沖擊電流。如圖所示，當頻差為5%時，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)電機拉入同步運行，此時有一定的沖擊電流。當頻差較大時，如圖10%，系統(tǒng)將一直處于振蕩狀態(tài)，無法穩(wěn)定。發(fā)電機將不能與系統(tǒng)實現(xiàn)同步運行，若此時并網(wǎng)則將存在很大的沖擊電流。電壓存在相位差時并網(wǎng)仿真結果圖9存在壓差時兩側的電壓波形圖如下：圖10如圖所示：在0.2秒并網(wǎng)時，從電壓波形圖可以看出發(fā)電機電壓相位與電網(wǎng)電壓在0.2秒前有一個相位差，在0.2秒合閘時，發(fā)電機機組迅速投入運行，其電壓與電網(wǎng)電壓波形一致，說明并網(wǎng)成功。6總結發(fā)電機機組并入電網(wǎng)運行時，若發(fā)電機頻率與電網(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，危機設備的安全，合閘后發(fā)電機組不能迅速拉入同步運行，將導致電網(wǎng)運行的不良后果。所以實際中待并入的發(fā)電機機組的調節(jié)系統(tǒng)應在上述三個條件得到滿足的情況下才能進行并網(wǎng)運行的操作。才不會對電網(wǎng)運行產(chǎn)生不良后果。用Simulink建立電力系統(tǒng)模型，用仿真方法對三種常見情況下的發(fā)電機并網(wǎng)運行進行了仿真分析，得到了電壓波形與電流波形，這對于分析發(fā)電機并網(wǎng)的工作狀態(tài)和控制提供了幫助。使在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)的試驗通過軟件得以直觀的展現(xiàn)，運用MATLAB語言對電網(wǎng)并聯(lián)運行操作進行仿真試驗，可以起到事半功倍的效果。通過這次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關matlab方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。這次課程設計不僅培養(yǎng)了獨立思考、操作的能力，在其它能力上也都有了提高。更重要的是，我們學會了很多學習的方法，真的是受益匪淺。參考文獻王瑩.電力系統(tǒng)及其自動化.中國電力出版社王先彬.電力系統(tǒng)