同步發(fā)電機(jī)突然三相短路控制系統(tǒng)仿真

同步發(fā)電機(jī)突然三相短路控制系統(tǒng)仿真引言同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中最重要和最復(fù)雜的元件，由多個(gè)具有電磁耦合關(guān)系的繞組構(gòu)成。同步發(fā)電機(jī)突然短路的暫態(tài)過程所產(chǎn)生的沖擊電流可能達(dá)到額定電流的十幾倍，對(duì)電機(jī)本身和相關(guān)的電氣設(shè)備都可能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此對(duì)同步發(fā)電機(jī)動(dòng)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(jī)的突然三相短路，是電力系統(tǒng)的最嚴(yán)重的故障，它是人們最為關(guān)心、研究最多的過渡過程。雖然短路過程所經(jīng)歷的時(shí)間是極短的（通常約為0.1?0.3s），但對(duì)電樞短路電流和轉(zhuǎn)子電流的分析計(jì)算，卻有著非常重要的意義。為了保證發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、互感器等的可靠運(yùn)行，必須計(jì)算短路電流的最大瞬時(shí)值，為了決定繼電保護(hù)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(lì)磁系統(tǒng)的可靠運(yùn)行以及強(qiáng)行勵(lì)磁對(duì)短路電流的影響，需要進(jìn)行勵(lì)磁電流的計(jì)算。電機(jī)動(dòng)態(tài)過程的仿真一般是先建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上在編程進(jìn)行仿真。傳統(tǒng)編程語(yǔ)言的編程效率不高，作動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線也不夠方便快捷，而Matlab語(yǔ)言擴(kuò)展能力強(qiáng)，能方便地調(diào)用C語(yǔ)言的已有程序，特別適用于矩陣計(jì)算，并且在數(shù)學(xué)建模、動(dòng)態(tài)仿真及圖形描述等方面都有其它高級(jí)語(yǔ)言難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為了方便計(jì)算，做如下假定：①只考慮電機(jī)氣隙基波磁場(chǎng)的作用（氣隙諧波磁場(chǎng)只在差漏磁場(chǎng)中加以考慮）；②忽略齒諧波的作用；③不計(jì)磁路飽和、磁滋和渦流；④就縱軸或橫軸而言，轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的。在這樣的假設(shè)下，建立起來的方程是線性的。在d-P坐標(biāo)系統(tǒng)下，可得出以基值系統(tǒng)表示的三相同步電機(jī)（有阻尼繞組）的狀態(tài)方程（用標(biāo)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(chǎn)生負(fù)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(zhuǎn)子回路D繞組：轉(zhuǎn)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(fù)載反電勢(shì))用分塊矩陣形式簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)方程=T-T

medwJtdt=T-T

me其中J轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Wt為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；T為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；T為電me機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。同步發(fā)電機(jī)突然三相短路的理論分祈3.1定子電流的計(jì)算在分折突然蔓相短路時(shí)，可以利用疊加原理，認(rèn)為不是發(fā)生了突然短路，而是在電機(jī)的端頭上突然加上了與電機(jī)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(shí)，同步電機(jī)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(yùn)行狀況；（2）突然在電機(jī)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(jī)突然三相短路后的定子電流分為兩部分來計(jì)算，將它們合并后，即得同步發(fā)電機(jī)突然三相短路后的實(shí)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(zhuǎn)子電流的計(jì)算突然三相短路后，電機(jī)轉(zhuǎn)子中的電流，也象計(jì)算定子電流一樣，可以分成兩部分來計(jì)算，即：（1）原來穩(wěn)態(tài)三相對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子電流；（2）突然在電機(jī)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(zhuǎn)子電流。將電機(jī)突然三相短路后的轉(zhuǎn)子電流分為兩部分來計(jì)算。將它們合并后，即得同步發(fā)電機(jī)突然三相短路后的實(shí)際電流為：ifd1)當(dāng)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組時(shí)，則UxU t_+ a^_? e一丁'COSOifd1)當(dāng)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組時(shí)，則UxU t_+ a^_? e一丁'COSO-RXx' Tdfd ffddx―ad-Xffd匕e-~Tcos(t+8)x' ad2）當(dāng)轉(zhuǎn)子上有阻尼繞組時(shí)，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(shí)際電流，在短路前，穩(wěn)態(tài)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，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(shí)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(jī)突然三相短路的仿真Matlab是一個(gè)強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算和仿真工具，利用它可以避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算編程（比如矩陣的計(jì)算），并且借助其繪圖函數(shù)可方便實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的可視化。利用Matlab7／Simulink提供的電力系統(tǒng)分析工具，構(gòu)造了同步發(fā)電機(jī)突然三相短路的仿真模型，凸極同步發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由水輪機(jī)調(diào)節(jié)器（HTG）和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（ExcitationSystem）構(gòu)成。水輪機(jī)調(diào)節(jié)器（HTG）根據(jù)反饋量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。勵(lì)磁凋節(jié)器采用的是IEEEI型勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)端電壓經(jīng)過坐標(biāo)變換的進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，發(fā)電廠與無窮大電網(wǎng)母線經(jīng)單回線相聯(lián)，長(zhǎng)度為

200km，每公里的參數(shù)為：電阻0.01273，電抗0.35182,在發(fā)電機(jī)機(jī)端處發(fā)生突然三相短路。4?1發(fā)電機(jī)突然發(fā)生三相短路的Simulink仿真模型圖1發(fā)電機(jī)突然發(fā)生三相短路的仿真模型4.2仿真參數(shù)設(shè)置同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：lfb|BlockParjfnrtsra:■Synd^ranouiMndiine-pj￡tandard呂嚇i亡htrofm圖1發(fā)電機(jī)突然發(fā)生三相短路的仿真模型4.2仿真參數(shù)設(shè)置同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)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(yáng)““fn(B±)];PiL'arictexsAdvanced[2ODE6L3H0D50]0.15Idoccistir?canrtantsiShort-citcuitqsaxtiTKcunztants:Opsn-cir匚口譏Tiir陽(yáng)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(yáng)，OTJT0.CET0TH30,0270743Dr0270743 -124.Z3C1]0?T64L,M2^1 |jina^attsat-uxaiion圖2同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置圖3變壓器參數(shù)設(shè)置三相短路參數(shù)設(shè)置：圖4三相短路參數(shù)設(shè)置4.2仿真結(jié)果及分析圖5三相對(duì)稱短路時(shí)d繞組波形圖圖6三相對(duì)稱短路時(shí)q繞組波形圖圖7三相對(duì)稱短路時(shí)勵(lì)磁電流波形圖圖8三相對(duì)稱短路時(shí)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(duì)稱短路時(shí)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(shí)，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(shí)際數(shù)學(xué)分析時(shí)還有二倍頻分量）。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)及定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的三相穩(wěn)態(tài)基頻電流，將引起定子勵(lì)磁繞組中就產(chǎn)生了非周期電流。由于轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子阻尼和勵(lì)磁繞組中的非周期電流分量。由于轉(zhuǎn)子繞組中存在電阻，突然短路在轉(zhuǎn)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(lì)磁繞組要衰減到短路前的idf如圖7所示。短路后，由于定轉(zhuǎn)子短路電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生衰減。總結(jié)本文在坐標(biāo)系統(tǒng)下，建立了三相同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及繪制出了它的動(dòng)態(tài)等效電路。在Matlab／Simulink環(huán)境下，構(gòu)建了同步發(fā)電機(jī)機(jī)端突然三相短路的仿真模型，不需要編程，模型層次分明、簡(jiǎn)潔，電機(jī)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電磁關(guān)系的概念非常清晰。通過仿真結(jié)果分析，仿真結(jié)果與理論分析相吻合。本文的方法還可用來對(duì)同步發(fā)電機(jī)某些動(dòng)態(tài)過程的研究，如突加突卸過程動(dòng)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(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)：馬志五.電機(jī)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(jī)及其系統(tǒng)的分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993.陳們時(shí).電力