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.31設(shè)計(jì)任務(wù)及要求.311設(shè)計(jì)目的.31.2設(shè)計(jì)內(nèi)容和基本要求.32發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析.42.1并網(wǎng)的理想條件.42.2相位差、頻率差和電壓差對(duì)滑差的影響.43發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型建立.63.1 仿真模型.63.2 系統(tǒng)仿真模型的建立.74發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過(guò)程仿真分析.84.1 潮流計(jì)算和初始狀態(tài)設(shè)置.84.2 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)仿真.85仿真結(jié)果分析.96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)中常見而重要的一項(xiàng)操作, 不恰當(dāng)?shù)牟⒘?/p>

2、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。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。從版本開始增加了一個(gè)專用于電力系統(tǒng)分析的PSB（電力系統(tǒng)模塊,Power system blockset ） 。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S

3、imulink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GUI界面。1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求分析1.1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。1.2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)

4、程的Matlab仿真?；疽笕缦拢?、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2.1 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；2

5、、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。2.2 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，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1

6、0V、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)。圖4 單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)3.1 仿真模型 單機(jī)即同步發(fā)電機(jī)，這里選用Sync

7、hronous Machine，參數(shù)：變壓器模型選用Three-phase Transformer，Yg,參數(shù)：無(wú)窮大系統(tǒng)用powerlib中的inductive source with neutral模塊表示，參數(shù): 系統(tǒng)負(fù)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(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Hydraulic Turbineand Governor、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器Exc

8、itation System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結(jié)點(diǎn)，Bustype 為pv generator。變壓器采用YgYg接線，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)Power GUI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4.1 潮流計(jì)算和初

9、始狀態(tài)設(shè)置在并網(wǎng)仿真之前需先通過(guò)Power GUI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、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Power GUI，點(diǎn)擊Steady-State Voltages and Currents，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Initial States Setting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，可從任意值開始進(jìn)行仿真。Machine loa

10、d flow可用來(lái)設(shè)置模型中發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的類型，這里設(shè)為P&V generator，還可設(shè)置發(fā)電機(jī)的電壓和輸出功率，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。4.2 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%時(shí)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)

11、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、沖擊電流等重要參數(shù)通過(guò)示波器顯示，結(jié)果見第五章。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，幾乎沒有沖擊電流。如圖所示，當(dāng)頻差為5%時(shí)，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

12、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)果圖9圖10如圖所示：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，可見產(chǎn)生的沖擊電流較大。存在壓差的仿真結(jié)果圖11圖12增大勵(lì)磁電流，

13、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

14、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MATLAB 語(yǔ)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Matlab，基本知識(shí)由于考研等