電力系統(tǒng)自動化課程設計---發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立與并網(wǎng)過程的仿真分析

1、<p>　　摘要:電機并網(wǎng)要求滿足準同期條件，并網(wǎng)要求準確、快速。準確可以保障安全和減少對發(fā)電機并網(wǎng)引起的沖擊，而快速則能夠減小發(fā)電機的空轉損耗。隨著計算機工業(yè)的發(fā)展和數(shù)字技術的迅猛進步，研制使用能夠自動實現(xiàn)發(fā)電機并網(wǎng)的智能儀器已成為發(fā)電廠技術革新和自動化改造的重要課題。</p><p>　　本文探討了發(fā)電機安全并入電網(wǎng)所需的條件，借助工程計算軟件Matlab強大的繪圖功能對不同條件下的并網(wǎng)過程進行了仿

2、真分析，從而得出了一些重要的結論。這些結論為自動準同期裝置的研制提供了理論根據(jù)。</p><p>　　關鍵詞: 發(fā)電機并網(wǎng)；Matlab仿真；準同期條件 </p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著負荷的變動，電力系統(tǒng)中發(fā)電機運行的臺數(shù)也經(jīng)常改變。因此。同步發(fā)電機的并列操作是電廠的一項重要操作。另外，當系統(tǒng)發(fā)生某些事

3、故時．也常要求將備用發(fā)電機組迅速投入電網(wǎng)運行．由于某種原因，解列運行的電網(wǎng)需要聯(lián)合運行，這就需要電網(wǎng)間實行并列操作。可見，在電力系統(tǒng)運行中并列操作足較為頻繁的。</p><p>　　本次工程訓練的題目是《發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立與并網(wǎng)過程的仿真分析》。具體內容是發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立、并網(wǎng)過程的仿真。</p><p>　　本次課程設計涉及面較廣，需查閱大量資料，由于上學期剛了解此專業(yè)課，故對一些

4、知識點理解的不是很深刻，因此，錯誤與疏漏之處再所難免，望老師批評指正。 </p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　三相同步發(fā)電機是常用的交流發(fā)電機，但是單一的1臺三相同步發(fā)電機對電網(wǎng)供電有明顯的缺點：</p><p>　　(1)不能保證供電質量(電壓和頻率的穩(wěn)定性)和可靠性(發(fā)生故障就得停電）；</p>

5、<p>　　(2)無法實現(xiàn)供電的靈活性和經(jīng)濟性；</p><p>　　這些缺點可以通過多臺三相同步發(fā)電機并聯(lián)來改善。通過并聯(lián)可將幾臺同步發(fā)電機或幾個發(fā)電站并成一個電網(wǎng)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中都是把幾臺同步發(fā)電機并聯(lián)起來接在共同的匯流排上，一個地區(qū)總是有好幾個發(fā)電廠并聯(lián)起來組成一個強大的電力系統(tǒng)。</p><p>　　電網(wǎng)供電比單機供電有許多優(yōu)點：</p><p>

6、;　　(1)提高了供電的可靠性．1臺電機發(fā)生故障或定期檢修不會引起停電事故</p><p>　　(2)提高了供電的經(jīng)濟性和靈活性，例如水電廠與火電廠并聯(lián)時．在枯水期和旺水期．兩種電廠可以調配發(fā)電，使得水資源得到合理使用。在用電高峰期和低谷期．可以靈活地決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機數(shù)量，提高了發(fā)電效率和供電靈活性。（3)提高了供電質量，電網(wǎng)的容量巨大，單臺發(fā)電機的投入與停機。個別負載的變化，對電網(wǎng)的影響甚微，衡量供電質量的

7、電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。</p><p>　　發(fā)電機并網(wǎng)是電力系統(tǒng)的一項經(jīng)常、重要操作，不恰當?shù)牟⒘锌赡茉斐呻姎庠O備的損壞并對系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。過去對發(fā)電機并列的工程培訓和研究，一般需要動模機組和多種傳感器、錄波器等昂貴設備。成本高且數(shù)據(jù)讀取和計算復雜、繁瑣，輸出結果不理想。而利用數(shù)字仿真只需要有計算機和相應的軟件即可實現(xiàn)，不但成本低，還可以很方便地得到各種所需數(shù)據(jù)、波形等結果，對數(shù)據(jù)的處理也更方便。&

8、lt;/p><p><b>　　第二章 設計任務</b></p><p><b>　　2.1 設計題目</b></p><p>　　發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立、并網(wǎng)過程的仿真</p><p><b>　　2.2 設計要求</b></p><p>　　1、發(fā)電機并

9、網(wǎng)條件分析；</p><p>　　2、發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立；</p><p>　　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；</p><p>　　4、理論分析結果與仿真分析結果的比較。</p><p>　　第三章 發(fā)電機并網(wǎng)條件分析</p><p>　　同步發(fā)電機并

10、網(wǎng)運行時, 若要減小電網(wǎng)與發(fā)電機組組成的回路內產(chǎn)生的瞬時沖擊電流, 必須保證同步發(fā)電機的電壓與電網(wǎng)電壓在并網(wǎng)的瞬時相等, 由此得出同步發(fā)電機并網(wǎng)運行的理想條件：</p><p>　　雙方應有一致的相序；</p><p>　　雙方應有相等的電壓有效值；</p><p>　　雙方應有相同或者十分接近的頻率和相位。</p><p>　　以上三個條件

11、中, 相序一致是必須滿足的, 而其他兩個條件要盡量滿足。下面分析在滿足相序一致條件下,其他兩個條件未滿足時對同步發(fā)電機并網(wǎng)運行的影響。</p><p>　　并網(wǎng)條件不滿足時對電機的影響</p><p>　　1)電機和電網(wǎng)之間有環(huán)流，定子繞組端部受力變形。</p><p>　　2)產(chǎn)生諧振電流和電壓．引起電機內功率振蕩。</p><p>　　3

12、)電機和電網(wǎng)之間有高次諧波環(huán)流，增加損耗，溫度升高．效率降低，</p><p>　　4)電網(wǎng)和電機之間存在巨大的電位差而產(chǎn)生無法消除的環(huán)流，害電機安全運行。</p><p>　　3.1相位差、頻率差和電壓差對滑差的影響</p><p>　　利用Matlab強大的繪圖功能，可以得到各種情況下滑差電壓的波形。圖3.1所示為頻差為0.5Hz 、壓差和相位差為零時的滑差電壓

13、波形。圖3.2所示為頻差為0.5Hz、壓差為零和相位差為60°時的滑差電壓波形?？梢姰攭翰顬榱銜r包絡線總是有過零點的，只要控制在過零點時合閘就沒有沖擊電流?；畎j線的頻率和頻率差成正比。圖3.3所示為壓差為10 V、頻差為0.5Hz、相位差為零時的滑差波形。從圖中可見存在電壓差時，滑差只有最小值而沒有過零點，所以無論何時合閘都存在沖擊電流。</p><p>　　頻差為0. 5Hz時的滑差波形</

14、p><p>　　頻差為0.5Hz相位差為60°時的滑差波形</p><p>　　壓差為10 V 頻差為0. 5 Hz 時的滑差波形</p><p>　　第四章 發(fā)電機并網(wǎng)模型的建立</p><p>　　在Matlab／Simulink 下用PSB 建立如圖4.1所示的單機無窮大系統(tǒng)并網(wǎng)運行的模型，以此模型來分析發(fā)電機并網(wǎng)的動態(tài)過程。&l

15、t;/p><p>　　4.1發(fā)電機的仿真模型</p><p>　　同步發(fā)電機模型采用未簡化的同步發(fā)電機模型，其電氣部分采用五階的狀態(tài)空間方程組（不考慮零軸的派克方程），沒有考慮q軸阻尼繞組的電磁暫態(tài)過程。其轉子等值電路如圖4.2所示。</p><p>　　4.2 線路和變壓器仿真模型</p><p>　　線路采用串聯(lián)的電阻和電感組成的集中參數(shù)模型

16、，Matlab 中還有PI型和分布參數(shù)2種輸電線模型。Matlab 提供各種型號的變壓器，可以根據(jù)需要選取其型號和接線方式。</p><p>　　4.3 系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　系統(tǒng)模型采用PSB中提供的Three- phase Inductive Source，它由共地的三相對稱的理想電壓源串接阻抗組成，阻抗值的大小由電壓幅值和系統(tǒng)的視在功率決定。它主要提供無功功率以保證電壓穩(wěn)

17、定。</p><p>　　4.4 負荷仿真模型</p><p>　　負荷模型采用接地的恒定阻抗來模擬，這樣可以加快仿真速度，其數(shù)值大小由電壓和負荷大小決定。除此之外，Matlab還提供電動機等負荷。</p><p>　　第五章 發(fā)電機并網(wǎng)過程的仿真</p><p>　　Matlab是高性能數(shù)值計算和可視化軟件產(chǎn)品。它由主包、Simulink

18、及功能各異的工具箱組成。從Matlab5.2版本開始增加了一個專用于電力系統(tǒng)分析的電力系統(tǒng)模塊。</p><p>　　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

19、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。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界面。</p><p>　　5.1利用Matlab建立仿真模型</p><p>　　首先在Matlab主命令窗口下輸入Simulink 進入仿真平臺，建立一個新的.mdl文件。將所需同步發(fā)電機、變壓器、線路、無窮大系統(tǒng)和負荷模型均用鼠標拖到該文件下。</p&g

20、t;<p>　　根據(jù)圖4.1所示將各個模塊聯(lián)接，再將同步發(fā)電機的勵磁調節(jié)器和調速器拖到文件下，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PSB中的Machine Measurement Demux 得到各個參數(shù)，聯(lián)接到勵磁調節(jié)器和調速器的輸入端口。</p><p>　　變壓器采用YgY 接線，這樣可以省去計算電壓相角時相位的變化。各模塊的參數(shù)均可通過其對話框來設置。對感興趣的量可以通過測量元件在示

21、波器上顯示或者以數(shù)組形式輸出到工作空間，并可觀察波形或進行數(shù)據(jù)分析。最后再拖入一個PowerGUI 到文件里即可進行仿真。</p><p>　　在進行仿真計算前，先在Power GUI下進行穩(wěn)態(tài)潮流計算，設置初始運行的條件，即可對不同條件下的發(fā)電機并網(wǎng)過程進行動態(tài)仿真。設置簡單方便，有“Set state variables ”，“Steady state ”，“Machine load flow”3 項?！癕a

22、chine load flow”可用來設置模型中發(fā)電機節(jié)點的類型（PV 節(jié)點或平衡節(jié)點）、電壓和輸出功率（或電壓角度），在結果中可以看到發(fā)電機的線電壓、相電流、有功、無功、勵磁電壓、轉差、轉矩等。</p><p>　　在計算完穩(wěn)態(tài)潮流后，相應結果可自動填入電機的數(shù)據(jù)輸入對話框和初始條件設置中。通過“Set state variables ”能夠對計算所需的狀態(tài)變量數(shù)值分別設定，可以從任意初始值開始進行仿真。“St

23、eady state ”可以查看穩(wěn)態(tài)時包括電壓電流源、狀態(tài)變量、被測量和非線性環(huán)節(jié)在內相應電壓和電流的幅值和相角。</p><p>　　運行不同條件下的發(fā)電機并網(wǎng)過程仿真, 并將發(fā)電機功率、轉速、勵磁電壓等重要參數(shù)以波形的形式顯示出來，如圖5.2、圖5.3所示。當發(fā)電機和系統(tǒng)的頻差5％為時, 經(jīng)過一個短暫的震蕩過程, 系統(tǒng)可將發(fā)電機拉入同步運行。合閘后存在一定的沖擊電流, 符合發(fā)動機實際并網(wǎng)過程的動態(tài)變化。當發(fā)電

24、機和系統(tǒng)的頻差為10％, 存在較大的并列誤差時, 合閘后發(fā)電機一直震蕩而無法進入穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài),系統(tǒng)無法將發(fā)電機拉入同步運行。由圖可以看出, 當同時存在壓差和頻差, 且頻差較小時, 經(jīng)過一個輕微的震蕩過程, 也能將發(fā)電機拉入同步運行。而當發(fā)電機和系統(tǒng)的壓差不為0且頻差較大(頻差為5％)時并網(wǎng), 合閘后產(chǎn)生較大大的沖擊電流, 發(fā)電機一直處于震蕩狀態(tài)而無法穩(wěn)定, 系統(tǒng)無法將發(fā)電機拉入同步運行。通過改變發(fā)動機及系統(tǒng)的參數(shù)設置, 還可以進行其他多

25、種條件下的并網(wǎng)過程仿真分析.</p><p>　　1)在一定的頻差下，電網(wǎng)和發(fā)電機的相位差呈現(xiàn)周期性的變化，變化快慢受頻差的影響，頻差越大，變化越快。</p><p>　　(2)控制發(fā)電機斷路器在相位差過零的瞬時閉合，可以保證發(fā)電機能夠平滑地并入電網(wǎng)。</p><p>　　(3)在相位差過零點并網(wǎng)時沖擊的大小取決于此時電網(wǎng)和發(fā)電機的電壓差，電壓差越大，沖擊越大，電壓

26、差為零，則沒有沖擊。</p><p>　　自動準同期裝置是利用計算機和準同期條件實現(xiàn)發(fā)電機自動并網(wǎng)的智能儀器。該裝置必須能夠自動檢測電網(wǎng)和發(fā)電機的電壓、頻率和相位差，促使準同期條件得到滿足，從而實現(xiàn)發(fā)電機的準確并網(wǎng)。由于發(fā)電機并網(wǎng)開關閉合需要一定的時間，因此，自動準同期裝置所要完成的主要任務是：控制發(fā)電機的電壓和頻率，使發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓差和頻差被限制在一定的范圍內。在相位差的周期性變化過程中，通過動態(tài)測量其變化

27、率，根據(jù)并網(wǎng)開關閉合所需時間的大小，捕捉合閘脈沖的發(fā)出時機，從而控制斷路器在相位差過零點附近閉合。</p><p><b>　　5.2 GUI設計</b></p><p>　　發(fā)電機并網(wǎng)過程仿真分析GUI界面由波形顯示區(qū),仿真條件設置區(qū), 運行控制區(qū)及輔助功能區(qū)組成, 波形顯示區(qū)通過坐標系顯示重要變量波形圖;仿真條件設置區(qū)采用下拉框設置頻率、電壓、相位等幾個重要的并網(wǎng)

28、條件;運行控制區(qū)用按鈕實現(xiàn)“ 開始仿真” 、“ 查看波形” 、“退出”等幾個主要的運行控制功能;輔助功能區(qū)實現(xiàn)放大/還原、加/去柵格等輔助功能。</p><p><b>　　5.2功能實現(xiàn)</b></p><p>　　系統(tǒng)內核有兩大部分:模型文件和函數(shù)文件。模型文件即是在Similink下構建的發(fā)電機在各種條件下進行并網(wǎng)的仿真模型。共有10個.mdl文件, 分別對應不

29、同的并網(wǎng)條件, 與GUI界面仿真條件設置區(qū)的頻率選擇、電壓選擇、相位選擇的不同組合相對應。函數(shù)文件包含主控函數(shù)、回調函數(shù)和通用繪圖函數(shù)。主控函數(shù)實現(xiàn)界面切換功能?；卣{函數(shù)用來實現(xiàn)界面上各控件的動作響應。繪圖函數(shù)實現(xiàn)仿真波形圖的繪制。</p><p>　　發(fā)電機并網(wǎng)過程仿真分析系統(tǒng)具有簡單直觀、能靈活選擇仿真條件等優(yōu)點, 可以用于分析多種條件下發(fā)電機并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響, 也可用于相關課程的教學及工程培訓。<

30、/p><p>　　隨著新設備、新技術不斷應用于電力系統(tǒng), 電力系統(tǒng)變得日益復雜和龐大, 這也對電力系統(tǒng)的仿真提出了更高的要求。Matlab作為電力系統(tǒng)仿真軟件之一, 有著圖形用戶界面設計方便、仿真建模模塊化、編程簡單等優(yōu)點, 是電力系統(tǒng)仿真分析的理想工具。但Matlab也有仿真速度較慢、對復雜電力系統(tǒng)仿真較困難等缺陷?？偟膩碚f,Matlab還是一個電力系統(tǒng)仿真分析的有力工具,隨著版本的升級, 模塊結構的優(yōu)化以及計算機

31、技術的發(fā)展, 相信的Matlab仿真性能會越來越卓越。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　這次課程設計是在大四的第一學期學習了電力系統(tǒng)自動化課程后進行的，作為電氣工程及自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，自動化技術在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。通過課程設計能讓我們了解其具體應用方式。因為上學期要準備考研，故本門課程學習的并不是很扎實，課

32、程設計做起來也比較吃力。但通過不斷翻書，不斷學習，我還是從中學到了很多的知識。翻閱MATLAB程序設計書籍是十分必要的，本次課程設計MATLAB程序設計語言制在整個設計過程中都用到了它。</p><p>　　因為我們宿舍同學做的是同一個課題，故我們不時的在一起討論、一起查找資料。這次課程設計，使我又一次加深了對電力系統(tǒng)相關知識的理解，也更加熟悉了Word及Matlab的使用。之前準備考研，對各門專業(yè)課學得都不是很

33、扎實，但找工作是又會涉及到這些專業(yè)相關的問題。這次實踐讓我對接下來的找工作、面試增加了信心。</p><p>　　由于水平有限，難免會有錯誤，還望老師批評指正。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王瑩.電力系統(tǒng)及其自動化.中國電力出版社</p><p>　　[2] 王先彬.電力系統(tǒng)