发电机并网模型的建立与并网过程的仿真分析doc

目录目录 0 前言 3 1 设计任务及要求 3 1 1 设计目的 3 1 2 设计内容和基本要求 3 2 发电机并网条件分析 4 2 1 并网的理想条件 4 2 2 相位差 频率差和电压差对滑差的影响 4 3 发电机并网模型建立 6 3 1 仿真模型 6 3 2 系统仿真模型的建立 7 4 发电机并网过程仿真分析 8 4 1 潮流计算和初始状态设置 8 4 2 发电机并网仿真 8 5 仿真结果分析 9 6 总结 14 参考文献 14 2 0 0 前言前言 计算机仿真技术己成为电力系统研究 规划 设计和运行等各个方面的重 要方法和手段 由于电力系统的特殊性 很多研究无法采用实验的方法进行 仿真分析显得尤为重要 发动机并网是电力系统中常见而重要的一项操作 不 恰当的并列操作将导致严重的后果 因此 对同步发电机的并列操作进行研究 提高并列操作的准确度和可靠性 对于系统的可靠运行具有很大的现实意义 MATlAB是高性能数值计算和可视化软件产品 它由主包 Simulink 及功能 各异的工具箱组成 从版本开始增加了一个专用于电力系统分析的PSB 电力系 统模块 Power system blockset PSB中主要有同步机 异步机 变压器 直流机 特殊电机的线性和非线性 有名的和标么值系统的 不同仿真精度的 设备模型库单相 三相的分布和集中参数的传输线单相 三相断路器及各种电力 系统的负荷模型 电力半导体器件库以及控制和测量环节 再借助其他模块库 或工具箱 在Simulink环境下 可以进行电力系统的仿真计算 并可方便地对各 种波形进行图形显示 本文以一单机一无穷大系统为模型 在环境下使用 GUI Simulink m语言等创建一发电机并网过程分析与仿真系统 该系统可以 对多种情况下的发电机并网过程进行仿真分析 并将仿真结果显示于GUI界面 1 1 设计任务及要求分析设计任务及要求分析 1 1 设计目的 通过发电机并网模型的建立与仿真分析 使学生掌握发电机并网方法和 Matlab Simulink 中的电力系统模块 PSB 深化学生对发电机并网技术的理 解 培养学生分析 解决问题的能力和 Matlab 软件的应用能力 1 2 设计内容和基本要求 设计内容主要包括发电机并网模型的建立和并网过程的 Matlab 仿真 基本要求如下 1 发电机并网条件分析 2 发电机并网模型的建立 3 分别对发电机端电压电压与电网电压幅值 频率和初相位在各种匹配情 3 况下 发电机并网过程的仿真 4 理论分析结果与仿真分析结果的比较 2 2 发电机并网条件分析发电机并网条件分析 2 1 并网的理想条件 同步发电机组并列运行 并列断路器合闸时冲击电流应尽可能的小 其瞬 时最大值一般不宜超过 1 2 倍的额定电流 发电机组并入电网后 应能迅速进 入同步运行状态 其暂态过程要短 以减少对电力系统的扰动 1 为了减小电网与发电机组组成的回路内产生的瞬时冲击电流 需保证同步 发电机电压与电网并网瞬时电压相等 所以发电机并网的理想条件为 1 应有一致的相序 2 方应有相等的电压有效值 3 方应有相同或者十分接近的频率和相位 若满足理想条件 则并列合闸冲击电流为零 且并列后发电机与电网立即 进入同步运行 无任何扰动现象 但在实际操作中 三个条件很难同时满足 而并列合闸时只要冲击电流较小 不危及电气设备 合闸后发电机组能迅速拉 入同步运行且对电网影响较小 因此实际并列操作允许偏离理想条件一定范围 时进行合闸操作 2 2 相位差 频率差和电压差对滑差的影响 利用 Matlab 绘图工具可得到各种情况下滑差电压波形 设电网电压为 图 1 为频差为 0 5Hz 电压差和相位差为零的滑差电压波 sin 100 wtU 形 图 2 为频差为 0 5Hz 相位差为 60 电压差为零的滑差电压波形 图 3 为电压差为 10V 频差为 0 5Hz 相位差为零的滑差电压波形 4 00 511 522 533 54 200 150 100 50 0 50 100 150 200 t s U V 为 为 为 0 5Hz 图 1 频差为 0 5Hz 电压差和相位差为零的滑差电压波形图 00 511 522 533 54 200 150 100 50 0 50 100 150 200 t s U V 为 为 为 0 5Hz为 为 为 为 60 图 2 频差为 0 5Hz 相位差为 60 电压差为零的滑差电压波形图 5 00 511 522 533 54 200 150 100 50 0 50 100 150 200 t v U V 为 为 为 0 5Hz为 为 为 10V 图 3 电压差为 10V 频差为 0 5Hz 相位差为零的滑差电压波形图 由图 1 和图 2 可知当电压差为零时滑差电压包络线都过零点 此时合闸则 没有冲击电流 而有电压差时 如图 3 滑差只有最小值而不过零点 因此无 论何时合闸都存在冲击电流 不利于系统稳定 3 3 发电机并网模型建立发电机并网模型建立 发电机并网模型可用单机 无穷大系统模拟 由此分析发电机并网的动态 过程 图 4 所示为单机 无穷大系统 发电机无穷大系统 变压器 负荷 负荷 图 4 单机 无穷大系统 3 1 仿真模型 单机即同步发电机 这里选用 Synchronous Machine 6 参数 1 0 0053 0 01 1 18 01 243 0 474 0 252 0 296 0 305 1 8 13 200 TqoTdTd XXqXq XdXdXdkVVMWP nn 变压器模型选用 Three phase Transformer Yg 参数 500 500 08 0 21 0027 0 21 230 8 132 1 60 210 LmRmLLRR kVkVVVHzfnMWPn 无穷大系统用 powerlib 中的 inductive source with neutral 模块表示 参数 10 230 60 10000 RXkVVHzfnMVAPn 系统负荷分别为 MWMW 105 3 2 系统仿真模型的建立 打开 Matlab simulink simpowersystems blocklibary 新建一个 mdl 文件 将所需的同步电机 变压器 线路 无穷大系统和负荷模型 按 3 1 选定的系 统模型 拖到该文件下 为便于对电动机的各参量进行设置和检测 还加入了 调速系统模型 Hydraulic Turbineand Governor 励磁调节器 Excitation System 和多路选择器 BusSelector 从同步发电机的测量端子 m 引出发电机的参 数通过 BusSelector 得到各参数 联接到励磁调节器和调速器的输入端口 按 下图连线 建立发电机并网的仿真模型 图 5 发电机并网的仿真模型 发电机设为 PU 结点 Bustype 为 pv generator 变压器采用 YgYg 接线 可省去计算电压相角时相位差的变化 通过双击各模块 在弹出的窗口中可实 现对其参数的设置和变更 对需要测量的量可直接引出端口接示波器 便于观 7 察波形或进行数据分析 完成仿真模型建立后 拖入一个 Power GUI 到文件中 如图 5 所示 4 4 发电机并网过程仿真分析发电机并网过程仿真分析 4 1 潮流计算和初始状态设置 在并网仿真之前需先通过 Power GUI 进行潮流计算 使发电机电压发出电 压满足并网幅值 相角 频率要求后可进行仿真 相当于发电机并网后的动态 过程 为充分研究并网条件 分别对不同条件下的情况进行仿真分析 并做相 应波形对比 双击 Power GUI 点击 Steady State Voltages and Currents 显示当前 稳定状态的电压电流值 并可选择查看状态变量 被测值 电压电流源 非线 性环节的电压电流值和相角 双击 Initial States Setting 可实现运行初始状态的设置 可对状态变量 全设零或设为稳定状态或手动输入任意值 可从任意值开始进行仿真 Machine load flow 可用来设置模型中发电机节点的类型 这里设为 P V generator 还可设置发电机的电压和输出功率 结果窗口中可查看发电机线电 流 相电压 有功和无功功率 励磁电压 转差 转矩等 4 2 发电机并网仿真 通过改变发电机和系统的参数设置 可进行多种条件下的并网仿真分析 限于篇幅 这里只对部分条件做相应仿真分析 为便于分析发电机的并网过程 这里设置几种初始条件下的仿真 由于发 电机和系统存在压差时 即使其他同步条件都符合要求还是会存在冲击电流 又考虑到变压器是 YY 型连接 仿真将分析频差 压差对系统稳定的影响 分别 设置频差为 1 5 10 时比较发电机的同步情况 并与发电机存在压差时进 行对比分析 仿真算法采用 ode45 对不同初始条件下的发电机并网过程进行仿真 并将发电机功率 转速 励磁电压 冲击电流等重要参数通过示波器显示 结果见第五章 8 5 5 仿真结果分析仿真结果分析 对不同初始条件下的发电机并网过程进行仿真 结果如图所示 只存在频差时的仿真结果 无频差时 1 00 20 40 60 811 21 41 61 82 4 3 2 1 0 1 2 3 4 t s i p u 为 为 为 为 图 6 频差 5 时 00 20 40 60 811 21 41 61 82 4 3 2 1 0 1 2 3 4 t s i p u 为 为 为 为 图 7 9 频差 10 00 20 40 60 811 21 41 61 82 4 3 2 1 0 1 2 3 4 t s i p u 为 为 为 为 图 8 当系统压差和相角差为零 频差也很小时 经过一个短暂 轻微的振荡过 程 系统可迅速将发电机拉入同步运行 几乎没有冲击电流 如图所示 当频 差为 5 时 经过一个较长时间的振荡过程 系统最后也可以将发电机拉入同步 运行 此时有一定的冲击电流 当频差较大时 如图 10 系统将一直处于振 荡状态 无法稳定 发电机将不能与系统实现同步运行 若此时并网则将存在 很大的冲击电流 电压存在相位差时并网仿真结果 图9 10 图10 如图所示 在0 8 秒并网时 从电压波形图可以看出发电机电压相位与电 网电压在0 8 秒前有一个相位差 在0 8 秒合闸时 发电机机组迅速投入运行 其电压与电网电压波形一致 说明并网成功 在0 8 秒并网时 发电机机组并 入电网运行 由于发电机电压与电网电压存在相位差 此时将并网瞬间的冲击 电流波形记录下来 观察冲击电流的变化 在0 8 秒并网前 电网电流非常小 在0 8 秒时发电机并入电网运行 冲击电流倍数 38000 6470 5 9 倍 可 见产生的冲击电流较大 存在压差的仿真结果 图 11 11 图 12 增大励磁电流 使机端电压升高 机端电压幅值大于电网电压幅值时 在1 2 秒时进行并网 如上图所示 在1 2 秒并网时 从电压波形图可以看出发电机 电如图所示 在1 2 秒并网时 发电机机组并入电网运行 由于发电机电压幅 值与电网电压幅值不相等 幅值相差较大 产生冲击电流倍数 54000 6470 8 3 倍 如图所示 冲击电流的电动力对发电机绕组产生影响 由于定子绕 组端部的机械强度最弱 所以须特别注意对它所造成的危害 由于并列作为运 行操作 冲击电流最大瞬时值限制在1 2倍为宜 无差并网仿真结果 12 图13 图14 如图所示 发电机在3 52 秒时 机端电压与电网电压幅值相同 机端电压 相位与电网电压相位相同 选择在此时刻进行并网 从图中可以看出发电机机 组迅速投入运行 说明并网成功 发电机在3 52 秒并网时 机端电压与电网电 压相位相同 幅值相同 产生冲击电流倍数 6500 6470 1 005 倍 说明在 满足并网运行条件时 发电机投入运行 产生的冲击电流较小 对电网不会造 成大的冲击 13 6 6 总结总结 发电机机组并入电网运行时 若发电机频率与电网频率不相等 电压幅值 不相等 相角差不为零 会产生很大的冲击电流 危机设备的安全 合闸后发 电机组不能迅速拉入同步运行 将导致电网运行的不良后果 所以实际中待并 入的发电机机组的调节系统应在上述三个条件得到满足的情况下才能进行并网 运行的操作 才不会对电网运行产生不良后果 用Simulink 建立电力系统模型 用仿真方法对三种常见情况下的发电机并 网运行进行了仿真分析 得到了电压波形与电流波形 这对于分析发电机并网 的工作状态和控制提供了帮助 使在现实中难以实现的试验通过软件得以直观 的展现 运用MATLAB 语言对电网并联运行操作进行仿真试验 可以起