【《基于MATLAB-SIMULINK的同步发电机三相短路暂态仿真研究》7900字】

基于MATLAB-SIMULINK的同步发电机三相短路暂态仿真研究目录TOC\o"1-3"\h\u119501.1短路故障对电力系统的影响 3111721.2课题研究的主要内容 3228021.3研究目的及意义 4158792.1同步发电机的简介 4309432.2同步发电机的基本工作原理 5215773同步发电机三相短路暂态过程介绍 652413.1同步稳压发电机实现三相交流短路暂态过程的基本特点 6200053.2定子转子电流的计算 668113.3同步交流发电机三相短路暂态过程的影响分析 7205374MATLAB软件介绍 920664.1MATLAB/SIMULINK软件介绍 964914.2模块应用介绍 912853（1）模块-常数发生器 9235465.1关于同步发电机三相短路的电路模型 10128935.1.1系统图及仿真电路图 10251015.1.2模块参数设置 11288365.2三相短路电流发生在同步发电机机端时波形的仿真分析 1823915.2.1A相电流波形仿真分析 18229245.2.2仿真分析-B相电流波形 1989495.2.3仿真分析-C相电流波形 19158275.2.4三相电流理论分析与仿真结果的对比 19226195.3同步发电机端三相短路电压的波形仿真分析 205640仿真分析-A相电压波形 202340仿真分析-B相电压波形 2028567仿真分析-C相电压波形 2128763三相电压理论结算与仿真结果的对比 21141825.4同步发电机定子电流的的变化 2154255.4.1同步发电机定子绕组id电流的变化 21302715.4.2关于同步发电机定子绕组iq的电流的变化 22271915.4.3关于同步发电机定子绕组a相电流的变化 23301035.4.4关于同步发电机定子绕组b相电流的变化 23224215.4.5关于同步发电机定子绕组c相电流的变化 23141895.4.6关于同步发电机定子绕组三相电流的变化 2340605.4.7关于同步发电机励磁电流if的变化 24169906同步发电机非对称短路的暂态仿真与分析 24195426.1单相B相接地短路 2428526.1.1仿真分析-三相电流波形 24135816.1.2仿真分析-三相电压波形 25202316.2B、C相相间短路 2566276.2.1仿真分析-三相电流波形 2538736.2.2仿真分析-三相电压波形 2634286.3B、C相短路接地 2667436.3.1仿真分析-三相电流波形 26141436.3.2仿真分析-三相电压波形 2717519参考文献: 27摘要：电网发生短路故障时，会导致电气设备无法稳定运行。本文深入研究了同步发电机的内部构造以及工作原理，并详细分析了其三相短路暂态的全周期生命状态。得到了其电压电流在各个状态下的变化规律。通过软件MATLAB/SIMULINK对其三相电流短路暂态进行模拟，同时生成自动化仿真模型，并设置模块参数。仿真出来的波形与理论分析的结果基本相似，为电网保护和安全设计提供了数据。关键词：MATLAB/SIMULINK；三相短路；暂态1概述1.1短路故障对电力系统的影响（1）短路故障发生时，电压随之骤降，从而危及到系统的正常工作状态并产生极大负荷。主要是对电动机的转速影响很大，比如电压降低时，电动机转速降低，不能工作在正常的速率。严重时就会无法转动，电动机就会卡死，烧毁，或者报废REF_Ref22883\w\h[1]。（2）短路最严重的后果是造成大面积的停电。具体情况是同步发电机可能会失去同步运行的状态，系统不再是原来的正常运行，失去了稳定性，导致大范围停电[2]。（3）当电路短路的状态下，回路对交流电的阻碍作用会大大减少，如果在发电机周围出现，冲击电流会骤增，当流经电气设备时，其温度往往升高。如果能促进热老化的发生，将故障瞬间切除可能不会对电器造成太大影响，但如果短路故障始终存在，电器就会始终处于高温状态，从而损害电器的使用寿命，甚至损坏电器。1.2课题研究的主要内容（1）收集并阅读资料，学习同步发电机的三相短路暂态，熟悉发电机构造及其工作全状态，并能使用电路变化规律和原理完成设计。（2）对本设计的系统仿真电路图中，详细说明了本设计用到的各个电气元件，对仿真电路图中各个元件以及参数进行了合理科学的选择。（3）各个元件的参数以电路需要选取，进行仿真，在示波器中观察励磁，转速，电流，电压的波形。（4）由以上思路为导向，设计出同步发电机三相短路暂态仿真分析的实现方案.三相短路在故障中是一个经典性问题，本次选取它为研究对象，为探究其他故障积累了经验，提供了可行性思路。通过学习和使用MATLAB/SIMULINK软件模拟仿真同步发电机三相短路的暂态过程，找到电压和电流波形的变化，体会它们的不同，找出正确的结论。进而给人们以实际可靠的参考数据来研究和创造安全设备，以此来降低对电路以及元件的损害。1.3研究目的及意义从仿真结果可以更直观地看到瞬态过程中定子和转子绕组电流各分量的波形，从而更清晰地识别同步发电机的三相短路瞬态过程。用MATLAB软件计算能力和电力系统模型对同步发电机建模和仿真。通过建立同步发电机系统的MATLAB仿真模型，对其静、瞬态特性、励磁机和调速器进行了探究，探究它们的参数对发动机带来的影响，从而明确了电机构造和内部电磁的联系。与此同时，无论是同步高压发电机驱动系统的参数的分析设计，还是故障的处理、以及保证设备安全工作等方面，模拟仿真出结果起着非常重要的指导作用。2同步发电机的理论分析2.1同步发电机的简介同步发电机的结构错综复杂。就电磁关系来说，其由大量的耦合电子线圈元件构成，且它们都具有不同的电磁特性，如图1所示。为满足设计需要，人们往往对同步机作以下假设:（1）将同步发电机视为线性元件。（2）同步发电机转子在水平方向和竖直方向轴上对称。（3）三相绕组具有完全相同和完美对称的abc定子，在空间上相位互差120°。（4）定子周围均匀分布着定子绕组。上面所描述的同步发电机现实中并不存在，其是一个理想模型。通过它可以分析和探索同步发电机的种种性能REF_Ref4845\w\h[2]。图1同步发电机各绕组轴线图主要部件（1）定子：定子有定子线圈，铁芯，外壳等部分，定子线圈感应电势输出电能，铁芯提供磁路，外壳提供保护。（2）转子：转子有线圈和铁芯及滑环，转子线圈用于励磁，铁芯提供磁路和转轴，滑环和电刷构成动静结合，转子外部还有励磁控制部分，用于励磁和控制发电机输出电压。同步发电机阻尼绕组如图2，阻尼绕组由大量铜条嵌入磁极表面而成，铜条各端由短路环顺次相连REF_Ref5018\w\h[3]。图2同步发电机减震线圈2.2同步发电机的基本工作原理（1）原动机拖动转子旋转。（2）经由机械转子直流驱动磁场通入直流励磁内后即可产生一个相对恒定的直流驱动磁场，随直流驱动机械转子的高速旋转方向运动即可形成直流驱动机械旋转磁场。（3）电枢绕组切割转子旋转磁场感应电动势。3同步发电机三相短路暂态过程介绍3.1同步稳压发电机实现三相交流短路暂态过程的基本特点同步发电机的电势在短路瞬间的暂态过程中是处在一个快速变化的状态。它的端电压一直在变化，内部阻抗也是一个非零值。因此，对于同步发电机的短路的问题，其关键一步在于处理其内部暂态过程。由于转子的转动惯量很大，故短路的瞬间状态下，一般频率是不产生变动的REF_Ref5152\w\h[4]。这样的话，探究短路暂态过程，考虑同步发电机内部的电磁暂态过程就可以。3.2定子转子电流的计算在短路暂态过程中，因为定子和转子的各个绕组都含有电阻，就会使其产生的自由电流分量逐渐衰减到零。每个自由分量的衰减快慢由每个绕组的时间常数T=L/R[8]所决定。时间常数的负-1/T逆指的是绕组瞬态过程的微分方程的根。短路时绕组磁通不能改变。定子自由驱动电流的直流驱动分量、倍频驱动分量以及控制转子自由电流的基频驱动分量的衰减速度由励磁驱动绕组的时间常数决定。时间常数可表示为。式中，为定子绕组电阻，。计算时电抗和电阻须用标幺值，单位为SREF_Ref5273\w\h[5]。用下图3等值电路，可以求得图3求解的等值电路忽略静态短路电流的条件下，全部的自由分量遵循指数规律慢慢减小到零。考虑到自由电流，励磁绕组与定子a相绕组的短路电流公式如下（1）（2）3.3同步交流发电机三相短路暂态过程的影响分析在稳态正常工作运行中，由同步驱动发电机的定子励磁机对励磁驱动绕组每个端子施加一定恒压QUOTE,流经端子中的直流电流量记为，它在一个定子侧驱动产生的总磁链则记为QUOTE，其中一部分的总磁链为QUOTE仅与励磁绕组相连，即励磁绕组的漏磁链；另一部分的总磁链QUOTE经空隙进入一个定子，恰巧与其绕组交联，成为同步发电机的工作磁链（或空载磁链）REF_Ref5374\w\h[6]。转子同步作加速转动，被固定在定子中的绕组切断，且此供电绕组可感应到转子产生的空载电势。定子三相绕组中的电流产生的磁场在气隙中成为恒定的旋转磁场，并与转子同速旋转。其中只与定子绕组交链的部分成为定子绕组的漏磁链QUOTE；经空气隙进入转子并与转子绕组交链的的部分称为电枢反映磁链。电枢反应磁链通常情况下可分解成纵轴和水平轴电枢反映磁链，分别由QUOTE和QUOTE两个分量表示REF_Ref5472\w\h[7]。同步发电机静态工作的磁链分解如如4所示。（a）(b)图4同步发电机稳定运行时的磁链分解图（a)纵轴方向(b)横轴方向同步发电机的端口往往会发生三相短路，出现故障时，发电机的外阻抗会减少，进而导致通过定子绕组的电流量升高，定子绕组电枢反应通量也会增大，内部的电磁平衡将不复存在，失去原来的平衡状态。然而，当突变发生时，新的磁链将出现在任何电机绕组中。根据磁通守恒定律，在维持自身磁链稳定的情况下，产生一个新的磁链及对应的电流分量REF_Ref5567\w\h[8]。在电枢响应磁链增大引起定子电流的增大的情况下，励磁绕组的磁链反而减小，基频电流量随之升高，就让原磁链出现一个直流增量QUOTE，可直接引起运行中的电磁链的容量增加，然后无负载电动势继续增大，基频电流增量持续在定子中产生。相应地，可以向定子供电绕组添加新的基频电流分量QUOTE。QUOTE随QUOTE的产生而产生，由于缺乏外部电源补充，故它们都是自由电流分量。假设各绕组电阻为零，那么在短路情况下，全部会定格在短路瞬间的数值。实际情况下，由于电阻的存在，QUOTE将随QUOTE以定子绕组短接时，励磁绕组的时间常数QUOTE按指数分布衰减至零REF_Ref5701\w\h[9]。图5显示了定子和转子绕组中的各种电流分量与它们的关系。图5定子与转子电流相互关系的示意图4MATLAB软件介绍4.1MATLAB/SIMULINK软件介绍科学计算语言有MATLAB，MAPLE，MATHMATICAL,MATHCA等。而在它们当中，MATLAB有不少脱颖而出的优点：计算能力强；有许多常用公式；实时运算效率高；和Proteus，keil等软件相比，编程量非常非常少，而且功能更加丰富多样[17]。MATLAB在自动控制的大背景下得以大量使用，利用对操作模块的设计和操作中表达式的精确计算，能够对操控系统的仿真成功[18]。MATLAB依仗其有力科学运算功能和各式各样的组件库，在众多领域受到了人们的青睐REF_Ref5799\w\h[10]。本设计在MATLAB的元件库Simulink进行仿真分析，主要用的元器件来源于SIMPOWERSYSTEMS中的电气元件。4.2模块应用介绍（1）模块-常数发生器找到SimulinkLibraryBrowser的Simulink然后在CommonlyUsedBlocks中选用常数发生器（Constant），常数值默认，解释矢量参数设为1-D。采样时间为默认值。（2）模块-同步发电机单击SimulinkLibraryBrowser，进入SimPowerSystems，然后选择Machines中的标准同步电机元件（SynchronousMachinepustandrad），默认额定容量为60kVA，线电压400v，频率50Hz。直轴双向同步电抗能力Xd、轴瞬态同步电抗能力Xd’、直轴双向超瞬态同步电抗Xd”、交轴同步电抗Xq、交轴超瞬态电抗Xq”、负序电抗的标幺值分别为2.24、0.17、0.12、1.02、0.13、0.08。各种时间常数分别为0.012、0.003、0.003，定子绕组阻抗为0.037875。（3）模块-电压、电流测量进入SimulinkLibraryBrowser中单击SimPowerSystems，在Machines中选择一个电压电流测量元件（Three-PhaseV-IMeasuremen）。（4）模块-故障发生器SimulinkLibraryBrowser中选择SimPowerSystems，其中有一个三相电源故障信号发生器（Three-PhaseFault），原始转换状态为0，默认为三相电源短路故障，转换停止时间分别为1/60、5/60，短路瞬态电阻0.001，接地瞬态电阻0.01，缓冲电阻10kΩ。（5）模块-三相并联RLC负载单击SimulinkLibraryBrowser选择SimPowerSystems，该SimPowerSystems内有一个Elements，可以在其中找到三相并联RLC负载元件（3—PhaseParallelRLCLoad）。连接电路接地的工作方式为星型接地，相应的工作相电压1000V,默认接地工作频率60Hz，有功功率容量1000W，感性无功功率100var，容性无功功率100var。（6）模块-选择器元件单击SimulinkLibraryBrowser选择DSPSystemsToolBox，该DSPSystemsToolBox内有一个Indexing然后再选择Selector，观察C相电流。然后在Index中依次输入1、2、3分别观察A、B、C三相电压或电流。（7）模块-信号采集对定转子电流，励磁电流分别采集，然后进行测量。（8）模块-三相变压器单击SimulinkLibraryBrowser选择SimPowerSystems，在它之中找到Elements，并在其中选择三相变压器元件（3—PhaseTransformer）。连接方式为星型接地，额定容量210MVA,频率50Hz，一次侧电压，电阻，感抗标幺值分别为13.8e3、0.0027、0.08,二次侧为230e30.00270.08。5关于同步发电机三相短路暂态过程的仿真分析5.1关于同步发电机三相短路的电路模型5.1.1系统图及仿真电路图本设计基于同步发电机带负荷运行，对发电机进行三相短路的仿真，得到了机端电压、电流的波形变化，并对系统进行了分析REF_Ref5920\w\h[11]。图7为系统图。图7同步发电机机端短路的示意图图8显示了系统模拟电路路图8模拟电路图5.1.2模块参数设置（1）参数设置-常数发生器模块常数发生器（Constant）参考数值设置如下见图9（a）(b)所示REF_Ref6057\w\h[12]。（a）(b)图9常数发生器参数设置（a）(b)(2)参数设置-同步发电机模块简化的同步电机控制元件（SimplifiedSynchronousMachineSIUnits）参考数值和设置过程如下见图10所示：接线方式是三相星型[22]。图10同步发电机的参考数值设置（3）参数设置-电压、电流测量模块电压电流测量元件（Three-PhaseV-IMeasuremen）参考数值设置如图11所示：其电压测量的为三相对地电压，电流测量的为三相电流。图11电压—电流测量元件参数设置（4）参数设置-故障发生器模块三相缓冲故障信号发生器（Three-PhaseFault）参考数值设置在图12：其故障类型为三相接地短路故障，转换状态原始参数为0，转换时间为设置为0.02，即0.02秒出故障，缓冲接地电阻和三项缓冲接地电容都应采取无穷大。图12故障发生器参考数值设置(5)参数设置-三相并联RLC负载模块三相并联RLC负载元件（3—PhaseParallelRLCLoad）参考数值设置如图13所示：接线方式为星型接地。图13三相并联RLC参数设置(6)参数设置-选择器元件模块在Selector中选择C相电流，对其进行观察,参考数值设置如图14所示：然后在Index中依次输入1、2、3分别观察A、B、C的三相电压或电流。图14选择器参数设置(7)信号采集模块参数设置参数设置如下图15，分别采集定转子电流，励磁电流进行测量。（a)(b)图15信号采集模块设置(8)三相变压器参数设置三相变压器参数设置如图16。 图16三相变压器的参考数值设置(9)关于仿真的参考数值设置在电路图选择栏点击仿真同步按钮，就会出现参数选择处理框，在此把同步时间设定为0.0-1.0s，如下见图17所示：仿真同步开始时间为0.0s，结束时间为1.0s,变换同步长度模式解法器选择ode15s（stiff/NDF）。图17仿真参数设置5.2三相短路电流发生在同步发电机机端时波形的仿真分析5.2.1A相电流波形仿真分析发电机的终端电源A相三相电流短波形如仪表图18所示，故障信号发生器在0.02秒时发生三相电流短路。图18发电机端A相电流的波形图5.2.2仿真分析-B相电流波形发电机驱动端B相电流短波形如仪表图19所示，同发电机端A相相同，在0.02秒时发生电流短路。图19发电机端B相电流的波形图5.2.3仿真分析-C相电流波形发电机端C相三相电流波形如仪表图20所示，同发电机端A、B相相同，都是在0.02秒时发生电流短路。图20发电机端C相电流的波形图5.2.4三相电流理论分析与仿真结果的对比图21显示了A相、B相、C相电流波形。在下文中出现的三相的波形图中，实线代表A相，紫曲线代表B相，蓝色曲线代表C相。图21三相电流模拟波形图如前文所述，在0.02秒钟时三相电流短路，三相A相电流波形先向上隆起，然后慢慢降低；B相电流波形先降低，然后慢慢升高；C相电流波形先降低，然后逐渐升高；三相幅值有效值基本没有差别，相位差还是120°。5.3同步发电机端三相短路电压的波形仿真分析仿真分析-A相电压波形短路时A相交流电压的波形如图22，0.02秒钟时三相短路故障，电压为零。图22A相电压的波形图仿真分析-B相电压波形 短路时B相交流电压的波形如图23所示，0.02秒钟时发生三相短路故障，电压为零。图23B相电压的波形图仿真分析-C相电压波形短路时c相的电压波形如图24所示，0.02秒发生三相短路故障，电压为零。图24C相电压的波形图三相电压理论结算与仿真结果的对比图25是三相电压波形图,0.02秒发生三相短路故障，三相电压均为零,相位相差120°。图25A、B、C三相电压波形图5.4同步发电机定子电流的的变化5.4.1同步发电机定子绕组id电流的变化当电力系统网络中出现三相短路和其他广泛干扰时，发生很大变化的是电磁参数，它会影响系统的运行状态。但是发电机主控运动有着特别大的惯性，发电机的机械功率不易改变，发电机的电磁功率会反反复复的变化，导致定子电流的振荡[23]。同步发电机定子电流iq的波形变化如图26所示。图26发电机定子电流id的波形变化图5.4.2关于同步发电机定子绕组iq的电流的变化同步发电机定子电流iq波形变化图如图27所示。图27发电机定子电流id的波形变化图5.4.3关于同步发电机定子绕组a相电流的变化图28发电机定子电流ia的波形变化图5.4.4关于同步发电机定子绕组b相电流的变化图29发电机定子电流ib波形变化图5.4.5关于同步发电机定子绕组c相电流的变化图30发电机定子的电流ic波形变化图5.4.6关于同步发电机定子绕组三相电流的变化图31发电机定子绕组的电流波形变化图5.4.7关于同步发电机励磁电流if的变化图32发电机励磁if电流波形变化图6同步发电机非对称短路的暂态仿真与分析6.1单相B相接地短路本文对同步发电机三相短路的研究在四种短路中是最全面的，以下是对其他三种常见短路故障的仿真分析。第一种是单相接地短路，用B相接地短路来分析[32]。6.1.1仿真分析-三相电流波形当只有B相独自接地时，A相和C相为非故障相。因此，B相的电流在稳定状态下为正弦规律，振幅为1400A。0.05s发生故障时，B相电流先升后降，幅值一度涨至1800A。在0.4s处理完故障后，B相电流继续进行稳定正弦工作。然而，A、C非故障相的电流总是呈定幅稳定正弦规律。图33显示了三相电流波形的模拟图。图33B相单相接地短路时的电流波形图6.1.2仿真分析-三相电压波形 正常运行情况下，三相电流对称且模拟正弦函数进行波动，当B相独自接地时，A相和C相是无故障的。因此，B相的电流在稳定状态下为正弦规律。0.05s发生故障时，B相电压为零，在0.4s处理完故障后，B相电流继续进行稳定正弦工作。然而，A、C非故障相的电流总是呈定幅稳定正弦规律。图34中显示了三相电流波形的模拟图。图34B相单相接地短路时的电压波形图6.2B、C相相间短路6.2.1仿真分析-三相电流波形正常运行情况下，三相电流对称且模拟正弦函数进行波动，振幅为1400A，当BC两相短路时，A相为非故障相。因此，A相的电流在稳定状态下为正弦规律，振幅为1400A。发生故障时，B、C相电流都是先升后降，B相幅值一度涨至-2600A，C相幅值一度涨至-1900A，在处理完故障后，继续进行稳定正弦工作。图35中显示了三相电流波形的模拟图。图35B、C相短路时的电流波形图6.2.2仿真分析-三相电压波形正常运行情况下，三相电流对称且模拟正弦函数进行波动，当B、C相短路时，A相是无故障相。因此，A相的电流在稳定状态下为正弦规律。发生故障时，B、C相电压相等，缩减为原来的二分之一；在处理完故障后，