同步发电机的励磁建模Word文件下载.docx

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定子绕组：

（2.1）

（2.2）

励磁绕组：

（2.3）

阻尼绕组：

（2.4）

（2.5）

磁链方程：

（2.6）

（2.7）

（2.8）

（2.9）

（2.10）

其中，。

式中各物理量的定义为：

-负载电流d轴分量；

-负载电流q轴分量；

-励磁电流；

-机端电压d轴分量；

—机端电压q轴分量；

-励磁绕组电压；

-励磁绕组电阻；

-直轴阻尼绕组电流；

-交轴阻尼绕组电流；

-直轴电抗；

-直轴反应电抗；

-交轴电抗：

-交轴反应电抗；

-直轴阻尼绕组电抗；

-直轴阻尼绕组电阻；

-交轴阻尼绕组电抗；

-交轴阻尼绕组电阻：

-直轴磁链；

-交轴磁链；

-励磁绕组磁链；

-直轴阻尼绕组磁链；

-交轴阻尼绕组磁链。

若采用功率不变的坐标变换，并取定子额定相电压有效值和额定电流有效

值作为定子电压和电流的基值，它等于以单相额定功率为基准的电磁转矩标么

值的l／3，则以三相额定功率为基准的电磁转矩标么值方程为：

（2-12）

转子运动方程是同步发电机的又一个基本方程，它是按牛顿运动定律对转

子系统的动态描述。

全部用标么值表示的转子运动方程为：

（2-13）

式中为机械转矩，为阻尼转矩，D为阻尼系数，为同步电机转子惯性时间常数。

此外，还有一个运动方程是功角和转子电角速度之间的关系应满足下

式：

（2-14）

式（2.1）-（2.14）组成了同步电机的标准数学模型。

一单机对无穷大电力系统示意图及系统各元件参数如下：

|400KM|

P=200MVSn=inf

Un=13.8kVUn=220kV

系统各元件参数：

发电机：

Pn=200MVAUn=13.8kV

主变压器：

k=13.8/230Pn=210MVA

线路：

L=400km

无穷大系统：

Sn=infUn=220kV

4.1仿真模型的建立

各主要元件的选择和参数设置如下：

同步发电机参数设置：

发电机额定功率，Pn=200MVA；

发电机额定电压，Un=13.8kV；

发电机直轴同步电抗，（标幺值）Xd=1.81；

发电机直轴暂态电抗，（标幺值）Xd,=0.3；

发电机直轴超暂态电抗，（标幺值）Xd,,=0.23。

汽轮机及其调速系统参数设置：

汽轮机调节增益，Kp=3；

汽轮机初始机械功率（标幺值），），Pm=0.5；

励磁系统参数设置：

低通滤波器时间常数，Tt=0.02S；

励磁调节器增益，Ka=300；

励磁调节器时间常数，Ta=0.02S；

励磁机增益，Ke=1.0；

励磁机时间常数，Te=0.5S；

三相主变压器参数设置：

变压器额定功率，Pn=210MVA；

变压器额定电压，U1=13.8kV，U2=230kV。

输电线路参数设置：

正序电阻：

R1=0.1273Ω/km；

零序电阻：

R0=0.3864Ω/km；

正序电抗：

X1=0.9973（Ω/km）；

零序电抗：

X0=4.1264（Ω/km）；

线路长度：

L=400km。

电力系统分析元件设置：

电力系统分析元件是Matlab中分析电路和电力系统的工具，利用它可以完成系统稳态工作点的计算，仿真初始值的设置以及其他方面的系统时域分析。

其设置过程如下：

选择LoadFlowandMachineInitialization子菜单；

将发电机设置为PV节点发电机；

设置发电机的初始功率和端电压。

参数设置完毕后，程序自动算出系统的稳定运行工作点，同时计算出调速系统和励磁系统的初始值。

此时可以验证所建立的模型是否和实际系统运行情况相符合，如果计算的结果和实际情况有很大的误差，则需要考虑重新选择模型和设置参数。

图5.2转子角偏移量图5.3转子角速度

投入电力系统稳定器PSS，其它参数设置不变。

运行仿真，仿真结果见图。

（2）设置线路出口处发生三相接地短路，1.3s时切除故障，此时三相故障模块“切换时间”时间设置为[11.3]。

同时投入电力系统稳定器PSS。

选择ode23tb算法，运行仿真。

仿真结果见图；

6MATLAB建模和仿真分析

由于大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额（即加速功率Pm-Pe）是导致系统稳定破坏的主要原因，因此减少大扰动后发电机的加速功率差是首先考虑的措施。

在仿真图的基础上对提高电力系统暂态稳定性的一些有效措施，包括电力系统稳定器、快速切除故障、自适应单相自动重合闸等，进行仿真分析。

设置线路出口处发生短路故障作为对系统的大扰动，故障发生时间均为1s。

分别设置如下情况进行仿真：

（1）通过三相可变故障模块设置线路出口处发生三相接地短路，1.06s时切除故障，三相故障模块“切换时间”设置为【1,1.06】，并投入PSS。

转速：

图6.1转速图

功角：

图6.2功角图

（2）通过三相可变故障模块设置线路出口处发生三相接地短路，1.06s时切除故障，三相故障模块“切换时间”设置为【1,1.06】，不投入PSS，励磁模块直接接地。

转速：

图6.3转速图

图6.4功角图

（3）通过三相可变故障模块设置线路出口处发生三相接地短路，2.5s时切除故障，此时三相故障模块“切换时间”设置为【1,2】，同时投入PSS，选择ode23tb算法，运行仿真。

图6.5转速图

图6.6功角图

（4）通过三相可变故障模块设置线路出口处发生三相接地短路，2.5s时切除故障，此时三相故障模块“切换时间”设置为【1,2.5】，同时投入PSS，选择ode23tb算法，运行仿真。

图6.7转速图

图6.8功角图

（5）通过三相可变故障模块设置线路出口处发生单相接地短路，1.06s时切除故障，三相故障模块“切换时间”设置为【1,1.06】，不投入PSS。

将两个断路器“切换时间”设置为【1,2.06】。

观察单相自动重合闸对电力系统暂态稳定性的影响。

图6.9转速图

图6.10功角图

6仿真结果

下面通过几种情况的对比分析PSS,快速切除故障，单相自动重合闸分别对电力系统暂态稳定起到的作用。

（1）.验证PSS对提高电力系统暂态稳定的影响：

在发生短路故障后，发电机失去同步，转子角度差出现较大偏离，转子角速度发生波动。

有PSS的系统7s后转子角度差趋于恒定，发电机保持同步运行，此系统在此扰动下是暂态稳定的。

而没有PSS的系统，虽然系统最终也能稳定，但所用时间要比带PSS励磁调节的系统长，大概在11s后趋于稳定，当发生短路故障时，转子角度差发生大幅度摇摆，至少在10s内还未完成同步；

而转子角度呈下降趋势，并失去同步。

不带PSS励磁调节的系统，暂态稳定性不佳。

由此可见，带PSS励磁控制系统的电力系统，具有更好的暂态稳定性。

对于三相接地短路这样非常严重的故障形式,采用PSS可有效地增加系统的阻尼振荡效果,使系统迅速地趋向稳定。

（2）.验证快速切除故障提高电力系统暂态稳定性：

在系统附加PSS的大前提下,对比慢切除故障和快速切除故障的发电机运行指标的仿真运行结果,发现在

（1）的【1,1.06】区间快速切除时，在经历一定振荡后，转速大概6s后稳定，功角大概6.2s后稳定，系统可以暂态稳定；

在（3）把切除时间改为：

【1,2】后，转速大概8.5s后稳定，功角大概9.5s后稳定。

虽然推迟了稳定时间，但系统仍然能暂态稳定；

而在（4）中，当慢慢增加切除时间至【1,2.5】后，发现系统已经不能暂态稳定了。

可见系统的故障切除时间越长，系统越不容易稳定。

快速切除故障对于提高电力系统暂态稳定性有着决定性的作用。

（3）.（4）是对单项自动重合闸对电力系统暂态稳定的作用进行仿真。

和传统的单相重合闸不同,自适应重合闸不是盲目进行的,可在重合前判别单相接地短路故障的性质,若为永久性故障,则重合闭锁;

若为瞬时性故障,则重合进行。

若单相接地短路为瞬时性故障,重合成功可有效提高系统的暂态稳定性。

由于高压架空线路以发生瞬时性单相接地短路故障居多（占线路故障的70%~80%）,而一般重合闸的成功率可达90%以上,因此单相重合闸的使用可提高供电的可靠性和暂态稳定性。

本设计是瞬时性故障，重合可以进行。

本设计为了验证单相重合闸的作用，故设置为瞬时故障。

发现在不介入PSS的情况下，只调节断路器重合时间，转速大概11.5s后稳定，功角大概13s后稳定。

系统可以达到暂态稳定。

7．仿真结果分析

（1）.PSS的加入极大的提高了电力系统暂态稳定性。

有PSS的系统能够很快达到系统的暂态稳定。

没有PSS的系统虽然最后有可能也达到暂态稳定，但是需要的时间比有PSS的系统多很多。

甚至可能在很长时间后，仍然不能稳定。

（2）.快速切除故障：

可以看出短路期间，发电机输送电磁功率的能力降低。

切除故障后发电机输送电磁功率的能力得到提高，减少了发电机机械功率和电磁功率的差额，有利于系统的暂态稳定性。

故障的快速切除缩短了故障持续时间，从功-角的仿真图可以看出，快速切除故障减小了加速面积，增加了减速面积，从而提高了发电机之间并联运行的稳定性。

另一方面，快速切除故障也可以使负荷中的电动机端电压迅速回升，减小电动机失速和停顿的危险，提高负荷的稳定性。

越短时间切除故障，转子所要消耗的能量就会越少，这样系统就会越早的进入稳定状态。

如果切除时间超过了极限切除时间，发电机就会和无限大电源失去同步，发电机失去同步以后，电磁功率振荡越来越快，这说明发电机的转子的旋转速度越来越快。

故快速切除故障是提高暂态稳定性的措施之一。

（3）.自动重合闸：

电力系统的故障特别是高压输电线路的故障大多是短路故障，而这些短路故障大多是暂时性的。

因此采用自动重合闸装置，在发生故障的线路上，先切除线路，经过一定时间再合上断路器，如果故障消失则重合闸成功。

实践表明：

重合闸的成功率是很高的，可达90%以上。

重合闸措施可以提高供电的可靠性，对于提高系统的暂态稳定性有明显作用。

由以上仿真结果发现，重合闸动作越快对稳定越有利。

特高压输电线路的故障大多是单相接地故障，故本设计重再仿真单相接地故障，故采用的是单相自动重合闸。

单相重合闸装置在切除故障相后经过一段时间再将该相重合，由于切除的是故障相而不是三相，从切除故障相到重合闸前一段时间里，即使只有