实验2+故障分析报告实验学生版.docx

1、实验2+故障分析报告实验学生版l 实验 2 故障分析实验一、实验目的1、熟悉利用 Matlab/Simulink/PSB 建立电力系统仿真模型方法。2、理解掌握同步发电机突然短路的暂态过程。二、实验设备Matlab/Simulink/PSB三、实验原理同步发电机是电力系统中最重要和最复杂的元件，它由多个有磁耦合关系的绕组构成， 定子绕组同转子绕组之间还有相对运动，同步电机突然短路的暂态过程要比稳态对称运行 （包括稳态对称短路）时复杂得多。稳态对称运行时，电枢磁势的大小不随时间变化，而且 在空间以同步速度旋转， 它同转子没有相对运动， 因此不会在转子绕组中感应电流。 突然短 路时， 定子电流在数

2、值上发生急剧变化， 电枢反应磁通也随着变化， 并在转子绕组中产生感 应电流， 这种电流又反过来影响定子电流的变化。 定子和转子绕组电流的互相影响是同步电 机突然短路暂态过程的一个显著特点。1、同步发电机突然短路的暂态过程 下面的讨论均假设在暂态过程期间同步发电机保持同步转速以及在短路后励磁电压保持不变。在分析同步发电机突然三相短路暂态过程时， 可以利用替加原理， 这样同步发电机机端 突然短路相当于在发电机端口处突然加上了与电机短路前的端电压大小相等但方向相反的 二相电压：在定子绕组上突然加以对称的相电压后，为了保持其无源闭合电路的磁链不变， 在其定子绕组中将要引起相应的瞬变电流， 而且这些瞬变

3、电流还要按照一定的时间常数逐步 衰减至稳态值。当发电机突然短路时， 定子各绕组电流将包含基频分量、 倍频分量和直流分量。 到达稳 态后， 定子电流起始值中的直流分量和倍频分量将由其起始值衰减到零， 而基频分量则由其起始值衰减为相应的稳态值。同样，在转子绕组中也包含直流分量和同频率交流分量。引入衰减因子以后，定子电流的 d 轴和 q 轴分量分别为经过变换和整理，可得定子 a 相电流为转子绕组中的电流则有励磁电流的初始值为在前面几式中， xd、xq为定子绕组纵轴、横轴的同步电抗； xf 为纵轴绕组之间的电枢反映电抗； xad、 x aq为发电机转子纵轴、横轴的电抗； xD、 xQ表示 D、Q阻尼绕

4、组的电抗， xD为D阻尼绕组的漏抗； x d、x d分别为纵轴暂态电抗、 次暂态电抗； x q为横轴次暂态电抗； Eq、 E q分别为横轴暂态电势、次暂态电势； E d为纵轴次暂态电势； Eq0 、V0 为短路前瞬间的空 载电势、机端电压。2、对称三相短路考虑同步电机在同步频率下运行， 并且励磁不变。 电枢末端处发生三相短路时， 出现三 个电枢电流和一个励磁电流。假定电机为空载ia (0 ) ib(0 ) ic(0 )i0(0 ) id (0 ) iq(0 ) 0当电枢末端处发生三相短路时，有v0 vd vq 0 由于 i0=0 ，当发生三相短路时，转子参照系下的电机电压方程式为vdr00Lq

5、kM QidvF0rF000iF000rD00iDvqLdkM FkM Dr0iq00000rQiQ上述方程为状态空间形式，写成下面的紧凑形式为v Ri L d idt或者d i L 1Ri L 1 vdt 如果转速为常数，那么状态空间方程式是线性的，可以通过拉氏变换来求其解析解。然而， Matlab 具有强大的功能，可以模拟同步电机的矩阵形式的非线性微分方程式，若考虑转速 变化， 需要同步电机的动态方程式， 这是一个二阶微分方程即摆动方程。 摆动方程也可以写 成状态空间的形式， 如写成两个一阶微分方程。 由于转速的变化对故障后电流的瞬时值影响 很小，所以，这里可以忽略。求出直轴和交轴电流之后

6、，相电流就可以通过派克反变换求出iabc P i0dq由于 i0=0 可得相电流为Matlab 中提供两个 M文件，ode23和 ode45用来对微分方程求数值解， 用龙格库塔芬尔 格数值积分方法。 函数 ode23 求解中等精度的 2 阶和 3 阶的常微分方程组， 函数 ode45 求较 高精度的 4 阶和 5 阶常微分方程。3、不对称短路 同步电机的大多数故障类型为相间短路故障和单相接地短路故障， 分析这样的不平衡故障比 较困难。 d-q-0 模型对不平衡故障不是很适用，需要更进一步的转换。这样，最后的解析解 会很复杂，而且是近似解。（1）相间短路当 b 相和 c 相发生直接短路时， vb

7、=vc=0 和 ib=-ic由于 a相没有短路，且最初 a相空载，即 ia=0 ，因此i0 ia ib ic 0va=0vd sin vq cos 0id 2ib siniq 2ib cos直轴和交轴的电流的导数为00ib00iF0rQiDk MD cosk MQ siniQrFrD0k M F cos发生相间故障时 dq0-abc 量的电压方程为vF0002k M F cos2k M D cos2k M Q sin2r (Ld Lq )sin 22kM F sinLFMR0ib2kMD sinMRLD0diF2kMQ cos00LQdtiD2(Ld sin2 Lq cos2 )kM F si

8、nkM D sinkMQ cosiQ4、接地短路设同步发电机的相对地短路 va=0 ，短路前空载 ib=ic=0 ，一种求发电机电压方程的简便方法是用dq0-abc 量，结合短路条件和d-q-0 量的电感，得到相接地短路的电压方程式为0r 2 Lm sin2M F sinM D sinMQcosiavFM F sinrF00iF0M D sin0rD0iD0M Q cos00rQiQLs Lm cos2MF cos MD cos MQ sinQia aM F cosLFMR0diFMD cosMRLD0dtiDMQ sin00LQiQ其中四、实验内容1、同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算

9、 在已知发电机参数的情况下，可以利用 Matlab 对突然三相短路后的定子电流、转子电 流暂态过程表达式进行数值计算分析这样将有助于更好地理解短路的物理过程。假设一台有阻尼绕组同步发电机， PN=200MW，UN=13.8kV，fN=50Hz，xd=1.0，xq=0.6 ，x d=0.30 ，x d=0.21 ，x q=0.31 ，r=0.005 ，x f =0.18 ， x aD=0.1 ，x Q=0.25 ， T d0=5s， TD=2s ， Tq0=1.4s 。若发电机空载，端电压为额定电压， 端子突然发生三相短路， 且 0=0，利用 Matlab 对突然三相短路后的定子电流进行数值计算

10、的基本步骤如下：首先计算各衰减时间常数。T a=0.16s ，T d=0.72s ，T q=0.34s ，T d=1.64s 。由于空载时 Eq0 =E q0 =Eq0=V0 =1，Ed0=0， 0=0，则可得 a 相定子电流表达式为ia cos( t 0) 1.43e 2.97t cos( t 0) 2.34e0.608t cos( t 0)4e 6.3t cos( 0) 0.77e 6.3tcos(2 t 0)利用 Matlab 对上式进行数值计算并绘图的 m文件程序清单如下： %发电机出口空载短路计算曲线、仿真图绘制N=48;t1=(0:0.02/N:1.00);m=size(t1);

11、fai=0*pi/180;%空载短路全电流表达式 Ia=(-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-2.34*exp(-0.60 8*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)+.4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180)+0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*2*pi*50*t1+fai);%基频分量 Ia1=-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-2.34*exp(-0.60 8*t1).*

12、cos(2*pi*50*t1+fai);%倍频分量Ia2=0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*2*pi*50*t1+fai);%非周期分量Iap=4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180);subplot(4,1,1);plot(t1,Ia);grid on;axis(0 1 -10 10);ylabel(Ia(p.u.); subplot(4,1,2); plot(t1,Ia1); grid on;axis(0 1 -10 10); ylabel(Ia1(p.u.); subplot(4,1,3); plot(t1,Ia2);grid on;axis(0

13、1 -1 1); ylabel(Ia2(p.u.); subplot(4,1,4); plot(t1,Iap);grid on; axis(0 1 -10 10); ylabel(Iap(p.u.); xlabel(t/s);请根据以上程序绘制发电机端突然发生三相短路时的特征波形（ A 相定子电流 ，基频分量 、倍频分量 和非周期分量 的波形）。注： 当发电机端突然发生三相短路时，定子电流中的倍频分量是很小的 （ 在实用计算中常忽略不计 ） ，为了能够在图中表示清楚，将其纵坐标的值取为 -1 ，1 ，波形相应地被放大。2、同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真方法 针对以上的发电机参数，建立其

14、Matlab/Simulink 仿真模型如下图所示。在图中，同步发电机采用 p.u. 标准同步电机模块，根据前面的计算，设置同步发电机 采用 p.u. 标准同步电机模块参数。升压变压器 T 采用“ Three-phase transformer(Two Windings) ”模型，设置“Three-phase transformer(Two Windings) ”模型参数。由于同步发电机模块为电流源输出， 因此在其端口并联了一个有功功率为 5MW的负荷模块。仿真开始前， 要利用 Powergui 模块对电机进行初始化设置。 单击 Powergui 模块， 打开 潮流计算和电机初始化窗口， 设置参数如图下所示。 图中设定同步发电机为平衡节点 “ Swing