電力系統(tǒng)自動(dòng)化課設(shè)-發(fā)電機(jī)并網(wǎng)

1、電力系統(tǒng)自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立與并網(wǎng)過程的仿真分析專業(yè)班級：電氣0802班姓名： 吳彥亨學(xué)號： 指導(dǎo)老師：孫妙平 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立與并網(wǎng)過程的仿真分析三相同步發(fā)電機(jī)是常用的交流發(fā)電機(jī)，但是單一的1臺(tái)三相同步發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)供電有明顯的缺點(diǎn)：1)不能保證供電質(zhì)量(電壓和頻率的穩(wěn)定性)和可靠性(發(fā)生故障就得停電)；(2)無法實(shí)現(xiàn)供電的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。這些缺點(diǎn)可以通過多臺(tái)三相同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)來改善。通過并聯(lián)可將幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)或幾個(gè)發(fā)電站并成一個(gè)電網(wǎng)。現(xiàn)代發(fā)電廠中都是把幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)起來接在共同的匯流排上一個(gè)地區(qū)總是有好幾個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)起來組成一個(gè)強(qiáng)大的電力系統(tǒng)。電網(wǎng)供電比單機(jī)供電有許多優(yōu)

2、點(diǎn)：1)提高了供電的可靠性，1臺(tái)電機(jī)發(fā)生故障或定期檢修不會(huì)引起停電事故。2)提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，例如水電廠與火電廠并聯(lián)時(shí)，在枯水期和旺水期，兩種電廠可以調(diào)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?？梢造`活地決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，提高了發(fā)電效率和供電靈活性。3)提高了供電質(zhì)量，電網(wǎng)的容量巨大，單臺(tái)發(fā)電機(jī)的投入與停機(jī)，個(gè)別負(fù)載的變化，對電網(wǎng)的影響甚微，衡量供電質(zhì)量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，經(jīng)常需要把同步發(fā)電機(jī)投入到電力系統(tǒng)上去進(jìn)行并列運(yùn)行，把同步發(fā)電機(jī)投入電力系統(tǒng)作并列運(yùn)行的操作稱為并網(wǎng)操作。發(fā)電機(jī)組應(yīng)當(dāng)安眾可靠、準(zhǔn)確快速地投入電網(wǎng)，確保系統(tǒng)的可

3、靠、經(jīng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)要求滿足準(zhǔn)同期條件，并網(wǎng)要求準(zhǔn)確、快速。準(zhǔn)確可以保障安全和減少對發(fā)電機(jī)并網(wǎng)引起的沖擊，而快速則能夠減小發(fā)電機(jī)的空轉(zhuǎn)損耗。隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展和數(shù)字技術(shù)的迅猛進(jìn)步，研制使用能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的智能儀器已成為發(fā)電廠技術(shù)革新和自動(dòng)化改造的重要課題。本文探討了發(fā)電機(jī)安全并入電網(wǎng)所需的條件，并對并網(wǎng)模型進(jìn)行了建立，借助工程計(jì)算軟件MATLAB強(qiáng)大的繪圖功能對不同條件下的并網(wǎng)過程進(jìn)行了仿真分析，從而得出了一些重要的結(jié)論。這些結(jié)論為自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的研制提供了理論根據(jù)。目錄第一章 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析41、1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件41、2發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)時(shí)的沖擊電流41、3 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件的分析51

4、.3.1電壓相位差分析51.3.2初相位差分析61.3.3頻率滑差分析81.3.4電壓幅值差分析81.4 分析結(jié)論9第二章 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立10第三章 并網(wǎng)過程仿真113.1 UGUX113.2 存在頻率滑差123.3 存在相位差133.4 理論分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果的比較13【參考文獻(xiàn)】14第一章 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件分析1、1 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，若要減小電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)組成的回路內(nèi)產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊電流，必須保證發(fā)電機(jī)的電壓與電網(wǎng)電壓在并網(wǎng)的瞬時(shí)相等，由此得出發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的理想條件：（1）雙方應(yīng)有一致的相序；（2）雙方應(yīng)有相等的電壓的有效值；（3）雙方應(yīng)有同樣或者十分接近的頻率和相位。在以上

5、3個(gè)條件中，相序一致是必須滿足的，而其他兩個(gè)條件要盡量滿足。1、2發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)時(shí)的沖擊電流發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器通過斷路器與電力系統(tǒng)并網(wǎng)(見圖1)。因并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)處空載狀態(tài)，故轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的在定子繞組的磁鏈為。，在定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢為。設(shè)在Q主觸頭瞬間和的相角差為。可見，在方向上，電壓差分量為，產(chǎn)生的沖擊電流周期分量有效值為： 在d軸方向上，電壓差分量為，產(chǎn)生的沖擊電流周期分量有效值為 顯然，流過發(fā)電機(jī)的沖擊電流為上述兩部分的相量和，得到的沖擊電流周期分量的有效值為由上式可見，當(dāng)時(shí)，有較小的數(shù)值，再有，則；當(dāng)，有最大值。顯然，與不等時(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)均會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。1、3 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件的分析設(shè)發(fā)電

6、機(jī)A相瞬時(shí)電壓為： (1)電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓為： (2)存在電壓差和頻差的情況下，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的瞬時(shí)電壓差應(yīng)該由下式描述： (3)該瞬時(shí)電壓差就稱之為電壓滑差。并網(wǎng)時(shí)沖擊電流的大小就決定于此電壓滑差。本文將借助工程計(jì)算軟件MATLB強(qiáng)大的繪圖功能詳細(xì)討論相位差、電壓差和頻率差對滑差的影響。下面就分析在滿足相序一致條件下，其他兩個(gè)條件未滿足時(shí)對同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的影響。1.3.1電壓相位差分析假定發(fā)電機(jī)的電壓和電網(wǎng)的電壓相同，即，則式3變?yōu)椋?（4）由式(4)可知：電壓滑差是由一個(gè)高頻余弦波分量和一個(gè)低頻正弦波分量調(diào)制而成。它的包絡(luò)線反映了低頻正弦波分量的特點(diǎn)。低頻正弦波的相位： （5）正好是和的

7、相位差的一半，因而相位差的變化趨勢與電壓滑差包絡(luò)線的變化趨勢是一致的。當(dāng)時(shí)， ，電壓滑差u =0，即在相位差為零的地方，電壓滑差包絡(luò)線通過零點(diǎn)；而當(dāng)時(shí)，電壓滑差包絡(luò)線達(dá)到最大值。顯然，如果控制發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)開關(guān)在電壓滑差包絡(luò)線過零的瞬時(shí)閉合，將不會(huì)有任何沖擊。也就是說，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的理想位置是在電壓滑差包絡(luò)線的過零點(diǎn)。將式（4）帶入具體的數(shù)值利用MATLAB繪制的波形，其結(jié)果如下圖。從下圖可以看出滑差波形是一個(gè)調(diào)制波，它的包絡(luò)線決定于低頻正弦波分量。1.3.2初相位差分析根據(jù)式(4)，滑差的低頻正弦波分量的角頻率為?？梢姡畎j(luò)線的變化頻率正好是和的一半，如果的和頻差為0，則式（4）變?yōu)椋?（6

8、） 式(6)說明，當(dāng)頻差為零時(shí)，和的相位差成為一個(gè)定值，如果初相同。則式(6)恒等于零。這正是發(fā)電機(jī)并網(wǎng)所要求的理想情況，在此條件下，任意時(shí)刻將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)都不會(huì)有任何沖擊，因?yàn)殡妷夯詈銥?，說明電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)電壓在任何時(shí)候都相同。但是如果和的初相不相同，即，則電壓滑差只有高頻余弦波分量，其包絡(luò)線是兩條平行直線，不存在任何過零點(diǎn)。在這種情況下，發(fā)電機(jī)在任何位置并網(wǎng)都會(huì)帶來沖擊，沖擊大小由 的大小來決定，若越接近零，則沖擊越小。正因?yàn)殡娋W(wǎng)和發(fā)電機(jī)電壓存在著同頻時(shí)可能不同相的情況，所以實(shí)際并網(wǎng)總是在電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)不同頻時(shí)進(jìn)行的。將式（4）帶入具體的數(shù)值利用MATLAB繪制 電壓滑差的波形如圖1-

9、2如示： 圖1-21.3.3頻率滑差分析根據(jù)式(4)，滑差的低頻正弦波分量的角頻率為?？梢?，滑差包絡(luò)線的變化頻率正好是和的一半，如果的和頻差為0，則式（4）變?yōu)椋?（7）從式(4)和圖l中可以看到，如果存在一定的頻差，滑差包絡(luò)線將會(huì)周期性地變化，并且周期性地通過零點(diǎn)，我們稱該變化周期為滑差周期。對于式(7)，帶入不同的頻差值，利用MATLAB繪制出電壓滑差波形如圖1-3所示。圖1-31.3.4電壓幅值差分析以上討論，都是在發(fā)電機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓相同的條件下完成的。如果電壓不相同，而是存在差值，即，如果同步發(fā)電機(jī)的電壓的有效值與電網(wǎng)電壓的有效值不相等，從式(1)可以看出即使同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓

10、的頻率與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的頻率相等，同步發(fā)電機(jī)A相的瞬時(shí)電壓的初相位與電網(wǎng)A相瞬時(shí)電壓的初相位也相等。滑差u0。對于式（3），在MATLAB中繪制出,頻率滑差，初相位相同的情況下，電壓滑差的波形如圖1-4所示：圖1-4 從圖中可見發(fā)電機(jī)電壓跟電網(wǎng)電壓存在電壓差時(shí)，電壓滑差只有最小值而沒有過零點(diǎn)，所以無論何時(shí)合閘都存在沖擊電流。1.4 分析結(jié)論(1)在一定的頻差下，電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)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。(2)控制發(fā)電機(jī)斷路器在相位差過零的瞬時(shí)閉合，可以保證發(fā)電機(jī)能夠平滑地并入電網(wǎng)。(3)初相位不同，電壓幅值和頻差相同，發(fā)電機(jī)在任何位置并網(wǎng)都會(huì)帶來沖擊，沖

11、擊大小由決定，所以實(shí)際并網(wǎng)總是在電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)不同頻時(shí)進(jìn)行的。(4)在相位差過零點(diǎn)并網(wǎng)時(shí)沖擊的大小取決于此時(shí)電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電壓差，電壓差越大，沖擊越大，電壓差為零，則沒有沖擊。第二章 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型的建立畫出并網(wǎng)模型圖2-1發(fā)電機(jī)并網(wǎng)模型第三章 并網(wǎng)過程仿真3.1 UGUX 當(dāng)發(fā)電機(jī)端壓UG與無窮大電源電壓UX不相等時(shí)，而頻率相同，初相位相同時(shí)，對其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3-1。三個(gè)波形依次為發(fā)電機(jī)端子A相電壓，無窮大系統(tǒng)A相電壓，二者并網(wǎng)時(shí)相差即電壓滑差。圖3-1仿真結(jié)果分析：由圖3-1可以看出，當(dāng)UGUX，而頻率、初相位都相同時(shí)，在并網(wǎng)時(shí)電壓滑差較大，但會(huì)出現(xiàn)并網(wǎng)時(shí)電壓滑差為零的時(shí)刻。3.2

12、 存在頻率滑差當(dāng)發(fā)電機(jī)端壓UG與無窮大電源電壓UX相等時(shí)，而頻率不相同（相差0.3Hz），初相位相同時(shí)，對其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3-2。三個(gè)波形依次為發(fā)電機(jī)端子A相電壓，無窮大系統(tǒng)A相電壓，二者并網(wǎng)時(shí)相差即電壓滑差。圖3-2仿真結(jié)果分析：由圖3-2可以看出，當(dāng)UG=UX，而頻率不同、初相位相同時(shí)，在并網(wǎng)時(shí)電壓滑差較小，會(huì)出現(xiàn)并網(wǎng)時(shí)電壓滑差為零的時(shí)刻。3.3 存在相位差當(dāng)發(fā)電機(jī)端壓UG與無窮大電源電壓UX相等時(shí)，而頻率相同，初相位不相同時(shí)，對其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3-3。三個(gè)波形依次為發(fā)電機(jī)端子A相電壓，無窮大系統(tǒng)A相電壓，二者并網(wǎng)時(shí)相差即電壓滑差。圖3-3仿真結(jié)果分析：由圖3-3可以看出，當(dāng)UG=UX，而頻率相同、初相位不相同時(shí)，在并網(wǎng)時(shí)電壓滑差較小，會(huì)出現(xiàn)并網(wǎng)時(shí)電壓滑差為零的時(shí)刻。3.4 理論分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果的比較 對兩個(gè)結(jié)果波形圖像可知：當(dāng)UG=UX時(shí)仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本符合。而當(dāng)發(fā)電機(jī)端壓UG與無窮大電源電壓UX不相等時(shí)，理論分析結(jié)果為：不管斷路器在何時(shí)閉合都會(huì)產(chǎn)生電流沖擊，而在仿真結(jié)果中波形圖像出現(xiàn)