MATLAB的同步电机暂态过程的仿真.doc

基于MATLAB的同步电机暂态过程的仿真实验王东海 （内蒙古工业大学电力学院学院，内蒙古 呼和浩特市金川开发区 010080）摘要：本文基于MATLAB/SIMULINK的电路模型仿真方法，建立了同步发电机的仿真电路模型；在此模型的基础上进行了同步发电机突然短路过渡过程的仿真试验。关键词：同步发电机，突然短路，仿真，电路模型中图分类号：TM711 文献标识码：B0 引言随着计算机应用技术的高速发展，电力系统的动态数字计算机仿真系统由于其精度高、改变参数方便、重复性好等优点，已经开始逐渐取代传统的物理仿真系统。而使用通用的低成本硬件与系统软件开发电力系统动态仿真装置，将是电力系统动态仿真技术的一个重要发展趋势1。同步发电机作为电力系统的心脏，其动态性能对电力系统的动态性能有重大影响，因此建立其动态仿真模型对研究电力系统动态性能有极其重要的意义。同步发电机的基本模型是理想电机模型。根据所研究问题的特点，对理想电机模型进行补充或简化，就建立了所需的同步发电机模型。在同步发电机系统的仿真研究中，除较多采用理想电机模型外，由于交流电机多回路模型能描述磁场谐波和磁路饱和等因素，也得到了有效应用。用一组微分方程来描述电机的模型，可得到电机的数学模型；用等效电路来描述电机的模型，就得到了电机的电路模型。数学模型的求解一般通过数值积分来实现，电路模型的求解则可借助于各种电路分析软件来实现。就精确度而言，电路模型忽略的量值少，其计算的结果要比数学模型计算的结果准确。MATLAB 语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络和图象处理等功能于一体，具有极高的编程效率。它是一个高级的数学分析与运算软件，可用作动态系统的建模与仿真。而SIMULINK软件是在MATLAB下的一种用来实现计算机仿真的软件工具，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。利用SIMULINK模块库构造仿真系统，可简化传统繁重的编程工作，大大减少传统编程的工作量，而且交互性强。MATLAB/SIMULINK拥有Sources、 Sinks、Linear、Nonlinear等信号类模块库和Power System 电力系统模块库2，用MATLAB/SIMULINK实现同步发电机系统的电路模型是很方便的。1 同步发电机系统的电路模型11 同步发电机的电路模型采用Xad基值系统，理想同步发电机的d轴等效电路可用图1来表示3。q轴的等效电路比d轴简单，只须去掉励磁分支即可，在此就不画出了。图1 d轴等效电路由图可见，等效电路可由电阻、电感、受控电压源等部件构成。12 坐标变换电路由于在本文中同步发电机无中线引出，0轴变量始终为0，在转换中忽略。此模型可由加法器、乘法器、放大器、正弦函数、余弦函数、时钟等部件构成的电路来表示。2 用SIMULINK建立仿真电路模型首先将上节介绍的各子模型分别做成SIMULINK模块，然后把各模块连接起来，就可对同步发电机系统进行仿真4。2.1 同步发电机模块根据等效电路，由电阻、电感、受控电压源、受控电流源等部件可构成此模块。图2即为d轴等效电路子模块。此模块的上部是实现wyd的输出，而wyq的输入则来自于q轴。此模块的核心在于id的返回以控制ud的输出。i_id_s即代表来自外部的输入，o_ud_s即为电机d轴的输出，o_wyd_s输出到q轴，i_wyq_s则来自于q轴。图2 d轴等效电路子模块因为电力系统模块库中各模块的输入输出量都是电压、电流等电量，信号类模块如Sum, Product等不能对其进行处理，所以实际线路中用了一些测量模块和受控源模块来实现电量与信号之间的转换。在图3中带有_s标记的即代表此变量为信号，不带此标记的即为电量。2.2 坐标变换模块图3即为dq转换到abc的子模块5：图3 坐标转换模块2.3信号变换模块该模块主要将坐标变换模块输出的ua、ub、uc信号变成电量。图4是把信号变成电量的线路。图4 信号变换模块此时输入的信号ua、ub、uc变成了电量ua、ub、uc。2.4整个系统图5即为整个同步发电机系统。三相开关控制电机的工作状态，在仿真过程中开关在T=4.764（标幺值）时合上，电机由空载状态突然进入短路状态，line_load代表线路阻抗，scope模块分别显示uabc和iabc。图5 同步发电机系统模块3 仿真结果仿真前要设置好Solver的参数，特别是设置好仿真步长和算法。在本次仿真过程中，我采用的步长为T=200（标么值），算法为ode23tb（stiff/TR-BDF2）。本文中仿真用参数（标么值）为：Xd=3.979 Xad=3.8748Xq=3.822 Xaq=3.7186Xfdl=0.1387 rfd=0.0045X1dl=0.0615 r1d=0.0407X1ql=0.616 r1q=0.0407rd=0.01144 rq=0.01144图6和图7分别为三相同步电机由空载突然三相短路的电枢电压和电枢电流的波形图，其中图6为ua的波形图，图7为ia的波形图。图6 三相突然短路电枢a 相电压波形图图7 三相突然短路电枢a 相电流波形图根据下面的公式（1）就可以算出电枢电流的数值解6，通过求解式（1），可以得到三相发电机在突然三相短路后的A相电流波形图。如图8所示。 （1）g0即为开关合闸瞬间的转子位置角，从图6中可以看出g0=2700。图8 三相突然短路电枢电流波形图通过比较图7和图8可以看出由电路仿真得出的结果与数值计算得出的结果相差很小。实际上，电路仿真的结果更准确，因为其忽略的量更少。4结论借助MATLAB/SIMULINK软件来对同步电机的暂态过程进行仿真，就时效性和效费比而言是远远高于实地试验的。在仿真的过程中，深刻的理解等效电路的控制过程，以及把握好信号变电量和电量变信号才是得到正确仿真结果的关键。就仿真的结果而言，也达到了预期的设想。参考文献1 Kezunovic M，Skendzic V，Aganagic M.Design,implementation and validation of a real-time digital simulator for protection relay testing J.IEEE Transaction on Power Delivery，1996，11(1)，2吴天明，谢小竹，彭彬：MATLAB电力系统设计与分析，国防工业出版社2004年1月第一版，288-3363高景德，张麟征：电机过渡过程的基本理论及分析方法，科学出版社1982年8月第一版，319-3204杨青，马伟明，张