电力系统自动化课程设计

课程设计任务书

题目发电机自动准同期并入电网

学院信息科学与电气工程学院___________

专业电气工程及其自动化_______________

学生姓名_____DonaldGeorge___________________________

一、设计内容及要求

1、根据发电机自动准同期并入电网所需的条件，使用Matlab对不同条件下

的并网过程进行仿真分析。

二、设计原始资料

详见参考书

三、设计完成后提交的文件和图表

1.计算说明书部分

仿真结果及设计说明书（论文）

2.图纸部分:

仿真电路

程序和仿真结果等以图片的形式附在设计报告中。

2

四、进程安排

第一周：

第一天上午：选题，查资料；

第一天下午：制定设计方案；

第二一一第五天：搭建仿真模型，完成仿真部分；

第二周：

第------四天：对仿真结果进行分析，完善设计方案，并完成设计报告;

第五天：答辩，交设计报告。

五、主要参考资料

《电力系统分析（第三版）》于永源主编，中国电力出版社，2007年

《电力系统自动化》，王葵、孙莹编著，中国电力出版社，2007年；

《电力系统稳态分析》，陈布主编，中国电力出版社，2007年；

《电力系统暂态分析》，李光琦主编，中国电力出版社，2007年。

3

前言

计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要

方法和手段。由于电力系统的特殊性，很多研究无法采用实验的方法进行，仿真

分析显得尤为重要。发动机并网是电力系统中常见而重要的一项操作，不恰当的

并列操作将导致严重的后果。因此，对同步发电机的并列操作进行研究，提高并

列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。

MATIAB是高性能数值计算和可视化软件产品。它由主包、Simulink及功能

各异的工具箱组成。从版本开始增加了一个专用于电力系统分析的PSB（电力系

统模块,Powersystemblockset）。PSB中主要有同步机、异步机、变压器、

直流机、特殊电机的线性和非线性、有名的和标么值系统的、不同仿真精度的设

备模型库单相'三相的分布和集中参数的传输线单相、三相断路器及各种电力系

统的负荷模型、电力半导体器件库以及控制和测量环节。再借助具他模块库或_L

具箱，在Simulink环境下，可以进行电力系统的仿真计算，并可方便地对各种波

形进行图形显示。本文以一单机一无穷大系统为模型，在环境下使用GUI、

Simulink,m语言等创建一发电机并网过程分析与仿真系统。该系统可以对多种

情况下的发电机并网过程进行仿真分析，并将仿真结果显示于GUI界面。

1设计任务及要求分析

1.1设计目的

通过发电机并网模型的建立与仿真分析，使学生掌握发电机并网方法和

Matlab/Simulink中的电力系统模块（PSB）,深化学生对发电机并网技术的理解,

培养学生分析、解决问题的能力和Matlab软件的应用能力。

1.2设计内容和基本要求

设计内容主要包括发电机并网模型的建立和并网过程的Matlab仿真。

基本要求如下：

1、发电机并网条件分析；

2、发电机并网模型的建立；

3、分别对发电机端电压电压与电网电压幅值、频率和初相位在各种匹配情

5

况下，发电机并网过程的仿真；

4、理论分析结果与仿真分析结果的比较。

2发电机并网条件分析

2.1并网的理想条件

同步发电机组并列运行，并列断路器合闸时冲击电流应尽可能的小，其瞬时

最大值一般不宜超过1-2倍的额定电流；发电机组并入电网后，应能迅速进入同

步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动［1］。

为了减小电网与发电机组组成的回路内产生的瞬时冲击电流，需保证同步发

电机电压与电网并网瞬时电压相等，所以发电机并网的理想条件为：

1、应有一致的相序：

2、方应有相等的电压有效值；

3、方应有相同或者十分接近的频率和相位。

若满足理想条件，则并列合闸冲击电流为零，旦并列后发电机与电网立即进

入同步运行，无任何扰动现象。但在实际操作中，三个条件很难同时满足，而并

列合闸时只要冲击电流较小，不危及电气设备，合闸后发电机组能迅速拉入同步

运行且对电网影响较小，因此实际并列操作允许偏离理想条件一定范围时进行合

闸操作。

2.2相位差、频率差和电压差对滑差的影响

利用Matlab绘图工具可得到各种情况下滑差电压波形，设电网电压为

U=100sin(w/+a),图1为频差为0.5Hz、电压差和相位差为零的滑差电压波形。

图2为频差为0.5Hz、相位差为60°、电压差为零的滑差电压波形。图3为电压

差为10V、频差为0.5Hz相位差为零的滑差电压波形。

6

频差为0.5Hz

200

150

100

50

§。

-200

00.511.522.533.54

t/s

图1频差为0.5Hz、电压差和相位差为零的滑差电压波形图

频差为0.5Hz相位差为60°

200

150

100

50

5。

-50

-100

-150

-200

00.511.522.533.54

t/s

图2频差为0.5Hz、相位差为60°、电压差为零的滑差电压波形图

7

频差为0.5Hz压差为10V

200

150

100

50

30

-200

00.511.522.533.54

t/v

图3电压差为10V、频差为0.5Hz相位差为零的滑差电压波形图

由图1和图2可知当电压差为零时滑差电压包络线都过零点，此时合闸则没

有冲击电流。而有电压差时（如图3）滑差只有最小值而不过零点，因此无论何

时合间都存在冲击电流，不利于系统稳定。

3发电机并网模型建立

发电机并网模型可用单机-无穷大系统模拟，由此分析发电机并网的动态过

程。图4所示为单机-无穷大系统。

变乐器

——捻统

发电机

.负荷

A负荷

图4单机-无穷大系统

3.1仿真模型

单机即同步发电机，这里选用SynchronousMachine,

8

P„=200MW;匕=13.8左匕回=1.305;松'=0.296;松”=0.252;

参数：刖=0.474;沏”=0.243;XI=0.18;

77/1=1.01;Td、'=0.0053;Tqd=0.1;

变压器模型选用Three-phaseTransformer,Yg,

P=210W;fn=60/fe;ri/V2=13.80//2304匕

*tl

即=A2=0.002773;LI=L2=0.08;Rin=500;Lm=0.053

9

国BlockParameters:Three-PhaseTransformer(TwoWindings)

Three-PhaseTransforner(TwoWindings)(mask)(link)*

Thisblockimplementsathree-phasetransformerbyusingthreesingle-phase

transformers.Setthewindingconnectionto'Yn'whenyouwanttoaccess

theneutralpointoftheWye.

ClicktheApplyortheOKbuttonafterachangetotheUnitspopupto

confirmtheconversionofparameters.

|ConfigurationParameters_Advanced

Unitspu

Nominalpowerandfrequency[Pn(VA),fn(Hz)]

[210e+6,50]

Winding1parameters[VIPh-Ph(Vrms),RI(pu),L1(pu)]

[138000.0027730.08]三

Winding2parameters[V2Ph-Ph(Vrms)3R2(pu),L2(pu)]

[2.3e+050.0027730.08]

MagnetizationresistanceRm(pu)

500

MagnetizationinductanceLm(pu)

0.053

Saturationcharacteristic[il,phil:i2,phi2;...](pu)

I。0;5.3645e-0563.913:0.0223538。.957]|

Initialfluxes[phiOA,phiOB,phiOC](pu):

[42.6。。-42.60937.283]|0

▼

1OX][Cancel][—,]|-y

无穷大系统用powerlib中的inductivesourcewithneutral模块表示,

参数：pn=10000MK4:fn=60Hz;V=2^kV\%//?=10;

io

BlockParameters:Three-PhaseSourcel

Three-PhaseSource(mask)(link)

Three-phasevoltagesourceinserieswithRLbranch.

ParametersLoadFlow

Phase-to-phasermsvoltage(V):

230e3

PhaseangleofphaseA(degrees):

0

Frequency(Hz):

50

Internalconnection:Yg

<Specifyimpedanceusingshort-circuitlevel

3-phaseshort-circuitlevelatbasevoltage(VA):

10000000000

Basevoltage(Vrmsph-ph):

230e3

X/Rratio:

10

[-]Cancel|fiplp/ply

系统负荷分别为o

3.2系统仿真模型的建立

打开Matlab/simulink/simpowersystems/blocklibary,新建一个mdl文件,

将所需的同步电机、变压器、线路、无穷大系统和负荷模型（按3.1选定的系统

模型）拖到该文件下，为便于对电动机的各参量进行设置和检测，还加入了调速

系统模型HydraulicTurbineandGovernor>励磁调节器ExcitationSystem和

多路选择器BusSelector,从同步发电机的测量端子m引出发电机的参数通过

BusSelector得到各参数，联接到励磁调节器和调速器的输入端口。按下图连线,

建立发电机并网的仿真模型。

11

pttfcwAnaljvt£od«JocktHP

■❷(罪•*»**,)©&熬"Q，%，“

Htk««tfk<ttfk4sUQ

9Jbjbingw»nghngzhe«

图5发电机并网的仿真模型

发电机设为PU结点，Bustype为pvganuratr)rc变压器采用YgYg接线，可

省去计算电压相角时相位差的变化。通过双击各模块，在弹出的窗口中可实现对

其参数的设置和变更。对需要测量的量可直接引出端口接示波器，便于观察波形

或进行数据分析。完成仿真模型建立后，拖入一个PowerGUI到文件中，如图5

所示。

4发电机并网过程仿真分析

4.1潮流计算和初始状态设置

在并网仿真之前需先通过PowerGUT进行潮流计算，使发电机电压发出电压

满足并网幅值、相角、频率要求后可进行仿真，相当于发电机并网后的动态过程。

为充分研究并网条件、分别对不同条件下的情况进行仿真分析，并做相应波形对

比。

双击PowerGUI,点击Steady-StateVoltagesandCurrents,显示当前稳

定状态的电压电流值，并可选择查看状态变量、被测值、电压电流源、非线性环

节的电压电流值和相角。

双击InitialSta二esSetting可实现运行初始状态的设置，可对状态变量

全设零或设为稳定状态或手动输入任意值，可从任意值开始进行仿真。

Machineloadfhw可用来设置模型中发电机节点的类型，这里设为P&V

generator,还可设置发电机的电压和输出功率，结果窗口中可杳看发电机线电

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流、相电压、有功和无功功率、励磁电压、转差、转矩等。

4.2发电机并网仿真

通过改变发电机和系统的参数设置，可进行多种条件下的并网仿真分析，限

于篇幅，这里只对部分条件做相应仿真分析。

为便于分析发电机的并网过程，这里设置几种初始条件下的仿真。由于发电

机和系统存在压差时，即使其他同步条件都符合要求还是会存在冲击电流。又考

虑到变压器是YY型连接，仿真将分析频差、压差对系统稳定的影响。分别设置

频差为1%、5%、10%时比较发电机的同步情况。声与发电机存在压差时进行对比

分析。仿真算法采用ode23So

对不同初始条件下的发电机并网过程进行仿真，并将发电机功率、转速、励

磁电压、冲击电流等重要参数通过示波器显示，结果见第五章。

5仿真结果分析

对不同初始条件下的发电机并网过程进行仿真，结果如图所示。

只存在频差时的仿真结果

无频差时(1%)

图6

合闸时在0.2秒，在频差1%时，断路器合闸后，电压相位及频率能迅速拉入同步，如下图

所示：

13

图7

合闸时在0.2秒，在频差1%时，断路器合闸后，短路器两侧电流相位及频率会产生一些波

动，但也能迅速拉入同步

励磁电流及电磁功率的波形图:

14

频差5%时

•A/WWWWW-

2少__

三相定子冲击电流,

图7

断路器合闸后，短路器两侧电流相位及频率会产生较大波动,导致波形不再是正弦型。

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频差10%总体参数的波形图如下:

®mes□、

3f也缸三

□，XgNMFMOa

酢BUI月*%三a-x-W

it»a

发电机定子测的电流波形图如下所示:

当系统压差和相角差为零、频差也很小时，经过一个短暂、轻微的振荡过程,

系统可迅速将发电机拉入同步运行，几乎没有冲击电流。如图所示，当频差为

5%时，经过一个较长时间的振荡过程，系统最后也可以将发电机拉入同步运行，

此时有定的冲击电流。当频差较大时，如图10%,系统将直处丁振荡状态，

无法稳定。发电机将不能与系统实现同步运行，若此时并网则将存在很大的冲击

电流。

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电压存在相位差时并网仿真结果

图9

存在压差时两侧的电压波形图如下:

图10

如图所示：在0.2秒并网时，从电压波形图可以看出发电机电压相位与电网

电压在0.2秒前有一个相位差，在0.2秒合闸时，发电机机组迅速投入运行，其

电压与电网电压波形一致，说明并网成功。

6总结

发电机机组并入电网运行时，