MATLAB的同步發(fā)電機故障運行仿真分析

張兆冰

（茂名熱電廠，廣東 茂名 525000）

前言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展和電網(wǎng)的日益擴大以及自動化系統(tǒng)程度的不斷提高,在電力系統(tǒng)中計算和控制問題等也日益復(fù)雜,在進行電力試驗時直接從技術(shù)和安全上考慮可能性很小。因此,運用電力仿真來解決這些問題非常迫切。本文作者主要通過MATLAB對發(fā)電廠單機并網(wǎng)后，在發(fā)電廠的同步發(fā)電機發(fā)生小擾動及短路故障情況下應(yīng)如何使發(fā)電機及系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)進行了模擬，同時就發(fā)電機在故障情況下應(yīng)如何進行處理進行了分析。

1.設(shè)備選擇及參數(shù)計算

1.1 同步發(fā)電機與電網(wǎng)的接線如附圖1：

附圖1

1.2 發(fā)電機選定

（1）選取汽輪發(fā)電機QFQ-50-2,給定參數(shù)如下：額定容量（MW）:50，額定電壓（kV）:10.5，額定電流（A）:3440（2）查出發(fā)電機參數(shù)并將計算出的標(biāo)么值輸入。

1.3 ①選擇 110kV雙卷變?yōu)椋篠FP7-63000/110 (接線組別：YN,d11)②查出變壓器參數(shù)并計算出標(biāo)么值輸入。(折算到低壓側(cè))

1.4 廠用電的選擇

選定廠用電負(fù)荷的容量為6.25MVA。功率因數(shù)cosФ＝0.8。同步發(fā)電機故障運行狀況分析：在 MATLAB中可設(shè)置各種短路故障，用示波器觀測短路故障時的電流、電壓、同步發(fā)電機輸出各參數(shù)等受到的影響，以此來分析系統(tǒng)故障對系統(tǒng)及電廠的影響。本次主要以三相短路故障

2 如何解決系統(tǒng)故障，讓系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)

2.1 故障的快速切除

快速切除故障在提高暫態(tài)穩(wěn)定性方面起著首要的，決定性的作用。由于快速切除故障，減小了加速面積，增加了減速面積，提高了發(fā)電廠之間并列運行的穩(wěn)定性。同時，故障的快速切除，使電動機的端電壓迅速回升，減小了電動機失速、停頓的危險，提高了負(fù)荷的穩(wěn)定性。目前，可做到短路發(fā)生后0.06秒切除故障，其中，0.02秒是保護裝置動作時間，0.04秒為斷路器動作時間。

2.2 自動重合閘的采用

由于系統(tǒng)中的故障，特別是超高壓輸電線路的故障，絕大多數(shù)是短路故障，采用自動重合閘裝置，在故障發(fā)生后切除故障線路，待消失后自動重新將這線路投入，以提高供電的可靠性，成功率很高。

上述兩種方法，多用在從系統(tǒng)方面消除故障。

2.3 強行勵磁和快速關(guān)閉汽門

這是兩種從自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)入手，借減少功率或能量的差額提高暫態(tài)穩(wěn)定性的措施。非常經(jīng)濟有效。

（1）快速關(guān)閉汽門。所謂快速關(guān)閉汽門，按目前技術(shù)水平可以達(dá)到的指標(biāo)大致指油動機時間常數(shù)不大于0.1秒，汽容時間常數(shù)也不大于0.1秒。其中，以汽容時間常數(shù)更難減小，限制了快速關(guān)閉汽門的效果。所以改為強行勵磁是目前比較有效且能實施的手段。

（2）強行勵磁。強行勵磁對提高發(fā)電廠并列運行和負(fù)荷的暫態(tài)穩(wěn)定性都很有利。它的作用隨勵磁電壓增長速度和強行勵磁倍數(shù)的增大而愈益顯著。將強行勵磁倍數(shù)不斷增大，原來不能保持暫態(tài)穩(wěn)定的系統(tǒng)就轉(zhuǎn)而可保持暫態(tài)穩(wěn)定。強行勵磁的參數(shù)可以用勵磁機時間常數(shù)或等值的勵磁機時間常數(shù)和強行勵磁倍數(shù)，即最大可能勵磁電壓與發(fā)電機在額定條件下運行時的勵磁電壓之比表示。本次模擬實驗選定故障發(fā)生后一個時間常數(shù)進行增大勵磁倍數(shù)來使系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)定。

3 三相短路實驗

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相對稱短路時 (圖附1中Fault)，當(dāng)輸入有功功率不大時，發(fā)生三相短路故障，故障消除后，系統(tǒng)能重新回到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)輸入有功功率較大時，發(fā)生三相短路故障時，故障消除后，系統(tǒng)回不到穩(wěn)定狀態(tài)。

實驗：（1）當(dāng)輸入有功功率為0.0785較小時，在30s～30.5s內(nèi)發(fā)生三相短路。其電壓及電流波形如圖：由圖可知，在輸入的有功功率較小時，系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，故障消除后，系統(tǒng)電壓能重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。

0～60s的電壓變化曲線圖

由上圖可知，在輸入的有功功率較小時，系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，故障消除后，系統(tǒng)電流能重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）當(dāng)輸入功率增大時，系統(tǒng)在發(fā)生三相短路后，若不增加勵磁則系統(tǒng)不能回到穩(wěn)定狀態(tài)。實驗：在20秒時有功功率的輸入由0.0785增到0.8，則電壓及電流如圖：

0～60s的電流變化曲線圖

由上兩圖可知，輸入功率增大時，系統(tǒng)在發(fā)生三相短路后，若不改變勵磁，則系統(tǒng)不能回到穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）當(dāng)有功功率輸入增大時，勵磁增大值不夠時，當(dāng)出生三相短路時，系統(tǒng)同樣回不到穩(wěn)定狀態(tài)。

0～35s的電壓變化曲線圖

0～35s的電流變化曲線圖

實驗：在20秒時增加有功率的輸入值由0.0785到0.5，勵磁由0.65增至1.2，短路后勵磁仍為1.2系統(tǒng)電壓及電流波形如圖：

由圖可以看出，短路故障出現(xiàn)后，勵磁增加不夠大時，系統(tǒng)還是回不到穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）在20秒時，將輸入功率由0.0785增到0.5，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時，將勵磁增大2倍以上（在30.3秒輸入2.5），在50秒時將輸入功率由0.5增大至0.8。系統(tǒng)電壓、電流波形如下圖：

0～35s的電壓變化曲線圖

0～35s的電流變化曲線圖

由圖可以看出，在20秒時，電壓及電流隨著有功輸入的增大而增大，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時，增大勵磁至短路前的2倍以上時，系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)，在50秒時，輸入功率再一次增大，電壓及電流相應(yīng)發(fā)生振蕩。

0～60s的電壓變化曲線圖

0～60s的電流變化曲線圖

4 結(jié)束語

由以上分析可知，勵磁控制可以提高同步發(fā)電機的穩(wěn)定極限。快速勵磁系統(tǒng)允許發(fā)電機在較高的系統(tǒng)電抗下運行。這一點很重要，因為從采用大容量機組的趨勢來看，大機組具有大的電抗。對于執(zhí)行這這種功能的勵磁機來說，需要有高的放大系數(shù)。串聯(lián)補償使它可以具有高值的直流放大系數(shù)，同時有較低的“暫態(tài)放大系數(shù)”以利于穩(wěn)定運行。其它的故障分析也與此相同，只要掌握了MATLAB的運用手段，在電力系統(tǒng)分析中可以進行無數(shù)的仿真實驗及分析計算，對電力系統(tǒng)進行破壞性仿真實驗有著極大的幫助。隨著MATLAB的推廣，對電力系統(tǒng)的發(fā)展將起著很大的促進作用。

[1]吳天明，謝小竹，彭彬《.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計與分析》.國防工業(yè)出版社，2004年1月.第1版.

[2]李光琦《.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》（第二版）.中國電力出版社，1995年11月.

[3]周鶚主編《.電機學(xué)》（第三版）.中國電力出版社，1995年5月.

[4]范錫普主編《.發(fā)電廠電氣部分》（第二版）.中國電力出版社，1995年11月.

[5]戈東方主編《.電氣工程設(shè)備手冊》.北京:中國電力出版社，1995年.

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[7]周榮光主編《.電力系統(tǒng)故障分析》.清華大學(xué)出版社，1988年.

[8《]MATLAB在電力系統(tǒng)自動化學(xué)生畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用初探》.云南水力發(fā)電，第18卷（2）：110-112.