基于Simulink的同步發電機電氣特性分析

資偉娜

摘要 發電機電氣特性對發電系統安全經濟運行影響重要，本文利用Simulink軟件，仿真了同步發電機暫態過程中的電氣特性。研究表明，在同步發電機設計功率50kW，運行功率48.9kW突增到60kW時，電流、功率均呈正比增加，轉速則維持不變，這與實際運行經驗規律一致，該方法能夠準確反映發電機電氣特性。

關鍵詞 同步發電機；功率突變；電氣特性

中圖分類號TP3 文獻標識碼A 文章編號2095—6363（2017）03—0058—02

隨著工業用電、居民用電的急劇增加，我國電力系統蓬勃發展，但是用戶對電能質量的要求也越來越高，科研工作者和技術管理人員對電力系統穩定性的關注也越來越傾向于細節化。但是，由于電力生產及其配送過程的復雜性，以及電力安全運行的要求，難以在現場開展針對性試驗，而實驗室條件下開展的試驗往往有大量的簡化，對細節描述不足。因此基于Simulink等軟件開展仿真已經成為電力系統可靠性分析的重要手段之一。

同步發電機是電廠常見的主機之一，在國內應用非常廣泛，但是同步發電機結構相對復雜，它具有典型的多電磁耦合繞組結構，在突然三相短路、功率突變等故障情況下，同步發電機會產生高達數萬乃至幾十萬安的瞬間沖擊電流，不僅對同步發電機本身造成巨大的破壞，對電網也會造成極大沖擊，嚴重時會導致巨大的經濟損失，關于同步發電機運行特性的研究也是電廠電氣部分研究重點內容之一。譬如，孫宇光仿真分析了勵磁繞組線圈之間短路故障問題，計算了與短路故障相關的勵磁繞組電感參數；楊定乾分析了阻尼繞組與短路故障時電流、磁勢之間的內在聯系。但是，關于同步電動機功率突變下的電氣特性研究較少。為此，本文利用Simulink軟件，對常見的以凸極同步發電機為核心的小電網系統進行分析，研究功率突變下，同步發電機轉速、電流、電壓的變化情況，分析發電機動態特性，為同步發電機短路故障分析提供新思路。

1同步發電機數學模型

凸極同步發電機由A、B、C相定子繞組、勵磁繞組和阻尼繞組等6個繞組組成，結構復雜，影響因素多，其中電磁耦合關系對同步發電機短路故障影響最為關鍵，為了突出重點并降低仿真難度，本文對同步發電機運行特性進行適當簡化：忽略磁滯、電渦流效應的損耗及其對繞組特性的影響；假定發電機參數不變，且設計安裝合理，無不對中、不平衡等故障。

在上述假設的基礎上，可建立同步發電機繞組電壓平衡方程，根據電路定律，發電機六個繞組可以建立6個回路電壓平衡方程，如下：

2同步發電機功率突變下的仿真建模

Simulink是基于MATLAB平臺開發的仿真系統，可實現各種類型系統的動態特性仿真，被廣泛的應用于信息工程、電力系統、機械工程以及金融分析等不同領域中。

本文利用Simulink軟件建立的同步發電機功率突變仿真模型，主要有以下原件組成：ABC三相繞組、勵磁繞組、阻尼繞組及相關放大單元、電壓和電流測量原件等組成，如圖1所示。

在圖1中，設置同步發電機功率突變仿真參數，其中時間觀察段設置為3.0s，仿真步長類型設置為可變型，其步長相應調整設置為自動模式，相對容差設置為0.001，發電機初始輸出功率為50kW，相應機械功率48.9kW，在0.1s時，設置機械功率突增到60kW。

3功率突變下發電機動態特性分析

圖2表示功率突變情況下，同步發電機機端電流變化曲線，發生突變后，發電機電流先增加后減小，并開始振蕩。顯然在機械功率發生突變之前，發電機電流維基本穩定在38.2A；當發生功率突變時，電流快速增加值52.2A左右，是初始電流的1.37倍，并伴隨發生較強烈的電流振蕩，經歷近2s才逐漸恢復至穩定值46.8A，這在一定程度上將對電網造成沖擊。

圖3為機械功率突變下轉速變化圖，機組初始轉速為1 800rpm，當突變發生后，機組轉速先減小后增加，發生振蕩現象。但是必須指出的是，由于功率突變的發生所導致的轉速變化，不足初始轉速的千分之一。因此，可以認為同步發電機功率突變對轉速幾乎沒有影響。轉速為影響，則供電頻率也幾乎保持不變。

圖4表示功率突變下發電機負載角變化情況。顯然，功率突變下負載角度的變化與轉速變化、電流變化不同，負載角呈現出逐步下降的變化趨勢，最終穩定在26.5萬°。

圖5為發電機在功率突變情況下的輸出功率變化圖，顯然在機械功率突然增加后，發電機輸出功率也會發生激增，并在2s后達到穩定狀態，該變化為發電機電流變化類似。

在同樣條件下做機械功率突增到100kW的仿真實驗，與機械功率突增至60kW的仿真實驗進行對比，結果如表1所示。

表1表明，在功率激增的情況下，發電機轉速基本保持不變，電流、功率和負載角呈線性變化。另外機械功率突變會伴隨電流、功率等的波動，對電網會造成一定沖擊，但沖擊破壞性比三相短路要低很多。

4結論

本文利用Simulink軟件仿真了不同功率突變下，同步發電機組電流、轉速、負載角和功率等關鍵因素的變化情況。研究表明，同步發電機組在功率突變時，電流、功率和負載角呈線性變化，而轉速則基本保持不變，這與電廠實際運行規律相符合。利用Simulink能夠較好的反映同步發電機組，乃至電網運行特性，為電網、機組等電氣特性仿真提供了新方法。