基于Simulink的同步發(fā)電機電氣特性分析

資偉娜

摘要 發(fā)電機電氣特性對發(fā)電系統(tǒng)安全經濟運行影響重要，本文利用Simulink軟件，仿真了同步發(fā)電機暫態(tài)過程中的電氣特性。研究表明，在同步發(fā)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(guī)律一致，該方法能夠準確反映發(fā)電機電氣特性。

關鍵詞 同步發(fā)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(yè)用電、居民用電的急劇增加，我國電力系統(tǒng)蓬勃發(fā)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(tǒng)穩(wěn)定性的關注也越來越傾向于細節(jié)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(jié)描述不足。因此基于Simulink等軟件開展仿真已經成為電力系統(tǒng)可靠性分析的重要手段之一。

同步發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(lián)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(fā)電機為核心的小電網系統(tǒng)進行分析，研究功率突變下，同步發(fā)電機轉速、電流、電壓的變化情況，分析發(fā)電機動態(tài)特性，為同步發(fā)電機短路故障分析提供新思路。

1同步發(fā)電機數學模型

凸極同步發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機繞組電壓平衡方程，根據電路定律，發(fā)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(fā)電機功率突變下的仿真建模

Simulink是基于MATLAB平臺開發(fā)的仿真系統(tǒng)，可實現各種類型系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真，被廣泛的應用于信息工程、電力系統(tǒng)、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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電機動態(tài)特性分析

圖2表示功率突變情況下，同步發(fā)電機機端電流變化曲線，發(fā)生突變后，發(fā)電機電流先增加后減小，并開始振蕩。顯然在機械功率發(fā)生突變之前，發(fā)電機電流維基本穩(wěn)定在38.2A；當發(fā)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(fā)生較強烈的電流振蕩，經歷近2s才逐漸恢復至穩(wěn)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(fā)生后，機組轉速先減小后增加，發(fā)生振蕩現象。但是必須指出的是，由于功率突變的發(fā)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(fā)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(fā)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(wěn)定在26.5萬°。

圖5為發(fā)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(fā)電機輸出功率也會發(fā)生激增，并在2s后達到穩(wěn)定狀態(tài)，該變化為發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(guī)律相符合。利用Simulink能夠較好的反映同步發(fā)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。