基于Simulink的同步發(fā)電機(jī)電氣特性分析

資偉娜

摘要 發(fā)電機(jī)電氣特性對發(fā)電系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響重要，本文利用Simulink軟件，仿真了同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)過程中的電氣特性。研究表明，在同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)功率50kW，運(yùn)行功率48.9kW突增到60kW時(shí)，電流、功率均呈正比增加，轉(zhuǎn)速則維持不變，這與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)規(guī)律一致，該方法能夠準(zhǔn)確反映發(fā)電機(jī)電氣特性。

關(guān)鍵詞 同步發(fā)電機(jī)；功率突變；電氣特性

中圖分類號TP3 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)量的要求也越來越高，科研工作者和技術(shù)管理人員對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)注也越來越傾向于細(xì)節(jié)化。但是，由于電力生產(chǎn)及其配送過程的復(fù)雜性，以及電力安全運(yùn)行的要求，難以在現(xiàn)場開展針對性試驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)室條件下開展的試驗(yàn)往往有大量的簡化，對細(xì)節(jié)描述不足。因此基于Simulink等軟件開展仿真已經(jīng)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(jī)是電廠常見的主機(jī)之一，在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛，但是同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，它具有典型的多電磁耦合繞組結(jié)構(gòu)，在突然三相短路、功率突變等故障情況下，同步發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬乃至幾十萬安的瞬間沖擊電流，不僅對同步發(fā)電機(jī)本身造成巨大的破壞，對電網(wǎng)也會造成極大沖擊，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，關(guān)于同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的研究也是電廠電氣部分研究重點(diǎn)內(nèi)容之一。譬如，孫宇光仿真分析了勵(lì)磁繞組線圈之間短路故障問題，計(jì)算了與短路故障相關(guān)的勵(lì)磁繞組電感參數(shù)；楊定乾分析了阻尼繞組與短路故障時(shí)電流、磁勢之間的內(nèi)在聯(lián)系。但是，關(guān)于同步電動機(jī)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(jī)為核心的小電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究功率突變下，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、電壓的變化情況，分析發(fā)電機(jī)動態(tài)特性，為同步發(fā)電機(jī)短路故障分析提供新思路。

1同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

凸極同步發(fā)電機(jī)由A、B、C相定子繞組、勵(lì)磁繞組和阻尼繞組等6個(gè)繞組組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素多，其中電磁耦合關(guān)系對同步發(fā)電機(jī)短路故障影響最為關(guān)鍵，為了突出重點(diǎn)并降低仿真難度，本文對同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行適當(dāng)簡化：忽略磁滯、電渦流效應(yīng)的損耗及其對繞組特性的影響；假定發(fā)電機(jī)參數(shù)不變，且設(shè)計(jì)安裝合理，無不對中、不平衡等故障。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，可建立同步發(fā)電機(jī)繞組電壓平衡方程，根據(jù)電路定律，發(fā)電機(jī)六個(gè)繞組可以建立6個(gè)回路電壓平衡方程，如下：

2同步發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)各種類型系統(tǒng)的動態(tài)特性仿真，被廣泛的應(yīng)用于信息工程、電力系統(tǒng)、機(jī)械工程以及金融分析等不同領(lǐng)域中。

本文利用Simulink軟件建立的同步發(fā)電機(jī)功率突變仿真模型，主要有以下原件組成：ABC三相繞組、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組及相關(guān)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(shè)置同步發(fā)電機(jī)功率突變仿真參數(shù)，其中時(shí)間觀察段設(shè)置為3.0s，仿真步長類型設(shè)置為可變型，其步長相應(yīng)調(diào)整設(shè)置為自動模式，相對容差設(shè)置為0.001，發(fā)電機(jī)初始輸出功率為50kW，相應(yīng)機(jī)械功率48.9kW，在0.1s時(shí)，設(shè)置機(jī)械功率突增到60kW。

3功率突變下發(fā)電機(jī)動態(tài)特性分析

圖2表示功率突變情況下，同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電流變化曲線，發(fā)生突變后，發(fā)電機(jī)電流先增加后減小，并開始振蕩。顯然在機(jī)械功率發(fā)生突變之前，發(fā)電機(jī)電流維基本穩(wěn)定在38.2A；當(dāng)發(fā)生功率突變時(shí)，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(qiáng)烈的電流振蕩，經(jīng)歷近2s才逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定值46.8A，這在一定程度上將對電網(wǎng)造成沖擊。

圖3為機(jī)械功率突變下轉(zhuǎn)速變化圖，機(jī)組初始轉(zhuǎn)速為1 800rpm，當(dāng)突變發(fā)生后，機(jī)組轉(zhuǎn)速先減小后增加，發(fā)生振蕩現(xiàn)象。但是必須指出的是，由于功率突變的發(fā)生所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速變化，不足初始轉(zhuǎn)速的千分之一。因此，可以認(rèn)為同步發(fā)電機(jī)功率突變對轉(zhuǎn)速幾乎沒有影響。轉(zhuǎn)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(jī)負(fù)載角變化情況。顯然，功率突變下負(fù)載角度的變化與轉(zhuǎn)速變化、電流變化不同，負(fù)載角呈現(xiàn)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(jī)在功率突變情況下的輸出功率變化圖，顯然在機(jī)械功率突然增加后，發(fā)電機(jī)輸出功率也會發(fā)生激增，并在2s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該變化為發(fā)電機(jī)電流變化類似。

在同樣條件下做機(jī)械功率突增到100kW的仿真實(shí)驗(yàn)，與機(jī)械功率突增至60kW的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

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

4結(jié)論

本文利用Simulink軟件仿真了不同功率突變下，同步發(fā)電機(jī)組電流、轉(zhuǎn)速、負(fù)載角和功率等關(guān)鍵因素的變化情況。研究表明，同步發(fā)電機(jī)組在功率突變時(shí)，電流、功率和負(fù)載角呈線性變化，而轉(zhuǎn)速則基本保持不變，這與電廠實(shí)際運(yùn)行規(guī)律相符合。利用Simulink能夠較好的反映同步發(fā)電機(jī)組，乃至電網(wǎng)運(yùn)行特性，為電網(wǎng)、機(jī)組等電氣特性仿真提供了新方法。