柴油发电机组突然三相短路动态仿真分析

柴油发电机组突然三相短路动态仿真分析

刘明安,董秋霞

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(1.空军工程大学电讯工程学院,陕西西安　710077;2.空军工程大学理学院,陕西西安　710043)

摘要:利用Matlab电力系统工具箱建立了柴油发电机组计算机仿真模型,模拟了柴油发电机组突然三相短路动态过程,给出了发电机组各种参数的动态波形,分析了各种参数的变化规律和影响因素,仿真结果与实际情况吻合。研究表明,利用Matlab电力仿真系统能够模拟柴油发电机组电力系统的动态过程,仿真结果可以为柴油发电机组合理可靠的设计与安全运行提供理论依据。

关键词:柴油发电机组;三相短路;动态仿真中图分类号:TM611.22　　文献标识码:A　　文章编号:100324250(2008)0120007204

作者简介:刘明安

(1962—),男,陕西西安人,讲师,主要从事移动电源的教学研究与维修工作。

1引言

柴油发电机组突然三相短路是一种常见的故障,也是柴油发电机组电力系统保护所必须考虑的问题。突然三相短路是一个电瞬态过程。这个过程虽然短暂,但在此过程中会产生巨大的冲击电流,大的短路电流是破坏发电机及其电力系统重要的因素,它威胁着系统的安全运行。研究柴油发电机组的瞬态短路,可以为柴油发电机组的合理可靠的设计及安全运行提供理论依据,短路电流大小的确定不仅对于系统保护装置的整定设计具有重要的意义,而且对与其相联的其他电机、电器及继电保护设备的选择和使用也有着重要的意义。发电机组突然三相短路动态过程因其时间短,冲击电流大,往往给动态参数的实验测量带来较大的困难,而利用近年来发展起来的仿真技术来研究这一过程,会使工作得到大大的简化。电力系统的动态仿真研究将不能在实验室中进行的电力系统运行模拟得以实现。可用于电源系统仿真计算的软件很多,相比较而言,MATLAB是一个用于电源系统仿真较为理想的软

进行封装和自定义为用户自己的模块库,利用PSB工具箱设计电力系统,在Simulink环境下,不仅可以仿真系统的动态过程,还可以对系统进行稳态潮

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流分析,充分显现了其强大的仿真平台以及作图环境的优越性。本文将利用MATLAB仿真系统模拟分析柴油发电机组突然三相短路动态过程中各种电力参数的变化规律,为发电机组的安全使用提供可靠的技术数据。

2仿真模型

柴油发电机组在带负载情况下突然三相短路,可利用SimPowerSystems模块对其短路过程中的各种电流波形和电压波形建立模拟仿真模型。在SimPowerSystems环境下建立的柴油发电机组系统模型,如图1所示,该模型包括柴油发动机模块、同步发电机模块、发电机测量控制系统模块、励磁系统模块、三相并联负载元件和三相短路故障模块。

柴油发电机组由标幺值单位制标准同步发电机模块和柴油机转速电压控制子系统构成。柴油发动机调速系统中的Pmec为发动机输出功率。柴油发动机内的状态变量不止一个,但在实际设计中采用

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高阶模型则较困难。实践表明,采用一阶近似模型,不仅简化了设计工作,并且能达到满意的效果。仿真用同步发电机是一台额定值为50kVA,380V,50Hz,1500r/min的凸极式三相同步发电机。控制

件。MATLAB提供的动态系统仿真工具Simulink可用来对动态系统进行建模、仿真和分析,支持连续时间、离散时间及两者混合的线性、非线性系统,也

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支持多变量、多速率系统。MATLAB电力系统工具箱(PowerSystemBlockset以下简称PSB)使电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建,也可以根据所研究对象的物理模型建立其数学模型,并

3收稿日期:2008-01-14

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系统包括柴油机控制器模块、励磁系统模块和电机测量分解模块。控制系统的输入信号为角速度整定

8　　　　　Movable　Power　Station　&　Vehicle　　　　　　　　　　No.1　2008　

闭环控制回路。使用三相并联负载元件模拟电路负载,负载要求380V、50Hz三相交流电,消耗功率40kW。利用三相短路故障发生器元件实现同步电机的三相短路。

值、定子电压的均方根整定值和从发电机端输出的复合信号;复合输出信号为定子电压的均方根和角速度;发电机端输出的复合信号经发动机调速机构和励磁调压机构到达同步发电机的输入端构成一个

图1柴油发电机组仿真模型

3仿真结果

3.1　初始状态与仿真算法

为了避免仿真过程中系统出现长期不稳定状态,必须正确设定系统的初始参数。仿真中,同步发电机的输入功率Pm,励磁电压Vf及初始状态的设定可根据负载需要由Powergui模块来给出。Power2gui模块是MATLAB电力系统仿真工具箱中功能很强大的一个模块,可进行电机的初始状态设定,稳态运行计算,电感、频率测量,傅立叶分析等仿真。Powergui模块可根据要求的同步发电机输出交流线

的积分误差能够自动调整仿真步长。由于本文研究

的过程是一动态过程,因而,选用变步长仿真算法。3.2三相突然短路的动态变化

短路现象往往是一暂态过程,为清楚显现这一过程,仿真中特意将短路故障的保持时间设置的稍长一些。整个仿真过程历经10s时间,由稳态运行开始,2s后三相短路故障发生,4s时短路故障切除。为了便于分析比较,各种参数均采用标幺值单位制。

图2、图3和图4分别给出了突然三相短路时发电机机端电压、发电机转速和柴油机输出功率的动态仿真波形,图中T表示运行时间,单位为秒(s);Va、Wm和Pmec分别表示发电机机端电压、转速和柴油机输出功率,pu为标幺值单位。可以看出,当同步发电机在2s发生三相短路时,由于端电压降低,发电机发出的功率就不能全部输送出来,而柴油机的拖动扭矩又瞬间降不下来,因此,转子的稳定转动失去平衡,使发电机转速瞬间升高,柴油机的输出功率随转速的升高也迅速升高。随着时间的推移,柴油机的拖动扭矩降低,发电机转速下降,柴油机的输出功率也随之降低。

电压值Vab和有功功率值计算出同步发电机的输入功率Pm,励磁电压Vf及初始状态值等参数。计算出稳态值后,再将稳态时的机械功率、励磁电压、机端电压及定子电流作为系统的初始值提供给系统,即完成稳态初始值设置。发电机和负载的参数均由试验测量确定。

仿真算法选择的合理与否将影响到仿真结果和仿真速度。Matlab仿真系统给用户提供了定步长和变步长两大仿真算法。定步长求解器使用固定的步长对系统进行求解;变步长求解器则根据用户指定

　2008年　第1期　　　　　　　　　移　动　电　源　与　车　辆　　　　　　　　　　9

绕组和阻尼绕组的边沿通过漏磁路达到闭合,而漏

磁路的磁导比主磁路小得多,因此,要产生同样大小的电枢磁通,就需要很大的磁动势,从而,要求有很大的电枢电流。短路期间三相电流幅值不等是由于A、B、C三相初始磁链最大值的时刻不同,因此,各相突然短路电流的非周期分量的初始值是不同的,相应地,各相突然短路时的短路电流可能达到的最大瞬时值也不同。

图2发电机机端电压波形

图5电枢电压波形图

图3发电机转速波形

图6电枢电流波形

图4柴油机输出功率

图7和图8分别表示励磁电流(Ifd)和励磁电压(Vf)在短路时的动态变化波形。由图7和图8可以看出,因突然三相短路而造成的电枢电流的瞬间增大,会使磁场绕组产生一个很大的感生电流周期分量叠加在原励磁绕组的稳态励磁电流上,从而使励磁电流在短路瞬间增大了近6倍,励磁电压增大了近4倍,而后迅速衰减。短路期间由于三相电枢电流的互感和自感,励磁电流维持在一个较高水平,大约为5.3pu。短路故障切除后,励磁电流恢复正常,励磁电压因磁势变化先降低到零,然后升高,稍经波动后恢复正常。

　　图5和图6分别表示电枢电压(Vsq)和电流(Isabc)的动态变化。由图5可以看到,当同步发电机在2s发生三相短路时,电枢电压瞬间降低到零,而A、B、C三相的电流突然增大,且在短路期间的幅值不等,随着时间的推移,电流在逐渐衰减,到4s时,故障切除,发电机又回到稳定状态。三相短路时,电枢磁通无法通过转子磁极闭合,而是沿着励磁

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4结论

研究表明,利用Matlab电力系统工具箱能够方便的建立柴油发电机组电力系统仿真模型,并能快速仿真和清楚显现柴油发电机组突然三相短路故障的动态过程及各种参数的变化情况,仿真结果合理,可以作为柴油发电机组的设计及安全运行的理论依据。本文算例是移动电源站一常见的重要的故障现象,该算例的成功仿真表明Matlab电力系统工具箱可以作为普通内燃发电机组常见故障判断分析的得力工具,利用该工具可以为各种机组建立故障库,以利于机组的维护使用。参考文献:

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电机组的建模与仿真〔N〕.系统仿真学报,2007,19

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图7励磁电流波形

〔4〕　李志军,杨梅,刘艳萍,等.Matlab在同步发电机仿真

中的初始化问题〔J〕.大电机技术,2003,(6):62266.

图8

励磁电压波形

Simulationandanalysisof32phasetransientshortcircuit

indieselgeneratingset

LIUMing2an,DONGQiu2xia

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(TheTelecommunicationInstituteofAirforceEngineeringUniversity,ShanxiProv.,Xi’an710077,China;

2.TheBasisTeachingInstituteofAirforceEngineeringUniversity,ShanxiProv.,Xi’an710043,China)Abstract:ThecomputermodelofdieselgeneratingsetwassetupusingMatlab/Simulink/PowerSystemBlocksets.Thetransientcharacteristicsofthe32phaseshortcircuitindieselgeneratingsetweresimulated.Transi2entvariationsofmanygeneratorparameterswereobtainedanddiscussed.Simulatingresultswasaccordedwithrealvalues.ThisworkshowsthatMatlab/Simulink/PowerSystemBlocksetscanbeusedtosimulatethetransientprocessofdieselgeneratingpowersystem.Simulationresultsmaybeavailableforthemorereasonableanddepend2abledesignandrunofdieselgeneratingset.

Keywords:dieselgeneratingset;32phaseshortcircuit;transientsimulation