电力系统的MATLAB-SIMULINK仿真与应用4

第4章电力系统主要元件等效模型第4章电力系统主要元件等效模型4.1同步发电机模型4.2电力变压器模型4.3输电线路模型4.4负荷模型习题第4章电力系统主要元件等效模型4.1同步发电机模型4.1.1同步发电机等效电路SimPowerSystems中同步发电机模型考虑了定子、励磁和阻尼绕组的动态行为，经过Park变换后的等值电路如图4-1所示。图4-1同步发电机等效电路图(a) d轴等效电路；(b) q轴等效电路第4章电力系统主要元件等效模型该等值电路中，所有参数均归算到定子侧，各变量下标的含义如表4-1所示。表4-1同步发电机各变量下标的含义下标含义d、qd轴和q轴分量r、s转子和定子分量l、m漏感和励磁电感分量f、k励磁和阻尼绕组分量第4章电力系统主要元件等效模型因此，图4-1中，Rs、Ll为定子绕组的电阻和漏感，dRf、dflL为励磁绕组的电阻和漏感，dRk、dLlk为d轴阻尼绕组的电阻和漏感，1kqR、1lkqL为q轴阻尼绕组的电阻和漏感，2kqR、2lkqL为考虑转子棒和大电机深处转子棒的涡流或者小电机中双鼠笼转子时q轴阻尼绕组的电阻和漏感，Lmd和Lmq为d轴和q轴励磁电感，ωRφq和ωRφd为d轴和q轴的发电机电势。第4章电力系统主要元件等效模型4.1.2简化同步电机模块简化同步电机模块忽略电枢反应电感、励磁和阻尼绕组的漏感，仅由理想电压源串联RL线路构成，其中R值和L值为电机的内部阻抗。SimPowerSystems库中提供了两种简化同步电机模块，其图标如图4-2所示。图4-2(a)为标幺制单位(p.u.)下的简化同步电机模块，图4-2(b)为国际单位制(SI)下的简化同步电机模块。简化同步电机的两种模块本质上是一致的，唯一的不同在于参数所选用的单位。第4章电力系统主要元件等效模型图4-2简化同步电机模块图标(a)标幺制；(b)国际单位制第4章电力系统主要元件等效模型简化同步电机模块有2个输入端子，1个输出端子和3个电气连接端子。模块的第1个输入端子(Pm)输入电机的机械功率，可以是常数，或者是水轮机和调节器模块的输出。模块的第2个输入端子(E)为电机内部电压源的电压，可以是常数，也可以直接与电压调节器的输出相连。模块的3个电气连接端子(A，B，C)为定子输出电压。输出端子(m)输出一系列电机的内部信号，共由12路信号组成，如表4-2所示。第4章电力系统主要元件等效模型表4-2简化同步电机输出信号输出符号端口定义单位1～3isa，isb，iscis_abc流出电机的定子三相电流A或者p.u.4～6Va，Vb，Vcvs_abc定子三相输出电压V或者p.u.7～9Ea，Eb，Ece_abc电机内部电源电压V或者p.u.10θThetam机械角度rad11ωNwm转子转速rad/s或者p.u.12PePe电磁功率W第4章电力系统主要元件等效模型通过电机测量信号分离器(MachinesMeasurementDemux)模块可以将输出端子m中的各路信号分离出来，典型接线如图4-3所示。第4章电力系统主要元件等效模型图4-3简化同步电机输出信号分离接线第4章电力系统主要元件等效模型双击简化同步电机模块，将弹出该模块的参数对话框，如图4-4所示。图4-4简化同步电机模块参数对话框第4章电力系统主要元件等效模型在该对话框中含有如下参数：(1)“连接类型”(Connectiontype)下拉框：定义电机的连接类型，分为3线Y型连接和4线Y型连接(即中线可见)两种。(2)“额定参数”(Nom.power,L-Lvolt.，andfreq.)文本框：三相额定视在功率Pn(单位：VA)、额定线电压有效值Vn(单位：V)、额定频率fn(单位：Hz)。(3)“机械参数”(Inertia,dampingfactorandpairsofpoles)文本框：转动惯量J(单位：kg·m2)或惯性时间常数H(单位：s)、阻尼系数Kd(单位：转矩的标幺值/转速的标幺值)和极对数p。第4章电力系统主要元件等效模型(4)“内部阻抗”(Internalimpedance)文本框：单相电阻R(单位：Ω或p.u.)和电感L(单位：H或p.u.)。R和L为电机内部阻抗，设置时允许R等于0，但L必须大于0。(5)“初始条件”(Init.cond.)文本框：初始角速度偏移Δω(单位：％)，转子初始角位移θe(单位：°)，线电流幅值ia、ib、ic(单位：A或p.u.)，相角pha、phb、phc(单位：°)。初始条件可以由Powergui模块自动获取(见5.1节)。【例4.1】额定值为50MVA、10.5kV的两对极隐极同步发电机与10.5kV无穷大系统相连。隐极机的电阻R=0.005p.u.，电感L = 0.9p.u.，发电机供给的电磁功率为0.8p.u.。求稳态运行时的发电机的转速、功率角和电磁功率。第4章电力系统主要元件等效模型解：(1)理论分析。由已知，得稳态运行时发电机的转速n为n = = 1500r/min(4-1)其中，f为系统频率，按我国标准取为50Hz；p为隐极机的极对数，此处为2。电磁功率Pe = 0.8p.u.，功率角δ为(4-2)其中，V为无穷大系统母线电压；E为发电机电势；X为隐极机电抗。(2)按图4-5搭建仿真电路图，选用的各模块的名称及提取路径见表4-3。pf6005.46119.08.0arcsinarcsineEVXP第4章电力系统主要元件等效模型图4-5例4.1的仿真电路图第4章电力系统主要元件等效模型表4-3例4.1仿真电路模块的名称及提取路径模块名提取路径简化同步电机SSMSimPowerSystems/Machines交流电压源Va、Vb、VcSimPowerSystems/ElectricalSources三相电压电流测量表V-IMSimPowerSystems/Measurements电机测量信号分离器DemuxSimPowerSystems/MachinesFourier分析模块FFT1、FFT2SimPowerSystems/ExtraLibrary/Measurements接地模块GroundSimPowerSystems/Elements常数模块Pm、VLLrmsSimulink/Sources选择器模块S1、S2Simulink/SignalRouting增益模块GSimulink/CommonlyUsedBlocks信号终结模块T1、T2Simulink/Sinks求和模块SumSimulink/MathOperations示波器ScopeSimulink/Sinks第4章电力系统主要元件等效模型(3)设置模块参数和仿真参数。双击简化同步电机模块，设置电机参数如图4-6所示。图4-6例4.1的同步电机参数设置第4章电力系统主要元件等效模型在常数模块Pm的对话框中输入0.805，在常数模块VLLrms的对话框中输入1.04(由Powergui计算得到的初始参数)。电机测量信号分离器分离第4～9、11、12路信号。选择器模块均选择a相参数通过。由于电机模块输出的转速为标幺值，因此使用了一个增益模块将标幺值表示的转速转换为有单位r/min表示的转速，增益系数为15002506060pfK(4-3)第4章电力系统主要元件等效模型两个Fourier分析模块均提取50Hz的基频分量。交流电压源Va、Vb和Vc为频率是50Hz、幅值是10.5× /kV、相角相差120°的正序三相电压。三相电压电流测量模块仅用作电路连接，因此内部无需选择任何变量。打开菜单[SimulationConfigurationParameters]，在图4-7的“算法选择”(Solveroptions)窗口中选择“变步长”(variable-step)和“刚性积分算法(ode15s)”。23第4章电力系统主要元件等效模型图4-7例4.1的系统仿真参数设置第4章电力系统主要元件等效模型(4)仿真及结果。开始仿真，观察电机的转速、功率和转子角，波形如图4-8所示。仿真开始时，发电机输出的电磁功率由0逐步增大，机械功率大于电磁功率。发电机在加速性过剩功率的作用下，转速迅速增大，随着功角d 的增大，发电机的电磁功率也增大，使得过剩功率减小。当t = 0.18s时，在阻尼作用下，过剩功率成为减速性功率，转子转速开始下降，但转速仍然大于1500r/min，因此功角d 继续增大，直到转速小于1500r/min后(t=0.5s)，功角开始减小，电磁功率也减小。t= 1.5s后，在电机的阻尼作用下，转速稳定在1500r/min，功率稳定在0.8p.u.，功角为44°。仿真结果与理论计算一致。第4章电力系统主要元件等效模型图4-8例4.1的仿真波形图第4章电力系统主要元件等效模型4.1.3同步电机模块SimPowerSystems库中提供了三种同步电机模块，用于对三相隐极和凸极同步电机进行动态建模，其图标如图4-9所示。图4-9(a)为标幺制(p.u.)下的基本同步电机模块，图4-9(b)为标幺制(p.u.)下的标准同步电机模块，图4-9(c)为国际单位制(SI)下的基本同步电机模块。第4章电力系统主要元件等效模型图4-9同步电机模块图标(a) p.u.基本同步电机；(b) p.u.标准同步电机；(c) SI基本同步电机第4章电力系统主要元件等效模型同步电机模块有2个输入端子、1个输出端子和3个电气连接端子。模块的第1个输入端子(Pm)为电机的机械功率。当机械功率为正时，表示同步电机运行方式为发电机模式；当机械功率为负时，表示同步电机运行方式为电动机模式。在发电机模式下，输入可以是一个正的常数，也可以是一个函数或者是原动机模块的输出；在电动机模式下，输入通常是一个负的常数或者函数。模块的第2个输入端子(Vf)是励磁电压，在发电机模式下可以由励磁模块提供，在电动机模式下为一常数。第4章电力系统主要元件等效模型模块的3个电气连接端子(A,B,C)为定子电压输出。输出端子(m)输出一系列电机的内部信号，共由22路信号组成，如表4-4所示。第4章电力系统主要元件等效模型表4-4同步电机输出信号输出符号端口定义单位1～3isa，isb，iscis_abc定子三相电流A或者p.u.4～5isq，isdis_qdq轴和d轴定子电流A或者p.u.6～9ifd，ikq1，ikq2，ikdik_qd励磁电流、q轴和d轴阻尼绕组电流A或者p.u.10～11mq，mdphim_qdq轴和d轴磁通量Vs或者p.u.12～13Vq，Vdvs_qdq轴和d轴定子电压V或者p.u.14Δθd_theta转子角偏移量rad15ωmwm转子角速度rad/s16PePe电磁功率VA或者p.u.17Δωdw转子角速度偏移rad/s18θtheta转子机械角rad19TeTe电磁转矩Nm或者p.u.20δDelta功率角Nm或者p.u21，22Peo，QeoPeo,Qeo输出有功和无功功率rad第4章电力系统主要元件等效模型通过“电机测量信号分离器”(MachinesMeasurementDemux)模块可以将输出端子m中的各路信号分离出来，典型接线如图4-10所示。第4章电力系统主要元件等效模型图4-10同步电机输出信号分离接线第4章电力系统主要元件等效模型同步电机输入和输出参数的单位与选用的同步电机模块有关。如果选用SI制下的同步电机模块，则输入和输出为国际单位制下的有名值(除了转子角速度偏移量Δω以标幺值、转子角位移θ以弧度表示外)。如果选用p.u. 制下的同步电机模块，输入和输出为标幺值。双击同步电机模块，将弹出该模块的参数对话框，下面将对其一一进行说明。1. SI基本同步电机模块SI基本同步电机模块的参数对话框如图4-11所示。第4章电力系统主要元件等效模型图4-11SI基本同步电机模块参数对话框第4章电力系统主要元件等效模型在该对话框中含有如下参数：(1)“预设模型”(Presetmodel)下拉框：选择系统设置的内部模型后，同步电机自