MATLAB的同步发电机故障运行仿真分析

张兆冰

（茂名热电厂，广东 茂名 525000）

前言

随着电力系统的快速发展和电网的日益扩大以及自动化系统程度的不断提高,在电力系统中计算和控制问题等也日益复杂,在进行电力试验时直接从技术和安全上考虑可能性很小。因此,运用电力仿真来解决这些问题非常迫切。本文作者主要通过MATLAB对发电厂单机并网后，在发电厂的同步发电机发生小扰动及短路故障情况下应如何使发电机及系统重新回到稳定状态进行了模拟，同时就发电机在故障情况下应如何进行处理进行了分析。

1.设备选择及参数计算

1.1 同步发电机与电网的接线如附图1：

附图1

1.2 发电机选定

（1）选取汽轮发电机QFQ-50-2,给定参数如下：额定容量（MW）:50，额定电压（kV）:10.5，额定电流（A）:3440（2）查出发电机参数并将计算出的标么值输入。

1.3 ①选择 110kV双卷变为：SFP7-63000/110 (接线组别：YN,d11)②查出变压器参数并计算出标么值输入。(折算到低压侧)

1.4 厂用电的选择

选定厂用电负荷的容量为6.25MVA。功率因数cosФ＝0.8。同步发电机故障运行状况分析：在 MATLAB中可设置各种短路故障，用示波器观测短路故障时的电流、电压、同步发电机输出各参数等受到的影响，以此来分析系统故障对系统及电厂的影响。本次主要以三相短路故障

2 如何解决系统故障，让系统重新回到稳定状态

2.1 故障的快速切除

快速切除故障在提高暂态稳定性方面起着首要的，决定性的作用。由于快速切除故障，减小了加速面积，增加了减速面积，提高了发电厂之间并列运行的稳定性。同时，故障的快速切除，使电动机的端电压迅速回升，减小了电动机失速、停顿的危险，提高了负荷的稳定性。目前，可做到短路发生后0.06秒切除故障，其中，0.02秒是保护装置动作时间，0.04秒为断路器动作时间。

2.2 自动重合闸的采用

由于系统中的故障，特别是超高压输电线路的故障，绝大多数是短路故障，采用自动重合闸装置，在故障发生后切除故障线路，待消失后自动重新将这线路投入，以提高供电的可靠性，成功率很高。

上述两种方法，多用在从系统方面消除故障。

2.3 强行励磁和快速关闭汽门

这是两种从自动调节系统入手，借减少功率或能量的差额提高暂态稳定性的措施。非常经济有效。

（1）快速关闭汽门。所谓快速关闭汽门，按目前技术水平可以达到的指标大致指油动机时间常数不大于0.1秒，汽容时间常数也不大于0.1秒。其中，以汽容时间常数更难减小，限制了快速关闭汽门的效果。所以改为强行励磁是目前比较有效且能实施的手段。

（2）强行励磁。强行励磁对提高发电厂并列运行和负荷的暂态稳定性都很有利。它的作用随励磁电压增长速度和强行励磁倍数的增大而愈益显著。将强行励磁倍数不断增大，原来不能保持暂态稳定的系统就转而可保持暂态稳定。强行励磁的参数可以用励磁机时间常数或等值的励磁机时间常数和强行励磁倍数，即最大可能励磁电压与发电机在额定条件下运行时的励磁电压之比表示。本次模拟实验选定故障发生后一个时间常数进行增大励磁倍数来使系统重新达到稳定。

3 三相短路实验

当系统发生三相对称短路时 (图附1中Fault)，当输入有功功率不大时，发生三相短路故障，故障消除后，系统能重新回到稳定状态；当输入有功功率较大时，发生三相短路故障时，故障消除后，系统回不到稳定状态。

实验：（1）当输入有功功率为0.0785较小时，在30s～30.5s内发生三相短路。其电压及电流波形如图：由图可知，在输入的有功功率较小时，系统发生三相短路故障，故障消除后，系统电压能重新回到稳定状态。

0～60s的电压变化曲线图

由上图可知，在输入的有功功率较小时，系统发生三相短路故障，故障消除后，系统电流能重新回到稳定状态。

（2）当输入功率增大时，系统在发生三相短路后，若不增加励磁则系统不能回到稳定状态。实验：在20秒时有功功率的输入由0.0785增到0.8，则电压及电流如图：

0～60s的电流变化曲线图

由上两图可知，输入功率增大时，系统在发生三相短路后，若不改变励磁，则系统不能回到稳定状态。

（3）当有功功率输入增大时，励磁增大值不够时，当出生三相短路时，系统同样回不到稳定状态。

0～35s的电压变化曲线图

0～35s的电流变化曲线图

实验：在20秒时增加有功率的输入值由0.0785到0.5，励磁由0.65增至1.2，短路后励磁仍为1.2系统电压及电流波形如图：

由图可以看出，短路故障出现后，励磁增加不够大时，系统还是回不到稳定状态。

（4）在20秒时，将输入功率由0.0785增到0.5，当出现短路故障时，将励磁增大2倍以上（在30.3秒输入2.5），在50秒时将输入功率由0.5增大至0.8。系统电压、电流波形如下图：

0～35s的电压变化曲线图

0～35s的电流变化曲线图

由图可以看出，在20秒时，电压及电流随着有功输入的增大而增大，当出现短路故障时，增大励磁至短路前的2倍以上时，系统重新回到稳定状态，在50秒时，输入功率再一次增大，电压及电流相应发生振荡。

0～60s的电压变化曲线图

0～60s的电流变化曲线图

4 结束语

由以上分析可知，励磁控制可以提高同步发电机的稳定极限。快速励磁系统允许发电机在较高的系统电抗下运行。这一点很重要，因为从采用大容量机组的趋势来看，大机组具有大的电抗。对于执行这这种功能的励磁机来说，需要有高的放大系数。串联补偿使它可以具有高值的直流放大系数，同时有较低的“暂态放大系数”以利于稳定运行。其它的故障分析也与此相同，只要掌握了MATLAB的运用手段，在电力系统分析中可以进行无数的仿真实验及分析计算，对电力系统进行破坏性仿真实验有着极大的帮助。随着MATLAB的推广，对电力系统的发展将起着很大的促进作用。

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