基于Simulink的同步发电机电气特性分析

资伟娜

摘要 发电机电气特性对发电系统安全经济运行影响重要，本文利用Simulink软件，仿真了同步发电机暂态过程中的电气特性。研究表明，在同步发电机设计功率50kW，运行功率48.9kW突增到60kW时，电流、功率均呈正比增加，转速则维持不变，这与实际运行经验规律一致，该方法能够准确反映发电机电气特性。

关键词 同步发电机；功率突变；电气特性

中图分类号TP3 文献标识码A 文章编号2095—6363（2017）03—0058—02

随着工业用电、居民用电的急剧增加，我国电力系统蓬勃发展，但是用户对电能质量的要求也越来越高，科研工作者和技术管理人员对电力系统稳定性的关注也越来越倾向于细节化。但是，由于电力生产及其配送过程的复杂性，以及电力安全运行的要求，难以在现场开展针对性试验，而实验室条件下开展的试验往往有大量的简化，对细节描述不足。因此基于Simulink等软件开展仿真已经成为电力系统可靠性分析的重要手段之一。

同步发电机是电厂常见的主机之一，在国内应用非常广泛，但是同步发电机结构相对复杂，它具有典型的多电磁耦合绕组结构，在突然三相短路、功率突变等故障情况下，同步发电机会产生高达数万乃至几十万安的瞬间冲击电流，不仅对同步发电机本身造成巨大的破坏，对电网也会造成极大冲击，严重时会导致巨大的经济损失，关于同步发电机运行特性的研究也是电厂电气部分研究重点内容之一。譬如，孙宇光仿真分析了励磁绕组线圈之间短路故障问题，计算了与短路故障相关的励磁绕组电感参数；杨定乾分析了阻尼绕组与短路故障时电流、磁势之间的内在联系。但是，关于同步电动机功率突变下的电气特性研究较少。为此，本文利用Simulink软件，对常见的以凸极同步发电机为核心的小电网系统进行分析，研究功率突变下，同步发电机转速、电流、电压的变化情况，分析发电机动态特性，为同步发电机短路故障分析提供新思路。

1同步发电机数学模型

凸极同步发电机由A、B、C相定子绕组、励磁绕组和阻尼绕组等6个绕组组成，结构复杂，影响因素多，其中电磁耦合关系对同步发电机短路故障影响最为关键，为了突出重点并降低仿真难度，本文对同步发电机运行特性进行适当简化：忽略磁滞、电涡流效应的损耗及其对绕组特性的影响；假定发电机参数不变，且设计安装合理，无不对中、不平衡等故障。

在上述假设的基础上，可建立同步发电机绕组电压平衡方程，根据电路定律，发电机六个绕组可以建立6个回路电压平衡方程，如下：

2同步发电机功率突变下的仿真建模

Simulink是基于MATLAB平台开发的仿真系统，可实现各种类型系统的动态特性仿真，被广泛的应用于信息工程、电力系统、机械工程以及金融分析等不同领域中。

本文利用Simulink软件建立的同步发电机功率突变仿真模型，主要有以下原件组成：ABC三相绕组、励磁绕组、阻尼绕组及相关放大单元、电压和电流测量原件等组成，如图1所示。

在图1中，设置同步发电机功率突变仿真参数，其中时间观察段设置为3.0s，仿真步长类型设置为可变型，其步长相应调整设置为自动模式，相对容差设置为0.001，发电机初始输出功率为50kW，相应机械功率48.9kW，在0.1s时，设置机械功率突增到60kW。

3功率突变下发电机动态特性分析

图2表示功率突变情况下，同步发电机机端电流变化曲线，发生突变后，发电机电流先增加后减小，并开始振荡。显然在机械功率发生突变之前，发电机电流维基本稳定在38.2A；当发生功率突变时，电流快速增加值52.2A左右，是初始电流的1.37倍，并伴随发生较强烈的电流振荡，经历近2s才逐渐恢复至稳定值46.8A，这在一定程度上将对电网造成冲击。

图3为机械功率突变下转速变化图，机组初始转速为1 800rpm，当突变发生后，机组转速先减小后增加，发生振荡现象。但是必须指出的是，由于功率突变的发生所导致的转速变化，不足初始转速的千分之一。因此，可以认为同步发电机功率突变对转速几乎没有影响。转速为影响，则供电频率也几乎保持不变。

图4表示功率突变下发电机负载角变化情况。显然，功率突变下负载角度的变化与转速变化、电流变化不同，负载角呈现出逐步下降的变化趋势，最终稳定在26.5万°。

图5为发电机在功率突变情况下的输出功率变化图，显然在机械功率突然增加后，发电机输出功率也会发生激增，并在2s后達到稳定状态，该变化为发电机电流变化类似。

在同样条件下做机械功率突增到100kW的仿真实验，与机械功率突增至60kW的仿真实验进行对比，结果如表1所示。

表1表明，在功率激增的情况下，发电机转速基本保持不变，电流、功率和负载角呈线性变化。另外机械功率突变会伴随电流、功率等的波动，对电网会造成一定冲击，但冲击破坏性比三相短路要低很多。

4结论

本文利用Simulink软件仿真了不同功率突变下，同步发电机组电流、转速、负载角和功率等关键因素的变化情况。研究表明，同步发电机组在功率突变时，电流、功率和负载角呈线性变化，而转速则基本保持不变，这与电厂实际运行规律相符合。利用Simulink能够较好的反映同步发电机组，乃至电网运行特性，为电网、机组等电气特性仿真提供了新方法。