课 程 设 计 任 务 书
题 目 学 院 专 业 班 级 学生姓名 学 号
12 月 3 日至 12 月 16 日 共 2 周
指导教师(签字) 院 长(签字)
年 月 日
一、设计内容及要求 1、根据发电机自动准同期并入电网所需的条件，使用Matlab对不同条件下的并网过程进行仿真分析。 二、设计原始资料 详见参考书 三、设计完成后提交的文件和图表 1．计算说明书部分 仿真结果及设计说明书（论文） 2．图纸部分： 仿真电路 程序和仿真结果等以图片的形式附在设计报告中。 1
四、进程安排 第一周： 第一天上午：选题，查资料； 第一天下午：制定设计方案； 第二——第五天：搭建仿真模型，完成仿真部分； 第二周： 第一——四天：对仿真结果进行分析，完善设计方案，并完成设计报告； 第五天：答辩，交设计报告。 五、主要参考资料 《电力系统分析（第三版）》 于永源主编，中国电力出版社，2007年 《电力系统自动化》，王葵、孙莹编著，中国电力出版社，2007年； 《电力系统稳态分析》，陈珩 主编，中国电力出版社，2007年； 《电力系统暂态分析》，李光琦 主编，中国电力出版社，2007年。
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目录
摘要 ..................................................... 4 绪论 ..................................................... 5 一 设计内容及要求 ........................................ 6 1.1 设计题目 .......................................... 6 1.2 设计要求 .......................................... 6 二 发电机并网条件设计 .................................... 6 三 发电机并网模型的建立 .................................. 9 3.1发电机的仿真模型 ................................... 9 3.2 线路和变压器仿真模型 ............................. 10 3.3 系统仿真模型 ..................................... 10 3.4 负荷仿真模型 ..................................... 10 四 发电机并网过程的仿真 ................................. 10 4.1利用Matlab建立仿真模型 ........................... 10 4.2 GUI设计 ......................................... 13 4.3功能实现 ......................................... 14 心得体会 ................................................ 15 参考文献 ................................................ 16
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摘要
电机并网要求满足准同期条件，并网要求准确、快速。准确可以保障安全和
减少对发电机并网引起的冲击，而快速则能够减小发电机的空转损耗。随着计算机工业的发展和数字技术的迅猛进步，研制使用能够自动实现发电机并网的智能仪器已成为发电厂技术革新和自动化改造的重要课题。
计算机仿真技术己成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段。由于电力系统的特殊性, 很多研究无法采用实验的方法进行, 仿真分析显得尤为重要。发动机并网是电力系统中常见而重要的一项操作, 不恰当的并列操作将导致严重的后果。因此, 对同步发电机的并列操作进行研究, 提高并列操作的准确度和可靠性, 对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。
MATlAB是高性能数值计算和可视化软件产品。它由主包、Simulink 及功能各异的工具箱组成。从版本开始增加了一个专用于电力系统分析的PSB（电力系统模块,Power system blockset ） 。
本文探讨了发电机安全并入电网所需的条件，借助工程计算软件Matlab强大的绘图功能对不同条件下的并网过程进行了仿真分析，从而得出了一些重要的结论。这些结论为自动准同期装置的研制提供了理论根据。
关键词: 发电机并网；Matlab仿真；准同期条件
绪论
随着负荷的变动，电力系统中发电机运行的台数也经常改变。因此。同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。另外，当系统发生某些事故时．也常要求将备用发电机组迅速投入电网运行．由于某种原因，解列运行的电网需要联合运行，这就需要电网间实行并列操作。可见，在电力系统运行中并列操作足较为频繁的。
三相同步发电机是常用的交流发电机，但是单一的1台三相同步发电机对电网供电有明显的缺点：
(1)不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电）； (2)无法实现供电的灵活性和经济性；
这些缺点可以通过多台三相同步发电机并联来改善。通过并联可将几台同步发电机或几个发电站并成一个电网。现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统。
电网供电比单机供电有许多优点：
(1)提高了供电的可靠性。1台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故 (2)提高了供电的经济性和灵活性，例如水电厂与火电厂并联时．在枯水期和旺水期．两种电厂可以调配发电，使得水资源得到合理使用。在用电高峰期和低谷期．可以灵活地决定投入电网的发电机数量，提高了发电效率和供电灵活性。 （3)提高了供电质量，电网的容量巨大，单台发电机的投入与停机。个别负载的变化，对电网的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。
发电机并网是电力系统的一项经常、重要操作，不恰当的并列可能造成电气设备的损坏并对系统的稳定产生影响。过去对发电机并列的工程培训和研究，一般需要动模机组和多种传感器、录波器等昂贵设备。成本高且数据读取和计算复杂、繁琐，输出结果不理想。而利用数字仿真只需要有计算机和相应的软件即可实现，不但成本低，还可以很方便地得到各种所需数据、波形等结果，对数据的处理也更方便。
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一 设计内容及要求
1.1 设计题目
根据发电机自动准同期并入电网所需的条件，使用Matlab对不同条件下的并网过程进行仿真分析。
1.2 设计要求
1、发电机并网条件分析； 2、发电机并网模型的建立；
3、分别对发电机端电压电压与电网电压幅值、频率和初相位在各种匹配情况下，发电机并网过程的仿真；
4、理论分析结果与仿真分析结果的比较。
二 发电机并网条件设计
同步发电机并网运行时, 若要减小电网与发电机组组成的回路内产生的瞬时冲击电流, 必须保证同步发电机的电压与电网电压在并网的瞬时相等, 由此得出同步发电机并网运行的理想条件：
双方应有一致的相序； 双方应有相等的电压有效值；
双方应有相同或者十分接近的频率和相位。
以上三个条件中, 相序一致是必须满足的, 而其他两个条件要尽量满足。下面分析在满足相序一致条件下,其他两个条件未满足时对同步发电机并网运行的影响。
并网条件不满足时对电机的影响
1)电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。 2)产生谐振电流和电压．引起电机内功率振荡。
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3)电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高．效率降低， 4)电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，害电机安全运行。
相位差、频率差和电压差对滑差的影响
利用Matlab强大的绘图功能，可以得到各种情况下滑差电压的波形。图2.1所示为频差为0.5Hz 、压差和相位差为零时的滑差电压波形。图2.2所示为频差为0.5Hz、压差为零和相位差为60°时的滑差电压波形。可见当压差为零时包络线总是有过零点的，只要控制在过零点时合闸就没有冲击电流。滑差包络线的频率和频率差成正比。图2.3所示为压差为10 V、频差为0.5Hz、相位差为零时的滑差波形。从图中可见存在电压差时，滑差只有最小值而没有过零点，所以无论何时合闸都存在冲击电流。
频差为0.5Hz20015010050U/V0-50-100-150-20000.511.52t/s2.533.54
图2.1
频差为0. 5Hz时的滑差波形
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频差为0.5Hz相位差为60°20015010050U/V0-50-100-150-20000.511.52t/s2.533.54
图2.2 频差为0.5Hz相位差为60°时的滑差波形
差为0.5Hz压差为10V频20015010050U/V0-50-100-150-20000.511.52t/v2.533.54
图2.3 压差为10 V 频差为0. 5 Hz 时的滑差波形
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三 发电机并网模型的建立
在Matlab／Simulink 下用PSB 建立如图3.1所示的单机无穷大系统并网运行的模型，以此模型来分析发电机并网的动态过程。
图3.1单机无穷大系统
3.1发电机的仿真模型
同步发电机模型采用未简化的同步发电机模型，其电气部分采用五阶的状态空间方程组（不考虑零轴的派克方程），没有考虑q轴阻尼绕组的电磁暂态过程。其转子等值电路如图4.2所示。
图3.2 发电机等值电路
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3.2 线路和变压器仿真模型
线路采用串联的电阻和电感组成的集中参数模型，Matlab 中还有PI型和分布参数2种输电线模型。Matlab，可以根据需要选取其型号和接线方式。
3.3 系统仿真模型
系统模型采用PSB中提供的Three- phase Inductive Source，它由共地的三相对称的理想电压源串接阻抗组成，阻抗值的大小由电压幅值和系统的视在功率决定。它主要提供无功功率以保证电压稳定。
3.4 负荷仿真模型
负荷模型采用接地的恒定阻抗来模拟，这样可以加快仿真速度，其数值大小由电压和负荷大小决定。除此之外，Matlab还提供电动机等负荷。
四 发电机并网过程的仿真
Matlab是高性能数值计算和可视化软件产品。它由主包、Simulink及功能各异的工具箱组成。从Matlab5.2版本开始增加了一个专用于电力系统分析的电力系统模块。
PSB中主要有同步机、异步机、变压器、直流机、特殊电机的线性和非线性、有名的和标么值系统的、不同仿真精度的设备模型库；单相、三相的分布和集中参数的传输线；单相、三相断路器及各种电力系统的负荷模型、电力半导体器件库以及控制和测量环节。再借助其他模块库或工具箱, 在Simulink环境下, 可以进行电力系统的仿真计算, 并可方便地对各种波形进行图形显示。该系统可以对多种情况下的发电机并网过程进行仿真分析, 并将仿真结果显示于界面。
4.1利用Matlab建立仿真模型
首先在Matlab主命令窗口下输入Simulink 进入仿真平台，建立一个新
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的.mdl文件。将所需同步发电机、变压器、线路、无穷大系统和负荷模型均用鼠标拖到该文件下。
根据图4.1所示将各个模块联接，再将同步发电机的励磁调节器和调速器拖到文件下，从同步发电机的测量端子m引出发电机的参数通过PSB中的Machine Measurement Demux 得到各个参数，联接到励磁调节器和调速器的输入端口。
变压器采用YgY 接线，这样可以省去计算电压相角时相位的变化。各模块的参数均可通过其对话框来设置。对感兴趣的量可以通过测量元件在示波器上显示或者以数组形式输出到工作空间，并可观察波形或进行数据分析。最后再拖入一个PowerGUI 到文件里即可进行仿真。
图4.1 发电机并网仿真模型
在进行仿真计算前，先在Power GUI下进行稳态潮流计算，设置初始运行的条件，即可对不同条件下的发电机并网过程进行动态仿真。设置简单方便，有“Set state variables ”，“Steady state ”，“Machine load flow”3 项。“Machine
load flow”可用来设置模型中发电机节点的类型（PV 节点或平衡节点）、电压和输出功率（或电压角度），在结果中可以看到发电机的线电压、相电流、有功、无功、励磁电压、转差、转矩等。
在计算完稳态潮流后，相应结果可自动填入电机的数据输入对话框和初始条件设置中。通过“Set state variables ”能够对计算所需的状态变量数值分别设定，可以从任意初始值开始进行仿真。“Steady state ”可以查看稳态时包括电压电流源、状态变量、被测量和非线性环节在内相应电压和电流的幅值和相角。
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运行不同条件下的发电机并网过程仿真, 并将发电机功率、转速、励磁电压等重要参数以波形的形式显示出来，如图4.2、图4.3所示。当发电机和系统的频差5％为时, 经过一个短暂的震荡过程, 系统可将发电机拉入同步运行。合闸后存在一定的冲击电流, 符合发动机实际并网过程的动态变化。当发电机和系统的频差为10％, 存在较大的并列误差时, 合闸后发电机一直震荡而无法进入稳定状态状态,系统无法将发电机拉入同步运行。由图可以看出, 当同时存在压差和频差, 且频差较小时, 经过一个轻微的震荡过程, 也能将发电机拉入同步运行。而当发电机和系统的压差不为0且频差较大(频差为5％)时并网, 合闸后产生较大大的冲击电流, 发电机一直处于震荡状态而无法稳定, 系统无法将发电机拉入同步运行。通过改变发动机及系统的参数设置, 还可以进行其他多种条件下的并网过程仿真分析.
图4.2 存在频差时并网
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图4.3 存在压差及频差时并网
1)在一定的频差下，电网和发电机的相位差呈现周期性的变化，变化快慢受频差的影响，频差越大，变化越快。
(2)控制发电机断路器在相位差过零的瞬时闭合，可以保证发电机能够平滑地并入电网。
(3)在相位差过零点并网时冲击的大小取决于此时电网和发电机的电压差，电压差越大，冲击越大，电压差为零，则没有冲击。
自动准同期装置是利用计算机和准同期条件实现发电机自动并网的智能仪器。该装置必须能够自动检测电网和发电机的电压、频率和相位差，促使准同期条件得到满足，从而实现发电机的准确并网。由于发电机并网开关闭合需要一定的时间，因此，自动准同期装置所要完成的主要任务是：控制发电机的电压和频率，使发电机与电网的电压差和频差被在一定的范围内。在相位差的周期性变化过程中，通过动态测量其变化率，根据并网开关闭合所需时间的大小，捕捉合闸脉冲的发出时机，从而控制断路器在相位差过零点附近闭合。
4.2 GUI设计
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图4.4 GUI仿真界面
发电机并网过程仿真分析GUI界面由波形显示区,仿真条件设置区, 运行控制区及辅助功能区组成, 波形显示区通过坐标系显示重要变量波形图;仿真条件设置区采用下拉框设置频率、电压、相位等几个重要的并网条件;运行控制区用按钮实现“ 开始仿真” 、“ 查看波形” 、“退出”等几个主要的运行控制功能;辅助功能区实现放大/还原、加/去栅格等辅助功能。
4.3功能实现
系统内核有两大部分:模型文件和函数文件。模型文件即是在Similink下构建的发电机在各种条件下进行并网的仿真模型。共有10个.mdl文件, 分别对应不同的并网条件, 与GUI界面仿真条件设置区的频率选择、电压选择、相位选择的不同组合相对应。函数文件包含主控函数、回调函数和通用绘图函数。主控函数实现界面切换功能。回调函数用来实现界面上各控件的动作响应。绘图函数实现仿真波形图的绘制。
发电机并网过程仿真分析系统具有简单直观、能灵活选择仿真条件等优点, 可以用于分析多种条件下发电机并网对电力系统的影响, 也可用于相关课程的教学及工程培训。
随着新设备、新技术不断应用于电力系统, 电力系统变得日益复杂和庞大,
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这也对电力系统的仿真提出了更高的要求。Matlab作为电力系统仿真软件之一, 有着图形用户界面设计方便、仿真建模模块化、编程简单等优点, 是电力系统仿真分析的理想工具。但Matlab也有仿真速度较慢、对复杂电力系统仿真较困难等缺陷。总的来说,Matlab还是一个电力系统仿真分析的有力工具,随着版本的升级, 模块结构的优化以及计算机技术的发展, 相信的Matlab仿真性能会越来越卓越。
心得体会
首先，我要感谢x老师，她严谨细致精益求精、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，
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深深地感染和激励着我。每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。而你开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快的融入我们这个新的实验室，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向栗老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
这次课程设计我们历时两个星期，不仅需要电气工程自动化的专业知识，对MATLAB也得很熟悉，还好这两门课我们这学期都开设了。这项看起来不需要多少技术的工作却是非常需要耐心和精力，课上一点东西学得不好都会影响课程设计的顺利进行。在两个星期后的今天我已明白课程设计对我来说的意义，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和思考的能力，更重要的是同学间的团结。
作为一名电气工程及其自动化专业的大四学生，我觉得做电气系统自动化课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台，为自己今后的学习和工作奠定了基础。
通过这次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关matlab方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了我在这方面的知识欠缺和经验不足。这次课程设计不仅培养了思考、操作的能力，在其它能力上也都有了提高。更重要的是，我们学会了很多学习的方法，真的是受益匪浅。
参考文献
[1] 《电力系统及其自动化》 王莹.中国电力出版社 [2] 《电力系统及其自动化》王先彬.中国电力出版社
[3] 《 Matlab电力系统设计与分析》吴天明.国防工业出版社.北京.2004 [4]《电力系统分析（第三版）》 于永源主编，中国电力出版社，2007年
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[5]《电力系统自动化》，王葵、孙莹编著，中国电力出版社，2007年； [6]《电力系统稳态分析》，陈珩 主编，中国电力出版社，2007年； [7]《电力系统暂态分析》，李光琦 主编，中国电力出版社，2007年。
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