同步发电机发生三相短路电流分析ppt1

未解决的问题:
1.冲击电流仿真值与理论值误差较大，初步估计是同步发电机参 数的影响，由于时间限制，目前还未解决。
2.设置发电机参数的过程中发现a相相电压总是不为零，经过多 次尝试仍未解决。
谢谢欣赏！
根据磁链守恒原理： ψai+ψa0=ψa|0| ψbi+ψb0=ψb|0| ψci+ψc0=ψc|0|
若在t=0时刻定子突然三相 短路，令该时刻与转子位置 相对应的θ为θ0，则短路后 主磁通交链三相磁链的表达 式为： ψa0=ψ0cos(θ0+ω0t) ψb0=ψ0 cos(θ0+ω0t-120°) ψc0=ψ0cos(θ0+ω0t+120°)
上述研究的问题为空载时同步发电机极端短路，以下我们将 尝试研究发电机负载时不同的短路位置对发电机的影响： ①发电机负载模型:
②发电机机端短路后id，iq，ifd波形:
③线路后短路id，iq，ifd波形:
④变压器后短路id，iq，ifd波形:
⑤结论：由波形可以看出，短路位置距离发电机越远，发电机内部 电流的振荡越小，对发电机的影响越小。
结论: 由以上的仿真波形和数据可以看出，突然短路时，各 绕组电流都发生震荡。定子绕组中会产生直流分量、基频 交流分量、二倍频分量和很小的高频分量；转子绕组中会 产生直流分量、基频交流分量和很小的倍频分量。和理论 分析基本吻合。从仿真图形可以估算出冲击电流标幺值为 10.75，误差为16.97%。
研究拓展--短路位置对同步发电机的影响
0.020001s时傅里叶分解图：
Iq在0.020001s发生短路时电流傅里叶级数分解结果为以50Hz的基频电流作为基
准值，直流电流占基准值的40.83%；两倍频交流电流占基准值的1.61%，三倍 频交流电流占基准值1.90%，四倍频的交流电流占基准值的2.07%。
说明：当发生三相短路后d轴电流中含有直流和基频交流分量及很少的倍频分量， 当暂态过程达到稳态时基频交流分量变得很小，稳态电流主要由直流分量决定； q轴三相短路后短路电流中有基频交流电流和直流电流及少量倍频电流，当暂态 电流达到稳态时q轴电流变得很小，基本上趋于0。
将电机突然三相短路后的定子电流分为两部分来计算， 将它们合并后，即得同步发电机突然三相短路后的实际 电流为：
经坐标变换后，得到：
转子不计阻尼的实际电流为：
2.同步发电机突然三相短路的仿 真与分析
问题陈述：一台有阻尼绕组的同步发电机，PN=200MW， UN=13.8KV ，fN=50Hz，Xd=1.0,Xq=0.6,Xd’=0.30， Xd’’=0.21,Xq’’=0.31，Ta=0.16s,Td=1.64s,Td’’=0.34s。若 发电机空载，端电压为额定电压，α=0，端子突然发生三 相短路，利用matlab对突然短路后的定子电流进行分析。
课题内容
利用 matlab/simulink提供的电力系统 分析工具，构造了同步发电机突然三相短路 的仿真模型，凸极同步发电机的调节机构由 水轮机调节器(HTG)和励磁调节器 (Excitation System)构成。通过仿真可以明 显看出发生三相短路后直轴电流id、交轴电 流iq、励磁电流if和三相电流ia、ib、ic的变 化趋势。结合理论知识对其进行分析，将理 论和实际相结合讨论三相短路电流的变化。
在短路瞬间三相磁链的 瞬时值分别为： ψa |0｜=ψ0cosθ0 ψb |0 |=ψ0 cos(θ0-120°) ψc |0|=ψ0cos(θ0+120°)
三相短路电流的磁链： ψai=ψa|0|-ψa0= ψ0cosθ0 -ψ0cos(ω0t) ψbi=ψb|0|-ψb0=ψ0 cos(θ0-120°) -ψ0 cos(ω0t-120°) ψci=ψc|0|-ψc0= ψ0cos(θ0+120°)-ψ0cos(ω0t+120°)
2）转子短路电流分析： 定子电流中的直流分量产生一个在空间静止的磁场，而励磁 绕组以同步速旋转，它们的相对速度为同步转速；定子电流 中的二倍频分量产生以两倍同步速旋转的磁场，与励磁绕组 的相对速度也是同步速。所以为了维持磁链不变，励磁绕组 中必有一个基频交流电流,以抵消穿入的交变磁场。 从以上的分析可知，短路后转子绕组电流包含有直流分量和 基频交流分量。 实际上，电机所有绕组都是有电阻的，所以定子和转子电 流由暂态达到稳态过程中除了和外，其他的自由分量都衰减 成零，暂态过程结束。
3）数学模型：
应用叠加原理，认为不是发生了突然短路，而是在 电机的端头上突然加上了与电机突然短路前的端电压大 小相等但方向相反的三相电压。这样考虑时，同步电机 的突然三相短路问题就变成了下述两种工作情况的综合 问题了,即:（1）与短路前一样的稳态运行状况 ；（2） 突然在电机端头上加上与突然短路前的端电压大小相等 但方向相反的三相电压。
事故
题
课题简介
同步发电机是电力系统中最重要和最复杂的元件， 由多个具有电磁耦合关系的绕组构成。同步发电机三相 突然短路时，定子绕组中会产生很大的冲击电流，其峰 值可达额定电流的10倍以上，从而将在电机内部产生很 大的电磁力和电磁转矩，如果设计和制造时未加充分考 虑，会使定子绕组端部受到损伤，或使转轴发生有害的 变形，还可以破坏电网的稳定和正常运行。因此，虽然 突然短路的瞬态过程时间很短，却受到设计和运行人员 的密切关注。了解短路后电流变化情况至关重要。
1.理论分析
为了便于分析，假定： ①发生短路后励磁电压始终保 持不变;②短路发生在发电机出线端口 1）定子短路电流分析：在空载运行时只有励磁电流产 生磁通，扣除漏磁通后，穿过主磁路的主磁通交链定子三相 绕组。
由于转子以同步转速旋 转，主磁通交链定子三 相绕组的磁链随着θ的变 化而变化，可表示为： ψa0=ψ0 cosθ ψb0=ψ0 cos（θ-120°) ψc0=ψ0cos(θ+120°) （θ是时间的函数，随时 间的变化而变 化,θ=θ0+ω0t）
因此，定子绕组中将同时产生基频（50HZ）交流电流和恒定直流电流两 种电流。其中，三相的基频电流显然也是三相对称的，即幅值相等，相 位互差120°，这一分量是由励磁电流产生的定子绕组空载电动势在短 路回路中所产生的强制分量，在短路后一直存在。 定子各绕组的直流电流只能在空间产生一个静止不动的磁动势，而在空 间旋转的转子，其直轴和交轴磁路的磁阻是不相同的，所以静止磁动势 所对应的磁路的磁阻是周期性变化的，其周期为180°电角度，频率为 二倍基频。为此为了维持恒定的磁链，定子各相绕组中还应有个二倍基 频的交流电流Δ i2w。 定子三相基频交流电流产生一个与转子同步旋转的合成电枢反应磁动势。 若忽略定子绕组电阻，该磁动势将产生纯去磁性的电枢反应。不考虑励 磁绕组的电阻，它也属于超导体闭合绕组，要维持磁链不变，励磁绕组 中必将产生一个直流电流分量,其方向和励磁电流一致，具有和相似的 作用，也会产生交链定子各相绕组的正弦变化磁链，与此对应，在定子 绕组中必将产生一附加的基频交流电流。 从以上分析可知，短路后定子绕组电流包含有基频交流分量、直流分量 , 倍频交流分量。
程序的执行结果:
a相全电流；a相基频电Baidu Nhomakorabea；a相倍频电流； a相直流电流
从图中可以看出，同步发电机机端短路后，定子a相短路电流中包 括基频电流分量，恒定的直流电流分量和倍频电流分量，在最终达 到稳态后，基频电流分量衰减到一稳态值，其余电流分量以不同的 时间常数衰减为零。除此之外，我们还可以通过对图像的分析得到 冲击电流的标幺值为9.193。
（2）定子绕组电流id,iq及励磁电流ifd仿真： id，iq，ifd波形图
傅里叶分解图：
从仿真结果可以看出：id在0.020001s发生短路时电流傅里叶级 数分解结果为以50Hz的基频电流作为基准值，直流电流占基准 值的56.85%，两倍频交流电流占基准值的10.58%，三倍频交流 电流占基准值的0.41%，四倍频的交流电流占基准值的0.34%。
（3）转子绕组电流仿真：0.020001s时傅里叶分解图
从仿真结果可以看出：在0.020001s发生短路时电流傅里叶级数分解结果为以 50Hz的基频电流作为基准值，直流电流占基准值的635.70%，两倍频交流电流 占基准值的3.81%，三倍频交流电流占基准值的3.04%，四倍频的交流电流占基 准值的2.88%。 说明：当发生短路时转子绕组电流中主要含有直流分量和基频交流分量，当暂 态电流达到稳态时基频交流电流衰减的很小，基本上只剩下直流分量。
参数设定:
发电机参数: 短路模块参数:
变压器参数:
仿真结果及分析: (1)定子绕组中三相交流电流分析:三相对称短路时a、b、c三相电 流波形图
三相对称短路时a相0.020001s时电流傅里叶分解:
从仿真结果可以看出：在0.020001s发生短路时电流傅里叶级数分解结果为以50Hz的基 频电流作为基准值，直流电流占基准值的56.62%，两倍频交流电流占基准值的10.70%， 三倍频交流电流占基准值的0.28%，四倍频的交流电流占基准值的0.46%。 说明：三相短路后会出现直流电流分量和倍频交流分量，而且原来的基频交流电流的幅 值也会升高。倍频交流分量中二倍频分量较多，其他倍频分量占的比例较小。在短路后 半个周期三相电流出现最大值，是正常时的10多倍。经过一段时间后暂态过程结束，电 流又回到原来的稳态的三相基频交流电流。
同 步 发 电 机 发 生 三 相 短 路 电 流 分 析
发电机简介
发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件 组成。由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接 组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力 线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引 出，接在回路中，便产生电流。 汽轮发电机是与汽轮机配套的发电机 。其转 速通常为3000转/分（频率为50赫）或3600转/分 （频率为60赫）。高速汽轮发电机为了减少因离 心力而产生的机械应力以及降低风磨耗，转子直 径一般较小，长度较大（即细长转子）。这种细 长转子使大型高速汽轮发电机的转子尺寸受到限 制。20世纪70年代以后，汽轮发电机的最大容量 达130～150万千瓦。
1)发电机突然发生三相短路的Simulink仿真模型
图中，同步电机采用p.u.标准同步电机模型。由 于该模块为电流源模块，因此需要在机端并联一 个5MW的负荷才可正常工作。仿真前要用 powergui对发电机进行初始化设置，完成后发 电机前的常数自动设置。升压变压器T采用 “Three-phase transformer(Two Windings)” 模型 。从powergui对电机参数的计算可以看出， a相电流滞后电压，换算为时间约为0.001ms， 可以不计，因此设置短路时间为0.020001秒即可 满足α=0。