畢業(yè)設計基于EDSA的電動機動態(tài)特性仿真研究.doc

基于EDSA的電動機動態(tài)特性仿真研究學 生：鄧 璞指導教師：劉淑軍（三峽大學 電氣與新能源學院）摘 要：本文在介紹電氣設計分析軟件EDSA的基礎上，使用電氣設計分析軟件EDSA建立一個含有配電網的小型電力系統(tǒng)。利用建立的小型電力系統(tǒng)仿真電力系統(tǒng)受擾行為和動態(tài)過程。關鍵詞：EDSA；感應電動機；負荷建模；電力系統(tǒng)動態(tài)特性；電力系統(tǒng)仿真Abstract：This article about electrical design software edsa analysis on the basis of the use of electrical design analysis software edsa to establish a network containing with a small electrical power system. the use of a small electrical power system simulation system of trouble for action and dynamic process.Keywords： EDSA；induction motors；load modeling；power system dynamic stability；power system simulation前言電力系統(tǒng)負荷模型是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定控制設計的關鍵因素之一。在系統(tǒng)運行規(guī)劃中，采用不精確的負荷模型可能會得到過于樂觀的穩(wěn)定運行條件，導致實際系統(tǒng)發(fā)生災難性事故。在電力系統(tǒng)負荷中，感應電動機負荷占有比例超過60%以上，且?guī)资雰鹊南到y(tǒng)負荷動態(tài)過程主要是由感應電動機引起的。感應電動機是電力系統(tǒng)綜合負荷中最主要的動態(tài)負荷成分,其運行特性對電力系統(tǒng)的運行行為有重要影響,在理論研究和工程仿真計算中,通常都以感應電動機模型作為綜合負荷的基本模型。利用電氣設計軟件EDSA建立電力系統(tǒng)模型并對其進行動態(tài)特性分析是本文的主要目的。1基于電氣設計軟件EDSA電動機動態(tài)特性仿真研究1.1利用電氣設計軟件EDSA建立電力系統(tǒng)模型分析電動機動態(tài)特性1.1 利用電氣設計軟件EDSA建立一個關于電動機的小型電力系統(tǒng)模型利用電氣設計工具軟件EDSA建立一個電動機組模型，下圖即為建立的電動機組模型。圖3-1 關于電動機的小型電力系統(tǒng)模型1.2 利用建立的小型電力系統(tǒng)模型對其中的電動機進行動態(tài)特性分析一、電動機停轉對其他電動機的影響。使電動機M1在2秒停轉。25秒時電動機已經基本停止了轉動，我們從仿真圖中可以清楚地看到電動機電壓的急劇下降，而轉速也在慢慢降低，而功率在關閉電動機那時起就降為零了。由電動機M2,M3仿真動態(tài)特性圖我們知道此時電動機M2,M3因受電動機M1停機的影響變得略顯不穩(wěn)定，在經歷了3秒之后大都趨于穩(wěn)定，然而雖均處于微幅震蕩之中，但各項數據穩(wěn)定之后的變化可以忽略，電動機的整個運行狀態(tài)仍顯穩(wěn)定。在這個過程中受到影響的電動機會有微服的波動是因為其電壓受到了輕微的影響造成的。二、電動機開機對其他電動機的影響。將電動機M1至于待機狀態(tài)，在3秒時將其開機。由M1仿真動態(tài)圖知在3秒時電動機投入了使用，10秒時動態(tài)特性基本趨于正行運行水準。3秒時，電動機電壓上升，但由于電動機的轉速還沒有達到正常運行的水準，它所要吸收的無功功率較大，直接導致了功率因素在啟動時較低，而也因此電壓在啟動過程中不能達到穩(wěn)定運行時的1PU，當電動機轉速達到正常水平，各項水準均達到正常運行水平。電動機M2,M3因受電動機M1開機的影響變得不穩(wěn)定，在渡過了7秒之后大都趨于穩(wěn)定，但也均處于小幅震蕩之中。這些是因為電動機M1在啟動時需要吸收系統(tǒng)的無功功率而導致了系統(tǒng)電壓低于正常運行水準，特別是在剛開機時所需的無功功率過大而導致系統(tǒng)電壓急劇下降到0.9PU，而在開機過程中也一直需要吸收系統(tǒng)的無功功率，從而使開機過程中系統(tǒng)電壓一直低于正常的水準，這也使得他們的運行狀態(tài)發(fā)生了波動，然而受到影響的電壓也使得M2與M3工作在一個不正常狀態(tài)，當M1完全啟動之后，不需要在吸收大幅的無功功率后，M2與M3的電壓也恢復了正常的1.0PU左右，他們的運行狀態(tài)也趨于正常。三、切斷電動機后一段時間恢復對其他電動機的影響。電動機M1的之路因故障在3秒時切斷，7秒后在10秒時自動重合閘再次合上電動機M1的支路。由電動機M1動態(tài)圖可知，由于線路故障電動機M1失去電源處于停轉過程中，然而與正常停轉不同的是，它的功率因素變得非常不穩(wěn)定，這個震蕩期持續(xù)了兩秒左右的時間，由此可知突發(fā)性的停電事件對于電動機的影響是非常大的。這個過程中因為我們的擾動是切斷線路，而正是這種突發(fā)性的事情，電源突然被切斷使得電動機處于不正常關機狀態(tài)下，它的功率因素波動浮動非常大，這是因為電動機在突發(fā)性事件時轉速并不是立刻下降，它是一個慢慢的下降過程，但是它導致了功率因素的波動幅度特別大，而在波動幅度中出現負數可能是因為在不正常關機時電動機的不穩(wěn)定狀態(tài)是的仿真結果不準確造成的。自動重合閘再次合上之后電動機M1再次投入使用。電動機M2,M3受到其他支路停斷的影響不是很大，而當電動機M1支路的切斷與其投入使用時對于電動機M2,M3還是有一定影響的。這個擾動對于其他的電動機而言可以看成是被切斷的電動機的關機與開機的綜合，這里就不多做解釋了。在前面的關機與開機里已經解釋過了。四、電動機電壓降低對電動機的影響。（1）發(fā)電機G在3秒時發(fā)生單相對地短路，持續(xù)12秒，故障電阻為1,故障電抗為1,將G的電壓控制功能關掉。此動作旨在將電動機電壓降低為0.7PU。我們觀察此過程電動機的動態(tài)特性圖后知道，電動機電壓在發(fā)電機發(fā)生短路之后處于下降狀態(tài)，并下將在0.7PU左右，這直接導致了電動機轉速的下降和滑差的升高，而在短路發(fā)生的一瞬間電動機功率因數極其不穩(wěn)定導致圖標結果出現負值，我們應該清楚這個負值并不是此時電動機功率因數的實際值，而是因為電動機的不穩(wěn)定而造成的仿真的結果錯誤。而在那一瞬間的不穩(wěn)定之后功率因數基本維持在故障之前的水平。功率在短路發(fā)生時也出現了波動，而短暫的波動之后出現了小幅的下降，這也意味著此時電動機無功功率也會出現小幅的下降。在故障解除之后電動機的電壓處于一個回復的狀態(tài)，在電壓恢復的一瞬間，功率因數出現了一個微小的波動，而此時的功率卻在一瞬間突然增大然后下降到原有水平。這也說明無功功率也出現了相同突發(fā)性的變化。這個過程中電動機并沒有出現十分不穩(wěn)定的運行狀態(tài)，這是因為電動機電壓并沒有降低到電動機的穩(wěn)定狀態(tài)臨界電壓之下，所以在電壓恢復之后，電動機能迅速恢復正常工作狀態(tài)。（2）發(fā)電機G在3秒時發(fā)生單相對地短路，持續(xù)12秒，故障電阻為0.38,故障電抗為0.38,將G的電壓控制功能關掉。此動作旨在將電動機電壓降低為0.4PU。此段過程中三個電動機M1,M2,M3的動態(tài)特性曲線相同，他們動態(tài)特性曲線如下： 我們繼續(xù)觀察此類故障過程中電動機的動態(tài)特性，經過觀察我們知道，電動機電壓在故障點下降之后大致穩(wěn)定在0.4PU左右，同樣因為電壓的原因造成了電動機轉速的下降和滑差的升高，在短路發(fā)生的一瞬間也因為同樣的原因使電動機功率因數極其不穩(wěn)定導致圖標結果出現負值。在那一瞬間的不穩(wěn)定之后功率因數與電壓下將在0.7PU的一樣仍基本維持在故障之前的水平。而所不同的是，功率在短路發(fā)生時也出現了與電壓為0.7PU時相比較大的波動，而波動之后并沒有出現小幅下降，當然也因為功率因數的變化十分小也意味著此時電動機無功功率也會出現與之相當的變化。在故障解除之后電動機的電壓處于一個回復的狀態(tài)，在電壓恢復的一瞬間，功率因數出現了一個微小的波動，而此時的功率卻在一瞬間突然增大然后下降到原有水平。無功功率也會出現了相同突發(fā)性的變化。此過程中與電壓降低到0.7PU時類似，過程中的電壓也并沒有降低到電動機的穩(wěn)定運行臨界電壓之下，雖然較電壓來說相比0.7PU是下降了不少但是仍處于穩(wěn)定臨界電壓之上，于是電動機還是不會出現很明顯的不穩(wěn)定堵轉狀態(tài)。（3）發(fā)電機G在3秒時發(fā)生單相對地短路，持續(xù)12秒，故障電阻為0.07,故障電抗為0.07,將G的電壓控制功能關掉。此動作旨在將電動機電壓降低為0.1PU。我們再來觀察最后一個此類問題看看在下降大致穩(wěn)定在0.1PU時他們的動態(tài)特性是不是還是相差不大的。有動態(tài)特性圖我們知道，發(fā)電機發(fā)生短路之后電壓下降得很快，在5秒之后差不多穩(wěn)定在0.1PU左右，電動機的轉速與滑差當然是由于電壓不夠而下降和升高，然而不同的是，因此是電壓過低，電動機的轉速幾乎下降為零，而滑差也幾乎升高到1。與此前仿真相同的是在故障發(fā)生點功率因素仍出現了大幅的瞬間波動，原因應與此前相同，但不同的是在波動之后，因電壓過低導致了功率因素的大幅下降，在5秒之后緩慢下降，而在15秒時，即電壓恢復時功率因素隨之緩慢升高，在大概7秒的時候大幅升高至正常水平。在此過程中功率在短路時下降到幾乎為零，并維持至電壓恢復時。在短路故障恢復之后，由圖知，功率呈大幅上升趨勢，在大約7秒后升至頂點大概0.63PU左右，而在此后有大幅下降，到25秒時降至正常水平。由功率因素，有功功率與無功功率之間的關系我們可以運用EXCEL得出此過程中，無功功率動態(tài)特性圖如下。圖3-10 電動機無功功率特性我們由電動機轉速動態(tài)圖可以知道電動機在電壓降低至0.1PU過程中已經失穩(wěn)，這說明電壓在0.1PU時已經處于此電動機的穩(wěn)定臨界電壓之下，在電壓降低至0.1過程中很明顯的與之前切斷電動機電源的過程類似，這里不多做描述。在電壓恢復時，由于電動機并不是完全停轉狀態(tài)，它一直存在著一個很小的電壓0.1PU，這使得在電壓恢復的一瞬間雖然它的功率因素并沒有波動，而它需要大量的無功功率來重新恢復運行，于是我們得到了圖3-10中的無功功率動態(tài)特性，大約10秒后電動機重新恢復正常運行，各項指標也恢復正常。我們對比電壓降低在0.7PU，0.4PU與0.1PU三個電壓時發(fā)現，當系統(tǒng)電壓低于正常水平高于穩(wěn)定臨界電壓時，電動機會處于一個相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)，此時若電壓恢復電動機可以迅速的恢復正常運行，恢復運行的時間不會超過三秒。而當故障后電壓低于穩(wěn)定臨界電壓后，電動機的恢復運行時間相對較長，達到了9秒左右。1.2 利用電動機負荷模型研究電力系統(tǒng)受擾時該系統(tǒng)的動態(tài)特性由以上我們了解了電動機受擾時其動態(tài)特性，現在我們再來看看它們在電力系統(tǒng)中時對電力系統(tǒng)有哪些影響。一、電動機停轉時，電力系統(tǒng)動態(tài)特性。電動機M1在2秒停轉。由以上電力系統(tǒng)動態(tài)特性我們知道，雖然三個電動機的其中一個電動機M1停轉對于系統(tǒng)確實是有影響的，但是這個影響微乎其微，當然這可能與我們建立的電力系統(tǒng)的發(fā)電機勵磁非常大有關，但是我們也了解到，電動機停轉對于電力系統(tǒng)來說是有一定影響的。二、電動機切斷后恢復對電力系統(tǒng)的影響。電動機M1的之路因故障在3秒時切斷，7秒后在10秒時自動重合閘再次合上電動機M1的支路。由此過程中電力系統(tǒng)中的動態(tài)特性我們知道，電動機線路的切斷與恢復工作對于整個電力系統(tǒng)的影響我們幾乎可以忽略，當然了，這并不表示說電動機線路的切斷與恢復對電力系統(tǒng)的影響我們就沒有必要去研究了，這僅僅是由于我們所建電力系統(tǒng)的特殊性而存在的結果，它具有一定參考價值，但是與此同時我們也不能以偏概全。2 基于電氣設計軟件EDSA綜合負荷模型動態(tài)特性仿真研究2.1 建立一個含有配電網的小型電力系統(tǒng)基于3.1中關于電動機的小型電力系統(tǒng)建立一個關于配電網的小型電力系統(tǒng)，如圖。調整負荷結構后開始進行仿真實驗。圖4-1 關于配電側的電力系統(tǒng)模型2.2 利用建立的關于配電網的小型電力系統(tǒng)分析綜合負荷中的電動機動態(tài)特性由所建模型進行仿真得出大量電動機及發(fā)電機側電壓動態(tài)特性圖，由圖中找出不同電動機啟動與停轉時其余電動機電壓在受擾時的峰谷值之差，如下圖所示。表4-1 不同電動機啟動與停轉時其余電動機電壓情況（單位為PU）綜合負荷電動機比例為50%電動機M1啟動時電動機M2啟動時電動機M3啟動時電動機M10.1861.011=0.8250.95460.9906=0.036電動機M20.97331.0160=0.04270.9771.013=0.036電動機M30.96691.010=0.04310.1911.028=0.837電動機M1停轉時電動機M2停轉時電動機M3停轉時電動機M10.97960.9812=0.00160.97970.9801=0.0004電動機M20.99941.0000=0.00060.99940.9997=0.0003電動機M30.99790.9969=0.00100.99700.9983=0.0013綜合負荷電動機比例為70%電動機M1啟動時電動機M2啟動時電動機M3啟動時電動機M10.0961.001=0.9050.95440.9887=0.0343電動機M20.97271.0170=0.04430.97781.0130=0.0352電動機M30.92160.9631=0.04150.0940.972=0.878電動機M1停轉時電動機M2停轉時電動機M3停轉時電動機M10.97560.9789=0.00330.97560.9764=0.0008電動機M20.99941.0020=0.00260.99951.0000=0.0005電動機M30.92230.9638=0.04150.94760.9507=0.0031注：數據來源于動態(tài)特性圖中受擾時的最低電壓與最高電壓，為他們的差值通過各類仿真之后，我們得到了以上關于不同電動機啟動與停轉時其余電動機電壓峰谷差值表。通過對比可以知道，電動機停機比電動機啟動對其他電動機的影響要小得多，處于高壓變電站的電動機啟動或停機時比處于低壓變電站的電動機對電力系統(tǒng)中的其他電動機影響要大，而處于并列關系時，大電動機較小電動機對其他電動機的影響較大，而電動機負荷比例越大時電動機對其他電動機的影響大一些。2.2 利用建立的關于配電網的小型電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)動態(tài)特性由此開停機對電力系統(tǒng)的影響，我們可以經過仿真得到不同電動機啟動與停轉時發(fā)電機側電壓在受擾時的峰谷值之差，由此得出如下表4-2數據。表4-2 不同電動機啟動與停轉時發(fā)電機側電壓情況（單位為PU）綜合負荷電動機比例為50%電動機M1 電動機M2 電動機M3啟動時0.97341.0170=0.04360.1941.036=0.8420.97721.0140=0.0366停轉時0.99991.0010=0.00110.99991.0010=0.00111.0001.001=0.001比例為70%時啟動時0.97311.0170=0.04390.1011.027=0.9260.97811.0130=0.0349停轉時0.99981.0020=0.00220.99981.0030=0.00320.99981.0010=0.0012注：數據來源于動態(tài)特性圖中受擾時的最低電壓與最高電壓，為他們的差值我們看完發(fā)電機側電壓特性后可以得到以上關于電動機在受擾后發(fā)電機側的電壓峰谷差值，經過對比我們可以知道電動機停機比電動機啟動對電力系統(tǒng)的影響要小得多，高電壓變電站的電動機啟動或停機時比處于低電壓變電站的電動機對電力系統(tǒng)的影響要大，而當電動機處于并列關系時，大電動機較小電動機對電力系統(tǒng)的影響較大，而電動機負荷比例越大時電動機對電力系統(tǒng)的影響也隨之增大。3 總結本文具體介紹了怎樣運用電氣設計軟件EDSA建立電力系統(tǒng)電動機模型以及關于配電網的電力系統(tǒng)模型，并對其進行仿真。在仿真過程中，各類擾動加入后各個電動機的動態(tài)特性與電力系統(tǒng)的動態(tài)特性較真實的反映了電力系統(tǒng)遇見此類擾動時的電動機的運行狀況及電力系統(tǒng)本身的運行狀況。通過大量的仿真對比我們知道電壓與電動機的穩(wěn)定運行息息相關，電壓的降低會直接導致電動機負荷運行的不穩(wěn)定，所以說系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定保障的重中之重。通過大量的仿真實驗外婆們可以得出以下結論：（1） 電動機的啟動與故障后的恢復均需要吸收大量的無功功率，當系統(tǒng)電壓低于正常水平高于穩(wěn)定臨界電壓時，電動機會處于一個相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)，此時若電壓恢復電動機可以迅速恢復正常運行，而當故障后電壓低于穩(wěn)定臨界電壓后，電動機的恢復運行時間相對較長。（2） 電動機停機比電動機啟動對電力系統(tǒng)及其中的其他電動機的影響要小得多。（3） 處于高壓變電站的電動機啟動或停機時比處于低壓變電站的電動機對電力系統(tǒng)及其中的其他電動機影響要大。（4） 當電動機處于并列關系時，大電動機比小電動機對電力系統(tǒng)及其中的其他電動機的影響較大。（5） 電動機負荷比例越大時，電動機對電力系統(tǒng)及其中的其他電動機的影響大一些。由此