Моделирование системы электроснабжения в MatlabSimulink и определение параметров ее элементов

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Институт — Энергетический Направление — Электроэнергетика и электротехника Кафедра — Электроснабжение промышленных предприятий Отчет по лабораторной работе № 3

" МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В MATLABSIMULINK И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ"

Выполнил: студент гр.5АМ32

И.А. Разживин Проверил Е. Ж. Сарсикеев Томск 2014

Цель работы: смоделировать систему электроснабжения (СЭС) в Simulink, определить основные параметры ее элементов, отстроить параметры схемы для ее нормальной работы.

1. Составление схемы замещения СЭС в Simulink

Для составления упрощенной схемы СЭС, состоящей из источника питания, воздушной линий электропередач, ГПП и упрощенной модели нагрузки на разных классах напряжения воспользуемся модулем SimulinkLibraryBrowser (рис 1.1), который содержит все математические модели основных компонентов СЭС.

Составляем схему и устанавливаем измерительные приборы, в узлах схемы (рис. 1.2), необходимые для снятия контрольных параметров тока и напряжения в узлах.

Схема СЭС показана на рисунке 1.2

2. Расчет и задание параметров схемы замещения СЭС

2.1 Параметры источника питания

Трехфазный источник питания моделируется, как источник питания бесконечной мощности, задается частота напряжения, уровень напряжения и угол фазы «А» .

2.2 Параметры линии электропередач

Параметры ЛЭП определяются в соответствии со схемой замещения ЛЭП при классе напряжения 220 кВ. Т.к. руководствуясь расчетными данными лабораторной работы № 1, номинальное напряжение питающей линии составило 220 кВ. ч равна: Расчетный ток = 131,25 А. Сечение проводника: АС 240/32. Длина линии 34 км Параметры ЛЭП приведены в.

Активное и индуктивное сопротивления ЛЭП определяются по выражениям:

R₀=0,118 Ом/км, Х₀=0,435 Ом/км, b₀=2,604 10^-6 Ф;

Ом,

Ом,

,

где R0, b0 и X0 — удельные сопротивления и проводимости ВЛ; L — длина лини (км); n_ц — количество цепей ВЛ

Индуктивность и зарядная емкость линии будут равны:

Параметры модели ЛЭП, задаваемые в MatlabSimulink представлены на рис. 2.2.1:

2.3 Параметры трансформатора ГПП

Для моделирования трансформаторов в программном комплексе MatlabSimulink не достаточно использовать паспортные данные трансформатора из справочника, требуется провести дополнительные расчеты для задания параметров сопротивления обмоток трансформатора и параметров воздушного зазора.

Параметры трансформаторов ГПП приведены в таб. 1.

Таблица 1 ;

Паспортные данные трансформаторов ГПП

Определение параметров схемы замещения трансформатора в режиме холостого хода [2]:

Для обмотки ВН принимаем соединение обмоток по схеме «звезда»; для обмотки НН — «треугольник» .

Для определения параметров схемы замещения трансформатора рассчитываются:

а) номинальный ток трансформатора:

б) фазное напряжение первичной обмотки:

при соединении по схеме «звезда»

в) фазный ток холостого хода трансформатора где I0 — ток холостого хода,%;

г) мощность потерь холостого хода на фазу где m — число фаз первичной обмотки трансформатора; принимаем m=3.

д) полное сопротивление ветви намагничивания схемы замещения трансформатора при холостом ходе согласно схеме рис. 2.3.1

кОм е) активное сопротивление ветви намагничивания

=69,39 кОм ж) реактивное сопротивление ветви намагничивания з) коэффициент трансформации трансформатора Определение параметров схемы замещения трансформатора в режиме короткого замыкания вторичной обмотки:

В опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, а подводимое к первичной обмотке напряжение подбирается таким образом, чтобы ток обмотки трансформатора был равен номинальному. Ниже представлена схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания.

Суммарное значение активных сопротивлений (r1 + r2') обозначают r k и называют активным сопротивлением короткого замыкания, а (x1 + x2') индуктивным сопротивлением короткого замыкания x k.

Для определения параметров схемы замещения трансформатора рассчитываются:

а) фазное напряжение первичной обмотки U1Ф;

б) фазное напряжение короткого замыкания кВ где UK — напряжение короткого замыкания,%;

в) полное сопротивление короткого замыкания Ом где IК — ток короткого замыкания, IK = I1H = 100,904А г) мощность короткого замыкания д) активное сопротивление короткого замыкания

=1,653 Ом е) индуктивное сопротивление короткого замыкания Приближенно можно принять:

Ом Ом Ом Ом Ом Ом где r1 — активное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

x1 — индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора, обусловленное магнитным потоком рассеянья Ф_2у

r2' - приведенное активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора;

x2' - приведенное индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, обусловленное магнитным потоком рассеянья Ф_1у

Параметры трансформатора, задаваемые в Simulink:

2.4 Параметры нагрузки

Для задания нагрузки на стороне 6,3кВ НН трансформатора используется АД, S?7.6 кВА, расчет параметров которого приведён ниже; на стороне 10 кВ НН трансформатора используется модель статической нагрузки P= 60 МВА. А также присоединяется дополнительная нагрузка в 70 310 кВт через КЛ и понижающий трансформатор. Нагрузка учитывается как среднее значениеза сутки активной и реактивной мощности потребителяSср= 71,9 МВА (данные лб № 1).

Параметры нагрузки, задаваемые в Simulink представлены на рис 2.4.1

2.4.1 Параметры кабельной линии электропередач Uном= 10 кВ

Активное и индуктивное сопротивления КЛЭП определяются из выражений (при длине линии L_КМ=1,7 км) и заданных нагрузках Cosц=0,9:

Рассчитываем сечение КЛ по допустимому току:

кВА,

150,14 кВар

Погонные значения сопротивлений взяты из.

R₀=1,15Ом; Х₀=0,113 Ом;

где R0, b0 и X0 — удельные сопротивления и проводимости ВЛ и КЛ из справочника; L — длина линий (км). Отсюда индуктивность и емкость будут равны:

2.4.2 Параметры трансформатора 10/0,4 кВ

Выбор трансформатора проводим исходя из величины нагрузки на шинах НН.

кВА

Определение параметров схемы замещения трансформатора в режиме холостого хода и короткого замыкания проводим аналогично п. 2.3

Паспортные данные выбранного трансформатора представлены в т.2:

Таблица 2 — Паспортные данные трансформатора

Аналогично п 2.3 принимаем схемы соединения обмоток на НН и ВН сторонах трансформатора, рассчитываются параметры схемы замещения из опыта хх и кз:

а) номинальный ток трансформатора б) фазное напряжение первичной обмотки:

при соединении по схеме «звезда»

в) фазный ток холостого хода трансформатора где I0 — ток холостого хода,%;

г) мощность потерь холостого хода на фазу где m — число фаз первичной обмотки трансформатора; принимаем m=3.

д) полное сопротивление ветви намагничивания схемы замещения трансформатора при холостом ходе согласно схеме кОм е) активное сопротивление ветви намагничивания

=0,47кОм ж) реактивное сопротивление ветви намагничивания з) коэффициент трансформации трансформатора

2.4.3 Определение параметров схемы замещения трансформатора в режиме короткого замыкания

В опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, а подводимое к первичной обмотке напряжение подбирается таким образом, чтобы ток обмотки трансформатора был равен номинальному. Схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания представлена на рисунке 2.4.3.

Здесь суммарное значение активных сопротивлений (r1 + r2') обозначают rkи называют активным сопротивлением короткого замыкания, а (x1 + x2') индуктивным сопротивлением короткого замыкания xk.

Для определения параметров схемы замещения трансформатора рассчитываются:

а) фазное напряжение первичной обмотки U1Ф;

б) фазное напряжение короткого замыкания

кВ

где UK — напряжение короткого замыкания,%;

в) полное сопротивление короткого замыкания

Ом

где IК — ток короткого замыкания, IK = I1H = 14,434А

г) мощность короткого замыкания

Вт

д) активное сопротивление короткого замыкания

=6,08 Ом

е) индуктивное сопротивление короткого замыкания

Обычно принимают схему замещения симметричной, полагая

Ом

Ом

Ом

Ом

где

r1 — активное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

x1 — индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора, обусловленное магнитным потоком рассеянья Ф_2у

r2' - приведенное активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора;

x2' - приведенное индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, обусловленное магнитным потоком рассеянья Ф_1у

Параметры трансформатора, задаваемые в Simulinkпредставлены на рис 2.4.4

2.5 Параметры двигателей СЭС

Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя по каталожным данным. На стороне 0,4 кВ условно выбираем двигатель мощностью 110кВт, а на стороне 6,3кВ мощностью 630 кВт.

Пример расчета параметров схемы замещения производим для АД мощностью 630 кВт.

Каталожные данные для двигателя на стороне 6,3кВ:

J = 22

Где

s-скольжение; -КПД; J-момент инерции

Определение тока холостого хода АД мощностью 615кВт [3]:

Где

— номинальный ток статора двигателя,

=3 — число фаз статора;

— синхронная частота вращения, об/мин;

— номинальное фазное напряжение, В;

— ток статора двигателя при частичной нагрузке;

— коэффициент мощности при частичной нагрузке;

— коэффициент загрузки двигателя, о. е.;

P-мощность двигателя при частичной нагрузке, кВт.

Критическое скольжение

Гденоминальное скольжение, о. е.;

Примем = 2. Активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора АД:

Ом

Где

Активное сопротивление обмотки статора:

Для определения индуктивного сопротивления роторной обмотки, приведенного к статорной обмотки, необходимо определить индуктивное сопротивление короткого замыкания и параметр .

Тогда индуктивное сопротивление роторной обмотки, приведенное к статорной:

Индуктивное сопротивление статорной обмотки:

ЭДС ветви намагничивания Em, наведенная потоком воздушного зазора в обмотке статора в номинальном режиме:

кВ

Тогда индуктивное сопротивление намагничивания:

Параметры двигателя на стороне 6,3 кВ, задаваемые в Simulink:

3. Проверка параметров СЭС

Проверим основные режимные параметры схемы в разных узлах системы (в начале линии, в конце линии и у потребителя) с помощью трехфазных измерителей напряжений и токов (осциллографов):

Определим значение напряжения одной из фаз на источнике питания и в конце ЛЭП:

;

Вывод: Из аналитического и графического анализа получаем потерю напряжения в 0,968%, что является приемлемой величиной отклонения (не более 5%) в длине линии 34 км.

Далее рассмотрим значения напряжения и тока на узлах трансформатора, и узлах нагрузки:

Отклонение напряжения при запуске АД на шинах НН6,3кВот номинального напряжения:

;

Вывод: отклонение напряжения имеет недопустимые значения, требуется регулировка напряжения.

Далее рассмотрим значение параметров схемы СЭС в узлах нагрузки 10,5 кВ (статическая нагрузка и АД)

Отклонение напряжения в узле подключения нагрузки НН 10,5кВ от номинального напряжения:

;

Вывод: отклонение напряжения имеет недопустимые значения, требуется регулировка напряжения.

Значение параметров СЭС в конце КЛ представлены на рисунке 3.5

Отклонение напряжения в узле конца КЛ 10,5 кВ от номинального напряжения:

;

Вывод: отклонение напряжения имеет недопустимые значения, требуется регулировка напряжения.

Значение параметров напряжения и токов на шинах статической нагрузки 0,38 кВ:

;

Вывод: отклонение напряжения имеет недопустимые значения, требуется регулировка напряжения.

После чего запускаем двигатель, подключенный к шинам 0,4 кВ. Снимаем с осциллографа характеристику двигателя рисунок 3.7.

Отклонение напряжения при запуске двигателя, подключенного к шинам 0,4 кВ.

;

Вывод: отклонение напряжения имеет недопустимые значения, требуется регулировка напряжения.

Обобщенные выводы по подключению нагрузок заданной мощности:

Проанализировав построенные программным комплексом MatlabSimulink осциллограммы напряжений и токов в различных узлах СЭС, наблюдаем незначительные потери напряжения в ЛЭП и КЛ (не более 5% в нормальном режиме работы), и значительные потери напряжения в узлах присоединения нагрузки, как на напряжении 6,3, так и на напряжении 10,5 кВ. Просадка напряжения происходит вследствие потребления нагрузкой больших мощностей.

4. Регулирование напряжения

Регулирование напряжения на конце ЛЭП произвели моделируя генерацию РМ с помощью модели нагрузки, характеризующей только реактивную емкостную составляющую.

;

Вывод

В данной лабораторной работе с помощью программы MatlabSimulink была составлена модель системы электроснабжения по исходным данным из предыдущих работ.

Для анализа рабочих параметров СЭС были измерены основные режимные параметры в разных точках системы.

Как показала практика величины нагрузок достаточно велики, и дают просадку напряжения на шинах НН трансформаторов. Регулировка напряжения была проведена в узле конца ЛЭП, путем имитации (моделирования) излишней РМ емкостного характера. Регулировка напряжения на шинах НН трансформатора не показала нужных результатов в виду несоответствия параметров регуляторов (СМ, РПН).

1. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. Под ред. Д. Л. Файбисовича. — М: Изд-во НЦ ЭНАС, 2009.

2. Трансформаторы: Метод. Указ. К выполн. Лабораторных работ по дисциплинам «Электрические машины» и «Электромеханика» для студентов ТПУ всех форм обучения. — Томск: Изд-во ТПУ, 2003. — 43 с.

3. Кацман М. М. Электрические машины. М., 1990. — 463 с.