基于MATLAB的電力系統(tǒng)仿真論文

1、基于matlab的電力系統(tǒng)仿真論文 ：基于matlab的電力系統(tǒng)仿真摘 要：目前，隨著科學技術的發(fā)展和電能需求量的日益增長，電力系統(tǒng)規(guī)模越來越龐大，超高壓遠距離輸電、大容量發(fā)電機組、各種新型控制裝置得到了廣泛的應用，這對于合理利用能源，充分挖掘現(xiàn)有的輸電潛力和保護環(huán)境都有重要意義。另一方面，隨著國民經濟的高速發(fā)展，以城市為中心的區(qū)域性用電增長越來越快，大電網(wǎng)負荷中心的用電容量越來越大，長距離重負荷輸電的情況日益普遍，電力系統(tǒng)在人民的生活和工作中擔任重要角色，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行直接影響的人們的日常生活從技術和安全上考慮直接進行電力試驗可能性很小，因此迫切要求運用電力仿真來解決這些問題。電力系統(tǒng)仿

2、真是將電力系統(tǒng)的模型化、數(shù)學化來模擬實際的電力系統(tǒng)的運行，可以幫助人們通過計算機手段分析實際電力系統(tǒng)的各種運行情況,從而有效了解電力系統(tǒng)概況。本文根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，利用matlab的動態(tài)仿真軟件simulink搭建了含發(fā)電機、變壓器、輸電線路、無窮大電源等的系統(tǒng)的仿真模型，得到了在該系統(tǒng)主供電線路電源端發(fā)生三相短路接地故障并由故障器自動跳閘隔離故障的仿真結果，并分析了這一暫態(tài)過程。通過仿真結果說明matiab電力系統(tǒng)工具箱是分析電力系統(tǒng)的有效工具。關鍵詞：電力系統(tǒng)；三相短路；故障分析；matlab仿真electric power system simulation base on matla

3、babstract： now, with the development of science and techmology and the growing demand for eletrical energy, power systems get increasingly large and long-distance ehv power transmission, large capacity electric generating set, as well as the various new control devices have been widely used. this ha

4、s important significance to rationally utilizing energy resources, making full use of the existing electric systems delivery potential and protecting the environment. on the other hand, with the fast growth of the national economy, city-centered regional power consumption is rising more and more rap

5、idly, power demand in large electric system laod centers is growing faster and faster, and long-distance and heavy-duty power transmission is more and more popular. power system play an important part in peoples lives and work, power system and stable operation of a direct impact on the peoples dail

6、y life, with the rapgly complex issues, it is impossioble to take a direct power test from a technical and safety considerations,so there is an urgent demand of electricity to use simulation to solve these problems.power system simulation major use power system block and mathrmatucal models simulati

7、on power systemdebug, this can help people analysis the power systemoperation by computer, so as to understand the power system effectively.this paper base on the characteristics of the power system, using the software matab simulink built with generators,transformers,power line,such as the infinite

8、 power system simulation model, and has a simulation result of three-phase short-circuit fault which happen in the main power-supply line and the fault automatic tripping isolation by the three-phase fault, and analysis of this transient. the simulation results show matlab power system toolbox of th

9、e power system is an effective tool.key words: power system ；three-phase short-circuit ；fault analysis ；matlab simulation第一章 緒論1.1 我國電力系統(tǒng)情況簡介電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、電力網(wǎng)和電力負荷組成的電能生產、傳輸和轉化的系統(tǒng)。而電力負荷則是該系統(tǒng)中所有電力用戶的用電設備所消耗的電功率的總稱，有時也包括將這些用電設備連接起來的配電網(wǎng)。目前，我國正處于經濟快速發(fā)展的時期，電力系統(tǒng)也步入了大電網(wǎng)、超高壓、大機組、遠距離的時代，但由于目前的經濟發(fā)展速度遠遠超出了國家的預期，導致

10、近些年來出現(xiàn)全國范圍內電力建設落后于國民經濟發(fā)展水平的局面，電力系統(tǒng)運行在接近電網(wǎng)極限輸送能力狀態(tài)的幾率大大增加，從而較大程度上存在著發(fā)生電壓崩潰事故的威脅。我國電力系統(tǒng)是隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展而逐步形成的。國民經濟的迅速發(fā)展，我國的電力工業(yè)得到相應的增長，逐步形成以大型發(fā)電廠和中心城市為核心、以不同電壓等級的輸電線路為骨架的各大區(qū)、省級和地區(qū)的電力系統(tǒng)。目前，全國電網(wǎng)已經基本上形成了500 kv和 330 kv 的地實現(xiàn)了持續(xù)高速增長。自1981年中國的第一條 500kv 輸電線路投入運行以來，500kv的線路已逐步成為各大電力系統(tǒng)的骨架和跨省跨地區(qū)的聯(lián)絡線。1.2 本課題研究的前景和意義

11、隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，在這種情況下，許多大型的電力科研實驗很難進行，一是條件難以滿足；二是從系統(tǒng)的安全角度來講也是不允許進行實驗的；三是最初的一個新的設計構思、到通過軟件進行實際情況的模擬、在應用到具體的工程中，其工作量往往消耗大量的財力物力和人力，其過程中稍有失誤都有可能前功盡棄?？紤]到以上情況，尋求一種最接近于電力系統(tǒng)實際運行狀況的數(shù)字仿真工具十分重要，目前比較流行的電力系統(tǒng)仿真工具由以下幾種：（1） 邦納維爾電力局開發(fā)的bpa程序和emtp程序；（2）曼尼托巴高壓直流輸電研究中心開發(fā)的pscad/emtdc程序；（3）德國西門子公司研制的電力系統(tǒng)仿真軟件netoma

12、c；（4）中國電力科學研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序psasp；（5）mathworks公司開發(fā)的科學與工程計算軟件mtatlab。本文主要采用mtaltb進行電力系統(tǒng)的仿真，matlab是有效的電力系統(tǒng)仿真工具,它提供了簡潔的工具，通過電力系統(tǒng)電路圖的繪制，matlab自動生成數(shù)學模型，可以節(jié)省建立電力系統(tǒng)數(shù)學模型的建立。1.3 本文的目的及主要內容1.3.1主要目的仿真的方法和意義，從而將這種仿真運用到電力系統(tǒng)的各個方面。1.3.2本文主要內容1） 首先理論分析電力系統(tǒng)運行中短路的危害和發(fā)生短路時電氣設備的狀況及系統(tǒng)的狀況，并建立發(fā)電機和變壓器的數(shù)學模型。2） 運用simulink建立簡

13、單的單機-無窮大系統(tǒng)進行仿真，對系統(tǒng)運行出現(xiàn)短路情況時的仿真結果進行詳細的分析。3） 建立帶勵磁系統(tǒng)的發(fā)電機系統(tǒng)，通過仿真結果分析帶上勵磁系統(tǒng)時電壓和電流的變化情況。第二章 電力系統(tǒng)理論分析在電力系統(tǒng)的設計和運行中，都必須考慮到可能發(fā)生的故障和不正常運行情況，因為它們會破壞電氣設備的正常工作和影響對用戶的供電。運行經驗指出，故障大多是由短路引起的。電力系統(tǒng)中發(fā)生的短路有三相短路、兩相短路、一相接地短路和兩相接地短路等四種。短路后，系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流比正常負荷電流大得多。在電力系統(tǒng)中，短路電流可達幾萬到幾十萬安，對系統(tǒng)產生極大的危害：1）短路時要產生很大的電動力和很高的溫度，使故障元件和短路電

14、路中的其他元件受到損害和破壞。2）短路時的電壓驟降，嚴重影響電氣設備的正常運行。3）嚴重的短路影響電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，可使并列運行的發(fā)電機組失去同步，造成系統(tǒng)解列。由此可見，短路的后果十分嚴重，因此對于大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路的分析是必要的。2.1 同步發(fā)電機發(fā)生短路的暫態(tài)過程分析 同步發(fā)電機在電力系統(tǒng)中處于重要的地位。用戶與發(fā)電廠的距離越來越遠，發(fā)電機三相突然短路的概率增大。由于同步發(fā)電機內部結構復雜，由多個具有電磁耦合關系的繞組構成。同步發(fā)電機突然短路的暫態(tài)過程所產生的沖擊電流可能達到額定電流的十幾倍 ,對電機本身和相關的電氣設備都可能產生嚴重的影響 ,因此對同步發(fā)電機動態(tài)特性的研究歷

15、來是電力系統(tǒng)中的重要課題之一 。而同步電機的突然三相短路 ,是電力系統(tǒng)的最嚴重的故障，它是人們最為關心、研究最多的過渡過程，雖然短路過程所經歷的時間是極短的（通常約為0. 10. 3 s ），但對電樞短路電流和轉子電流的分析計算，卻有著非常重要的意義。2.1.1 同步發(fā)電機的數(shù)學模型本文研究的是轉極式的凸極同步發(fā)電機，除a、b、c 三相定子繞組外還有轉子上的一個勵磁繞組和兩個阻尼繞組。在分析同步發(fā)電機的數(shù)學模型時，作如下假設：發(fā)電機參數(shù)恒定；磁飽和、磁滯、渦流影響忽略不計；定子三相對稱；忽略磁場高次諧波；不計渦流和磁滯損耗。發(fā)電機六個繞組存在相互的電磁耦合關系。同步發(fā)電機的d軸和q軸等值電路圖

16、如圖2-1所示。圖2-1 同步發(fā)電機的d軸和q軸等值電路圖根據(jù)電路定律，發(fā)電機六個繞組可以建立六個回路電壓平衡方程，如下：根據(jù)六個繞組之間的磁鏈耦合關系，得到發(fā)電機模型dq0 坐標系中的磁鏈方程可表述為：其中： d、q表示直軸和交軸分量； r、s表示轉子和定子分量； l、m表示漏抗和激磁電抗； f、k勵磁繞組分量、阻尼繞組分量； 表示軸定子繞組、軸定子繞組； 表示勵磁繞組的磁鏈。機械部分表達式如下：其中相對額定運行點的速度變化； 轉動慣量；機械轉矩；電磁轉矩；阻尼系數(shù)；轉子機械角；額定運行點的速度（標幺值為1）。2.1.2 同步發(fā)電機突然短路理論分析1. 定子電流的計算在分析突然三相短路時，可

17、以利用疊加原理，認為不是發(fā)生了突然短路，而是在電機的端頭上突然加上了與疊加突然短路前的端電壓大小相等但方向相反的三相電壓。這樣考慮時，同步電機的突然三相短路問題就變成了下述兩種工作情況的綜合問題了，即：與短路前一樣的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)；突然在電機端頭上加上與突然短路前的端電壓大小相等但方向相反的三相電壓。將電機突然三相短路后的定子電流分為兩部分來計算。將它們合并后，即得同步發(fā)電機突然三相短路后的實際電流為： 其中 d、q軸同步電抗； 同步發(fā)電機的功角； 縱軸超瞬變電流衰減的時間常數(shù)； 縱軸瞬變電流衰減的時間常數(shù)； 定子非周期電流衰減的時間常數(shù)； 同步發(fā)電機機端的相電壓有效值。2 轉子電流的計算突然三

18、相短路后,電機轉子中的電流,也象計算定子電流一樣，可以分成兩部分來計算，即：原來穩(wěn)態(tài)三相對稱運行時的轉子電流。突然在電機端頭上加上與突然短路前的端電壓大小相等但方向相反的三相電壓所引起的轉子電流。將電機突然三相短路后的轉子電流分為兩部分來計算，將它們合并后，即得同步發(fā)電機突然三相短路后的實際電流為： 當轉子上沒有阻尼繞組時，則： 當轉子上有阻尼繞組時，則：阻尼繞組中的實際電流，在短路前，即穩(wěn)態(tài)對稱運行時，阻尼繞組的電流為零，因此，突然三相短路后的阻尼繞組的實際電流為：其中 d、q軸電樞反應電抗； 勵磁繞組電阻； 勵磁繞組電抗； d、q軸阻尼繞組電抗。2.2變壓器短路分析 電力變壓器是電力系統(tǒng)的

19、核心設備之一 ，其穩(wěn)定、可靠運行對電力系統(tǒng)安全起到非常重要的作用。然而，由于設計制造技術、工藝以及運行維護水平的限制 ,變壓器的故障還是時有發(fā)生 ，尤其是近年來逐步引起人們重視的變壓器近區(qū)或出口短路故障，大大影響了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。統(tǒng)計資料表明，在變壓器損壞的原因中 ，70%以上是由于變壓器發(fā)生了出口短路的大電流沖擊導致低壓繞組變形造成的。因此，采取切實有效措施提高低壓繞組強度，對確保變壓器的安全穩(wěn)定運行有重要的意義。電力變壓器在發(fā)生出口短路時的電動力和機械力的作用下，繞組的尺寸或形狀發(fā)生不可逆的變化，產生繞組變形。繞組變形包括軸向和徑向尺寸的變化，器身位移，繞組扭曲、匝間短路等，是電力

20、系統(tǒng)安全運行的一大隱患。變壓器繞組經受短路故障后，有的雖未立即發(fā)生損壞，但對變壓器造成的潛在危害值得引起重視：1)繞組機械性能發(fā)生變化。由于短路的累積效應作用，當再次遭受短路電流沖擊時，將可能使繞組承受不住巨大電動力的作用而失穩(wěn)。2)絕緣強度下降。一旦遭受過電壓，有可能發(fā)生繞組短路，致使變壓器絕緣被擊穿；或在正常運行工況下，因局部放電的持續(xù)作用，使已有的絕緣損傷逐漸加重，從而導致變壓器絕緣被擊穿。3) 累積效應。運行經驗表明，運行變壓器一旦發(fā)生繞組變形，將導致累積效應，出現(xiàn)惡性循環(huán)。從計算分析和生產實踐可知，一至二次電流峰值的沖擊就導致變壓器損壞事故的幾率是很小的，但遭受過短路電流沖擊的變壓器

21、已經存在一定的安全隱患。對繞組已產生變形但仍在運行的變壓器而言，雖然并不一定會立即發(fā)生絕緣擊穿事故，但當再遭受也許并不大的過電流或過電壓，甚至在正常運行的電磁動作用下，也可能導致變壓器絕緣擊穿。影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。2.2.1 變壓器數(shù)學模型建立電力系統(tǒng)中的變壓器通常是三相的，而三相變壓器的磁路結構型式、繞組接線方式（主要包括y型和 d型）、中點接地與否等多種因素對勵磁涌流、每相輸出電流有著較大影響。首先描述單相雙組變壓器數(shù)學模型，然后根據(jù)繞組接線方式推導出三相之的連接關系方程，建立三相變壓器數(shù)學模型。1. 單相變壓器的數(shù)學模型1） 磁鏈方程 假定單相變壓器一、二次繞組匝數(shù)分別為和，考慮繞組漏磁

22、通，一、二次繞組的磁通表示為： 式中 主磁通； 分別是一、二次繞組的漏磁通。由磁鏈定義，一次繞組的磁鏈為： 式中： 漏磁通，由一次繞組的磁動勢建立； 漏磁通路徑磁導率； 主磁通，由一、二次繞組的總磁勢建立； 互磁通路徑磁導率。方程（3）的右端另作表示： 類似地，二次繞組磁鏈為： 則一、二次繞組關于繞組感應的表達式為：式中： 分別一、二次繞組自感； 分別為一、二次繞組互感。其中2） 電壓方程用替換，用替換，一次繞組感應電壓可以寫為： 式中： 為二次側電流折合到一次側的折算值。繞組端電壓為感應電壓和阻抗壓降之和，對于一次繞組，即類似地，二次繞組端電壓可以寫為：3） 連接關系方程 變壓器等效電路如圖

23、2-2所示，一次側三相繞組相電壓可直接由輸入交流電壓計算得到： 式中： 每相輸入交流電壓。圖2-2 變壓器等效電路圖二次繞組中點接地，接地點為g，二次側三相繞組線電壓為：式中： 中點對地電壓，； 接地阻抗； 、分別為每相對地電壓。其中，一次側三相繞組線電流：式中： 、分別為一次側三相繞組的輸出電流。2.2.2 變壓器短路分析 電力變壓器短路故障主要是指副邊輸電線路上的短路。假定電網(wǎng)的容量很大，短路電流不至于引起電力電網(wǎng)電壓下降，忽略空載電流，突發(fā)短路時一次側電路的微分方程為： 解此常系數(shù)微分方程有 式中：突發(fā)短路電流穩(wěn)態(tài)分量的瞬時值，； 突發(fā)短路電流穩(wěn)態(tài)分量的幅值，； 與的相位差，； 突發(fā)短路

24、電流暫態(tài)分量的瞬時值，； 暫態(tài)電流衰減的時間常數(shù)，； 積分常數(shù)，由初始條件決定。 變壓器短路時，由于負載電流比短路電流小得多，可以忽略，認為是空載情況下發(fā)生，即t=0時，?？傻猛话l(fā)短路電流為：突發(fā)短路電流最大值為：式中：突發(fā)短路電流最大值與穩(wěn)態(tài)短路電流最大值的比值，中小型電力變壓器=1.21.4，大型電力變壓器=1.71.8。由此可見，短路產生的沖擊電流最大值可達額定電流的1020倍。第3章 基于matlab的單機-無窮大系統(tǒng)模型建立3.1 matlab簡介matlab 是由美國mathworks公司開發(fā)的一套高性能的數(shù)值計算和可視化大型軟件 ，它是以矩陣運算為基礎 ，把計算、可視化、程序設計

25、融合在一個交互的工作環(huán)境中 ，在此環(huán)境中可以實現(xiàn)工程計算、算法研究、建模和仿真、應用程序開發(fā)等，其在科學計算、工程設計和系統(tǒng)仿真中運用很廣泛。在matlab中包括了兩大部分 ，數(shù)學計算和工程仿真 ，其中在工程仿真方面 ，matlab 提供的軟件支持涉及到各個工程領域 ，并且在不斷完善。matlab 所具有的程序設計靈活 ，直觀 ，圖形功能強大的優(yōu)點使其已經發(fā)展成為多學科 ，多平臺的強大的大型軟件。matlab提供的 simulink工具箱是一個在matlab環(huán)境下用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包 ，它提供了用方框圖進行建模的接口 ，與傳統(tǒng)的仿真建模相比 ，更加直觀、靈活。simuli

26、nk的作用是在程序塊間的互聯(lián)基礎上建立起一個系統(tǒng)。每個程序塊由輸入向量 ，輸出向量以及表示狀態(tài)變量的向量等 3 個要素組成。在計算前 ，需要初始化并賦初值 ，程序塊按照需要更新的次序分類 ，然后用 ode計算程序通過數(shù)值積分來模擬系統(tǒng)。matlan含有大量的 ode計算程序 ，有固定步長的 ，有可變步長的 為求解復雜的系統(tǒng)提供了方便。matlab在電力系統(tǒng)建模和仿真的應用主要由電力系統(tǒng)仿真模塊 simpowersystem 來完成的。matlab是將計算、可視化、程序設計融合在一起的功能強大的平臺，電力系統(tǒng)仿真是將電力系統(tǒng)的模型化、數(shù)學化來模擬實際的電力系統(tǒng)的運行 ，由于電力系統(tǒng)是個復雜的系統(tǒng)

27、 ，運行方式也十分復雜 ，因此采用傳統(tǒng)的方式進行仿真計算工作量大 ，也不直觀。matlab 的出現(xiàn)給電力系統(tǒng)仿真帶來了新的方法和手段。通過matlab 的 simpowersystem的模塊對電力系統(tǒng)中的應用進行仿真 ，從而說明其在電力系統(tǒng)仿真中的運用電力系統(tǒng)的仿真可以幫助人們通過計算機手段分析實際電力系統(tǒng)的各種運行情況，通過故障仿真得出了相關的電壓穩(wěn)定性方面的結論，從而證明了這種仿真的正確性和在分析應用中的可行性。3.2 simulink中電力系統(tǒng)模塊庫簡介simulink是一種用來實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具。它是matlab的一個附加組件，可用于實現(xiàn)各種動態(tài)系統(tǒng)（括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系

28、統(tǒng)）的建模、分析和仿真。simulink對仿真的實現(xiàn)可以應用于動力系統(tǒng)、信息控制、通信設計、金融財會及生物醫(yī)學等各個領域的研究中。simulink實際上提供了一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，并且憑借matlab在科學計算上的天然優(yōu)勢，建立了從設計構思到最終要求的可視化橋梁，大大彌補了傳統(tǒng)設計和開發(fā)工具的不足。它可以使系統(tǒng)的輸入變得相當容易且直觀，同時可以容易地改變輸入信號的形式，對仿真算法和仿真參數(shù)的選擇以及對輸出結果的處理上也更加靈活自由。由于 simulink可以很方便地創(chuàng)建和維護一個完整的模型，評估不同算法和結構并驗證系統(tǒng)性能，另外simulink還可以與matlab中的dsp

29、工具箱、信號處理工具箱以及通訊工具箱等聯(lián)合使用，進而實現(xiàn)軟硬件的接口，從而成為實用的控制軟件。在matlab命令窗口鍵入simulink命令，或單擊matlab工具欄中的simulink圖標，則可以打開simulink模型庫窗口。如圖3-1所示。這一模型庫包括以下各個子模型庫:sources(輸入源)、siuk(輸出方式)、discrete(離散時間模型)、function & tables(功能列表)、math(數(shù)學方法)、signals&system(信號或系統(tǒng))、linear(線性環(huán)節(jié))、nonlinear(非線性環(huán)節(jié))、connections(連接及接口)等。圖3-1

30、simulink模型庫在matlab命令窗口中鍵入powerlib命令，則打開電力系統(tǒng)模塊庫，如圖3-2所示。還可以從simulink模塊瀏覽窗口直接啟動。該模塊庫中有很多模塊組，主要有電源元件（electricial sources）、線路元件(elements)、電力電子元件(power electronics)、電機元件(machines)、連接器元件（connectors）、電路測量儀器（measurements）、附加元件（extras）、演示(demos)、電力圖形用戶接口（powergui）等，雙擊每一個圖標都可以打開一個模塊組。圖3-2 電力系統(tǒng)模塊庫1) 電源模塊電源元件庫中

31、包含7種電源元件，如圖3-3所示，分別是直流電壓源（dc voltage soures）元件、交流電壓源（ac voltage soures）元件、交流電流源（ac current soures）元件、受控電壓源（controlled voltage soures）元件、受控電流源（controlled current soures）元件、三相電源（3-phase soures）元件和三相可編程電壓源（3-phase programmable voltage soures）元件。圖3-3 電源元件庫2) 線路元件模塊 線路元件庫中包含了各種線性網(wǎng)絡電路元件和非線性網(wǎng)絡電路元件。雙擊線路元件庫圖

32、標，彈出線路元件庫對話框，如圖3-4所示，圖中包含了4類線路元件，分別是支路（elements）元件、輸配電線路（lines）元件、斷路器（circult breakers）元件和變壓器（transformers）元件。圖3-4 線路元件庫3 ) 電力電子元件庫電力電子模塊庫包括理想開關（ideal switch）、二極管（diode）、晶閘管（thyristor）、可關斷晶閘管（gto）、功率場效應管（mosfet）、絕緣門極晶體管（igbt）等模塊，此外還有2個附加的控制模塊組和一個整流橋，如圖3-5所示。圖3-5 電力電子元件4 ) 電機元件庫電機元件庫包括同步電機（synchronou

33、s machines）、異步電機（asynchronous machines）、直流電機（dc machines）、調節(jié)器（prime movers and regulators）和電機輸出測量分配器（machines measurements）等。如圖3-6所示。圖3-6 電機元件庫5) 連接器元件連接器模塊庫包括10個常用的連接器模塊，如圖3-7所示。圖3-7 連接器元件6) 測量元件測量元件庫包含電壓表、電流表、萬用表和各種附加的子模塊等，如圖3-8所示。 圖3-8 測量元件庫7） 附加和演示模塊 附加模塊包括了上述各元件庫中的附加元件，演示模塊主要提供一些演示實例。8） 電力系統(tǒng)分析元

34、件 電力系統(tǒng)分析元件模型是用來分析電路和電力系統(tǒng)的工具。matlab軟件提供的電力系統(tǒng)分析元件是一種功能強大的電力系統(tǒng)分析工具，如圖3-9所示，使用電力系統(tǒng)分析工具可以進行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的頻域分析，主要包括：圖3-9 電力系統(tǒng)分析元件 powergui 模塊可以顯示系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的電流和電壓及電路所有的狀態(tài)變量值； 為了執(zhí)行仿真，powergui 模塊允許修改初始狀態(tài)； powergui 可以執(zhí)行負載潮流的計算，并且為了從穩(wěn)態(tài)時開始仿真可以初始化包括三相電機在內的三相網(wǎng)絡，三相電機的類型為簡化的同步電機、同步電機或異步電機模塊； 當電路中出現(xiàn)阻抗測量模塊時，powergui也可以顯示阻抗隨頻率變化的

35、波形； 如果用戶擁有控制工具箱，powergui模塊可以產生用戶自己系統(tǒng)的空間模塊，自動打開 lti 相對于時域和頻域的觀測器接口； powergui 可以產生擴展名為 .rep 的結果報告文件，這個文件包含測量模塊、電源、非線性模塊等系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)值。3.3 系統(tǒng)模型的建立系統(tǒng)模型如圖3-10所示。圖3-10 單機-無窮大系統(tǒng)3.4 基于simulink的模型建立simulink模型建立主要包括以下元件：簡化發(fā)電機、電壓-電流測量元件、斷路器、變壓器、輸電線路、負載、短路故障發(fā)生器等，搭建仿真模型如圖3-11所示。圖3-11 單機-無窮大系統(tǒng)仿真圖3.5設計流程3.5.1 模塊選擇1）從電機

36、元件庫中選擇簡化的同步電機元件，復制后粘貼在電路圖中，如圖3-12所示。 步驟一：將簡化的同步電機元件名稱改為：簡化發(fā)電機。 步驟二：雙擊簡化的同步電機元件，在簡化的同步電機（simplified synchronous machine si unit）元件參數(shù)對話框中進行設置，如圖所示。圖3-12 簡化同步電機模型及其參數(shù)對話框設置參數(shù)如下： 連接類型（connection type）：3-wire y 電機額定參數(shù)（nominal power,l-lvolt and freq）：1000e6 315e3 50 機械參數(shù)（mechanical）：56290 0 2 內部電阻（internal

37、 impedance）：1.9845, 263.15e-3 初始狀態(tài)（initial condition）： 0 0 0 0 0 0 0 0 步驟三：設置施于簡化的同步電機上的功率。 該機械功率使用一個常數(shù)發(fā)生器來設置，如圖3-13所示 將常數(shù)發(fā)生器元件名稱改為：機械功率。 雙擊常數(shù)發(fā)生器元件，在參數(shù)對話框中將數(shù)值設為700e6，作為機械功率值。步驟四：設置電壓幅值 電壓幅值使用一個常數(shù)發(fā)生器來設置，如圖3-13所示，將常數(shù)發(fā)生器的名稱改為：電壓幅值。 將常數(shù)發(fā)生器數(shù)值改為156e3作為電壓幅值。圖3-13 常數(shù)發(fā)生器元件及參數(shù)對話框2）從測量元件庫中選擇三相電壓-電流測量（3-phase v

38、-i measurements）元件，復制后粘貼在電路圖中，如圖3-14所示，將三相電壓-電流測量元件名稱改為：發(fā)電機電壓-電流值。圖3-14 三相電壓-電流測量元件及參數(shù)對話框雙擊三相電壓-電流測量元件，在三相電壓-電流測量元件參數(shù)對話框進行如下設置：電壓測量選項中包括3個選項，分別是不測量電壓（no）、測量相電壓（phase-to-ground）和測量線電壓（phase-to-phase）。電流測量選項中有測量和不測量選項，在本例中選擇測量相電壓和測量電流選項。單擊ok按鈕完成對電壓-電流測量元件的參數(shù)設置。3）從線路元件庫中選擇三相電路短路故障發(fā)生器元件，復制后粘貼在電路圖中，如圖3-1

39、5所示。步驟一：雙擊三相電路短路故障發(fā)生器元件，在三相電路短路故障發(fā)生器元件參數(shù)對話框中進行設置，如圖3-15所示。三相電路短路故障發(fā)生器元件參數(shù)對話框中包括10各選項，分別是故障相選擇（phase fault）、故障點電阻（fault resistances ron）、故障相接地（ground fault）、外部控制（exeternal contorl of fault）、轉換狀態(tài)（transition status）、轉換時間（transition times）、內部計時器的采樣時間（sample time of the ts）、緩沖電阻（snubber resistance rp）、緩沖

40、電容（snubber capacitance cp）和測量（measurements）。圖3-15三相電路短路故障發(fā)生器及參數(shù)對話框參數(shù)設置如下：故障點電阻（fault resistances ron）：0.001故障點接地電阻（ground resietances rg）：0.001轉換狀態(tài)（transition status）： 1 0 轉換時間（transition times）：0.2 0.3內部計時器的采樣時間（sample time of the ts）：0緩沖電阻（snubber resistance rp）：1e6緩沖電容（snubber capacitance cp）：inf

41、測量（measurements）：選擇不測量選項單擊ok按鈕完成對三相電路短路故障發(fā)生器的設置。步驟二：同樣的方法設置其他兩個三相電路短路故障發(fā)生器。4） 從線路元件庫三相斷路器元件，復制后粘貼在電路圖中，如圖3-16所示。雙擊三相短路器元件，在三相短路器元件參數(shù)對話框中進行設置，如圖3-16所示。三相短路器元件參數(shù)對話框包含以下選項：初始狀態(tài)（initial status of breakers）；故障相選擇（switching of a、b、c）；轉換時間（transition time）；內部計時器的采樣時間（sample time of the ts）；外部控制時間（extarnal

42、control of switching times）；斷路器電阻（breakers resistance ron）；遲滯電阻（snubbers resistance rp）；遲滯電容（snubbers capacitance cp）和測量（measurements）。圖3-16 三相斷路器及參數(shù)對話框三相斷路器的參數(shù)設置如下：初始狀態(tài)（initial status of breakers）：故障相選擇（switching of a、b、c）：a、b、c三相都選擇轉換時間（transition time）：0.01內部計時器的采樣時間（sample time of the ts）：0外部控制時

43、間（extarnal control of switching times）：不選擇斷路器電阻（breakers resistance ron）：0.001遲滯電阻（snubbers resistance rp）：1e6遲滯電容（snubbers capacitance cp）：inf測量（measurements）：選擇不測量選項 單擊ok按鈕完成對三相短路器的設置。5） 從線路元件庫中選擇三相變壓器元件，復制后粘貼在電路圖中，如圖3-17所示。步驟一：將變壓器的名稱改為：變壓器。步驟二：雙擊三相變壓器元件，在變壓器元件參數(shù)對話框中進行設置，如圖3-17所示。變壓器元件參數(shù)對話框包含以下選項

44、：圖3-17 三相變壓器及參數(shù)對話框額定功率和頻率（nominal power and frequency）；原邊繞組接法（winding1 connaction）；原邊繞組參數(shù)（winding parancters）；副邊繞組接法（winding2 connaction）；副邊繞組參數(shù)（winding parancters）；磁阻（magnetiration resistance rm）；磁感（magnetiration reactance lm）和測量（measurements）。變壓器參數(shù)設置如下：額定功率和頻率（nominal power and frequency）：250e6 50

45、原邊繞組接法（winding1 connaction）：y原邊繞組參數(shù)（winding parancters）： 424.35e3 , 0.002 , 0.08 副邊繞組接法（winding2 connaction）：delta(d11)副邊繞組參數(shù)（winding parancters）： 315e3 , 0.002 , 0.08磁阻（magnetiration resistance rm）：500磁感（magnetiration reactance lm）：500測量（measurements）：選擇不測量選項單擊ok按鈕完成對三相變壓器的設置。6）從線路元件庫中選擇三相分布參數(shù)傳輸線元件

46、，復制后粘貼在電路圖中，如圖3-18所示。圖3-18 分布參數(shù)傳輸線及參數(shù)對話框步驟一：將分布參數(shù)傳輸線元件名稱改為步驟二：雙擊分布參數(shù)傳輸線元件，在分布參數(shù)傳輸線元件參數(shù)對話框中進行設置，如圖3-18所示。參數(shù)設置如下：線路相數(shù)（number of phase n）：3用于電阻、電感和電容的頻率（frequency）：50單位長度電阻（resistance per unit length）： 0.01273 0.3846單位長度電感（inductance per unit length）： 0.9337e-3 4.1264e-3 單位長度電容（capacitance per unit len

47、gth）： 12.74e-9 7.751e-9 線路長度（line length）：300測量（meadurements）：選擇不測量電氣量單擊ok按鈕完成對三相分布參數(shù)傳輸線的設置。7）從線路元件庫中選擇三相串聯(lián)rlc負載元件，復制后粘貼在電路圖中，如圖3-19所示。圖3-19 三相串聯(lián)rlc負荷元件及參數(shù)對話框步驟一：將三相串聯(lián)rlc負載元件的名稱改為：串聯(lián)負荷。步驟二：雙擊三相串聯(lián)rlc負載元件，在三相串聯(lián)rlc負載元件參數(shù)對話框中進行設置，如圖3-19所示。三相串聯(lián)rlc負載元件參數(shù)對話框包含5個選項，分別是額定相電壓（nominal phase-phase voltage），額定頻率

48、（nominal frequency），三相有功功率（three-phase active power p），三相感性無功功率（three-phase inductive reactive power ql），三相容性無功功率（three-phase capacitive reactive power qc）選項。三相串聯(lián)rlc負載元件參數(shù)設置如下：額定相電壓（nominal phase-phase voltage）：500e3額定頻率（nominal frequency）：50三相有功功率（three-phase active power p）：50e6三相感性無功功率（three-phas

49、e inductive reactive power ql）：0三相容性無功功率（three-phase capacitive reactive power qc）：0單擊ok按鈕完成對三相串聯(lián)rlc負載元件參數(shù)的設置8） 在命令窗口鍵入如下命令： simulink 單擊回車后，彈出仿真元件庫對話框。在sinks目錄下選擇示波器元件拖拽到電路圖中。復制示波器元件，用于測量其它電氣量。9） 從電氣測量儀器庫中選擇萬用表元件，復制后粘貼在電路圖中。雙擊萬用表元件彈出萬用表元件參數(shù)對話框，在萬用表元件參數(shù)對話框中，顯示有可測量電氣量，選擇要測量的電氣量進行測量。10）選擇接地元件、節(jié)點等，進行合理放

50、置。對電路圖進行接線即可完成電路圖的繪制。3.5.2 仿真參數(shù)設置當電路圖設計完成后，對其進行仿真，以達到觀察系統(tǒng)穩(wěn)定運行及發(fā)生短路時的狀態(tài)變化情況。在仿真的菜單選項中，選擇仿真菜單，激活仿真參數(shù)命令，彈出仿真參數(shù)對話框。根據(jù)暫態(tài)過程時間的估算，對仿真參數(shù)進行如下設置：開始時間（start time）：0.0停止時間（stop time）：0.5求解程序類型（type）選項：可變步長（variable-step），ode23tb(dtiff/tr-bdf2)最大步長（max step size）選項：自動（auto）最小步長（min step size）選項：自動（auto）初始步長（inti

51、al step size）選項：自動（auto）相對容差（relative tolerance）選項：1e-3絕對容差（absolute tolerance）選項：自動（auto）3.6 仿真結果分析3.6.1 發(fā)電機出口短路仿真結果 將三相電路短路故障發(fā)生器的故障相選擇中三相故障都選擇，并選擇故障相接地選項。 設置完電路圖和仿真參數(shù)后，下面進行電路仿真。激活仿真按鈕，查看仿真波形。1） 故障點電流波形圖在發(fā)電機故障器中的測量選項中選擇故障電壓和電流選項，對故障點的電壓和電流進行測量。其它兩個故障器均選擇不測量選項。在萬用表元件中選擇故障點a相電流作為測量電氣量。激活仿真按鈕，則故障點a相電流

52、波形圖如圖3-20所示。由圖形可以得出以下結論：在穩(wěn)態(tài)時，故障點a相電流由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，所以電流為0a。在0.2s時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生三相短路，故障點a相電流發(fā)生變化，電流波形上移。在0.3s時，三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當于排除故障，此時，故障點的電壓迅速變?yōu)?a。圖3-20 故障點a相電流在萬用表元件中選擇故障點b相電流作為測量電氣量。激活仿真按鈕，則故障點b相電流波形圖如圖3-21所示。由圖形可以得出以下結論：在穩(wěn)態(tài)時，故障點b相電流由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，所以電流為0a。在0.2s時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電

53、路發(fā)生三相短路，故障點a相電流發(fā)生變化，電流波形下降。在0.3s時，三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當于排除故障，此時，故障點的電壓迅速變?yōu)?a。圖3-21 故障點b相電流在萬用表元件中選擇故障點c相電流作為測量電氣量。激活仿真按鈕，則故障點c相電流波形圖如圖3-22所示。由圖形可以得出以下結論：在穩(wěn)態(tài)時，故障點a相電流由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，所以電流為0a。在0.2s時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生三相短路，故障點c相電流發(fā)生變化，電流波形上移。在0.3s時，三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當于排除故障，此時，故障點的電壓迅速變?yōu)?a。圖3-22 故障點c相電流在萬用

54、表元件中選擇故障點a相、b相、c相電流作為測量電氣量。激活仿真按鈕，則故障點a相、b相、c相電流波形圖如圖3-23所示。圖3-23 故障點三相電流2）故障點的電壓波形圖在萬用表元件中選擇故障點a相、b相和c相電壓作為測量電氣量。激活仿真按鈕，則故障點a相、b相和c相電壓波形圖如圖3-24所示。由圖形可以得出以下結論: 在穩(wěn)態(tài)時，故障點三相電壓由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，其實際電壓為發(fā)電機出口母線上的電壓。在0.2s時，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時發(fā)生三相短路，故障點三相電壓由于發(fā)生三相接地短路，因而各相電壓為0v。在0.3s時，三相短路故障發(fā)生器打開，相當于排除故障，此時三相實際電壓為母線電壓，發(fā)生暫態(tài)波動。圖3-24 故障點三相電壓3）發(fā)電機端電流波形在向量選擇器中選擇故障點a相電流作為測量電氣量。激活仿真按鈕，則故障點a相電流波形圖如圖3-25所示，由圖形可以得出一下結論：在穩(wěn)態(tài)時，a相電流由于三相故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而a相電流呈正弦變化。在0.2s時，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時發(fā)生三相短路，a相電流發(fā)生變化，由波形可以看出波形整體上移，此時短路電流很大，最大幅值達到2300v,為正常時電流的10倍左右，然后波形逐步下移。在0.3s時，三相短路故障發(fā)生器斷開，相當于排除故障，此時a相電流波動恢復弦變化。圖3-25 發(fā)電機a相電流在向