電力系統(tǒng)建模及仿真課程設(shè)計(jì)

1、總結(jié)報(bào)告姓 名學(xué) 號院 系 班 級 指導(dǎo)教師 目錄一、設(shè)計(jì)目的1二、課程設(shè)計(jì)的基本要求1三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析1（一）電力系統(tǒng)故障分析和潮流計(jì)算的原理11、電力系統(tǒng)故障分析的原理12、電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的原理2（二）電力系統(tǒng)故障的仿真與分析41、短路故障42、電力網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算16四、心得體會31五、參考文獻(xiàn)31一、設(shè)計(jì)目的該課程設(shè)計(jì)是在完成電力系統(tǒng)分析的理論教學(xué)之后安排的一個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的在于鞏固和加深對電力系統(tǒng)潮流和短路電流計(jì)算基本原理的理解，學(xué)習(xí)和掌握應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算的方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力。二、課程設(shè)計(jì)的基本要求（1）用Matlab中Simu

2、link組件的SimPowerSystems工具箱構(gòu)建設(shè)計(jì)要求所給的電力系統(tǒng)模型，在所給電力系統(tǒng)中K處選取不同故障類型（三相短路、單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路進(jìn)行仿真，比較仿真結(jié)果，給出自己的結(jié)論。（2）基于Matlab/Simulink，搭建電力網(wǎng)絡(luò)模型，并進(jìn)行潮流計(jì)算。三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析（一）電力系統(tǒng)故障分析和潮流計(jì)算的原理1、電力系統(tǒng)故障分析的原理電力系統(tǒng)短路故障分為兩類,橫向不對稱故障和縱向不對稱故障，橫向不對稱故障包括兩相短路，單相接地短路以及兩相接地短路三種類型，其特點(diǎn)是由電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）和公共參考點(diǎn)（地接點(diǎn)）之間構(gòu)成故障端口。該端口一個(gè)是高電位

3、點(diǎn)，另一個(gè)是零電位點(diǎn)?？v向不對稱故障包括一相斷相和兩相斷相兩種基本類型，其特點(diǎn)是由電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)高電位之間構(gòu)成故障端口。目前實(shí)際中用的最多的和最基本的方法仍是對稱分量法，應(yīng)用對稱分量法分析計(jì)算簡單不對稱故障時(shí)，對于各序分量的求解一般有兩種方法：一種是直接聯(lián)立求解三序的電動勢方程和三個(gè)邊界條件方程；另一種是借助于復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行求解，即根據(jù)不同故障類型所確定的邊界條件，將三個(gè)序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)逆溄?，組成一個(gè)復(fù)合序網(wǎng)，通過對復(fù)合序網(wǎng)的計(jì)算，求出電流、電壓的各序?qū)ΨQ分量。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)故障對稱分量變換三相電路中，任意一組不對稱的三相相量都可以分解為三組三相對稱的分量，這就是所謂的“三相相量對稱分量

4、法”。對稱分量法是將不對稱的三相電流和電壓各自分解為三組對稱分量，它們是：（1）正序分量：三相正序分量的大小相等，相位彼此相差2pi/3，相序與系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下的相同；（2）負(fù)序分量：三相負(fù)序分量的大小相等，相位彼此相差2pi/3，相序與正序相反；（3）零序分量：三相零序分量的大小相等，相位相同。為了清楚起見，除了仍按習(xí)慣用下標(biāo)a、b和c表示三個(gè)相分量外。不對稱短路的分析：    不對稱短路的各序等值網(wǎng)絡(luò)       基本序網(wǎng)方程： 再根據(jù)短路的類型寫出邊界條件，并用序分量

5、表示，最后求出短路處各相電壓電流值。 2、電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的原理電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)最基本的計(jì)算，也是最重要的計(jì)算。所謂潮流計(jì)算，就是已知電網(wǎng)的接線方式與參數(shù)及運(yùn)行條件，計(jì)算電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行各母線電壓、各支路電流與功率及網(wǎng)損。對于正在運(yùn)行的電力系統(tǒng)，通過潮流計(jì)算可以判斷電網(wǎng)母線電壓、支路電流和功率是否越限，如果有越限，就應(yīng)采取措施，調(diào)整運(yùn)行方式。對于正在規(guī)劃的電力系統(tǒng)，通過潮流計(jì)算，可以為選擇電網(wǎng)供電方案和電氣設(shè)備提供依據(jù)。潮流計(jì)算還可以為繼電保護(hù)和自動裝置定整計(jì)算、電力系統(tǒng)故障計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算等提供原始數(shù)據(jù)。根據(jù)電流周期分量的標(biāo)幺值等于回路總阻抗標(biāo)幺值的倒數(shù)，計(jì)算出電流的周期分

6、量，而容量的標(biāo)幺值等于電流周期分量的標(biāo)幺值，計(jì)算出短路容量，取沖擊系數(shù)為1.8時(shí)，短路沖擊電流等于2.55倍的周期分量，短路電流的最大有效值等于1.52倍的周期分量。對于兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路不對稱的短路分析采用對稱分量法，將其分為對稱的三相正序、負(fù)序、零序的和，列出故障時(shí)的邊界條件，并用序分量來表示邊界條件，畫出序網(wǎng)絡(luò)，求出個(gè)序分量，最后求出故障處的各相電壓電流。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的原理電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算就是計(jì)算其電壓降落與功率損耗，電力系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路、負(fù)載組成。潮流計(jì)算主要計(jì)算電力線路和變壓器的功率損耗和電壓降落。主要有三種情況：（1） 已知末端負(fù)荷及

7、末端電壓，求始端電壓及功率；（2） 已知末端負(fù)荷及始端電壓，求末端電壓及始端功率；（3） 已知始端負(fù)荷及電壓，求末端電壓與功率。以第一種情況來簡述潮流計(jì)算的原理    根據(jù)已知的末端電壓和等值電路求出導(dǎo)納支路的功率損耗                           

8、;                 電力線路的電壓降落：     電壓降落橫分量 電壓降落縱分量     對于已知末端負(fù)荷及始端電壓的潮流計(jì)算，先假設(shè)末端電壓和由給定的末端負(fù)荷，往始端推算出始端電壓和始端功率，再由給定始端電壓和計(jì)算的始端負(fù)荷，向末端推算出末端電壓、末端功率然后再由給定末端負(fù)荷及計(jì)算得到的末端電壓往始端

9、推算，以此推算，直至推出較滿意的電壓為止。對于已知始端電壓、功率的情況與第一種情況類似，其次變壓器阻抗的功率損耗與電壓降落與電力線路完全類似，通常情況下可將電壓降落的橫分量忽略，電力線路是用型等值電路而變壓器則使用葛型等值電路。（二）電力系統(tǒng)故障的仿真與分析1、短路故障發(fā)電機(jī)G1：25KV,Y連接;輸電線路L1和L2長度均為100KM,L2末端中心點(diǎn)接地。圖3-1-1 短路故障圖（1）、單相接地短路連線圖圖3-1-2短路故障連線圖萬用表圖形圖3-1-3單相接地短路萬用表圖電壓波形：圖3-1-4單相接地短路電壓波形圖電流波形：圖3-1-5單相接地短路電流波形圖Scope2圖3-1-6單相接地短路

10、csope2波形圖分析：當(dāng)A相發(fā)生接地短路時(shí)故障點(diǎn)A相電壓突降為零，導(dǎo)致B,C兩項(xiàng)電壓上升，排除故障之后三相電壓恢復(fù)正常。（2）、三相短路萬用表圖形：圖3-1-7三相短路萬用表波形圖電壓波形：圖3-1-8三相短路電壓波形圖電流波形：圖3-1-9三相短路電流波形圖Scope2圖3-1-10三相短路scope2波形圖分析：在穩(wěn)態(tài)時(shí),故障相各相電壓由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),因而電壓不為0. 在0. 02s 時(shí),三相短路故障發(fā)生器閉合,此時(shí)電路發(fā)生三相短路,故障點(diǎn)各相電壓發(fā)生變化,故障點(diǎn)各相電壓都降為0. 在0. 06s 時(shí),三相短路故障發(fā)生器打開,相當(dāng)于排除故障,此時(shí)故障點(diǎn)各相電壓緩慢恢復(fù)

11、，此時(shí)故障點(diǎn)各相電流逐漸下降為0.（3）、兩相短路萬用表圖圖3-1-11兩相短路萬用表波形圖電壓波形：圖3-1-12兩相短路電壓波形圖電流波形：圖3-1-13兩相短路電流波形圖Scope2圖3-1-14兩相短路scope2波形圖分析：在A、B兩相發(fā)生短路故障時(shí)，非故障相C相電壓波形幅值增大。A相和B相電壓降為0V。C相未發(fā)生故障,其短路電流為零.兩相短路時(shí),短路故障點(diǎn)電流中沒有零序分量,而正序分量與負(fù)序分量大小相等但方向相反。（4）、兩相接地短路萬用表測量：圖3-1-15兩相接地短路萬用表波形圖電壓波形：圖3-1-16兩相接地短路電壓波形圖電流波形：圖3-1-17兩相接地短路電流波形圖Scop

12、e2圖3-1-18兩相接地短路scope2波形圖分析：在A、B兩相發(fā)生短路故障時(shí)，非故障相C相電壓波形幅值改變，增大。A相和B相電壓降為0V。C相未發(fā)生故障,其短路電流為零.兩相短路時(shí),短路故障點(diǎn)電流中沒有零序分量,而正序分量與負(fù)序分量大小相等但方向相反.（5）、正常情況圖3-1-19 正常情況萬用表波形圖電壓波形：圖3-1-20 正常情況電壓波形圖電流波形：圖3-1-21 正常情況電流波形圖Scope2圖3-1-22 正常情況scope2波形圖分析：當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)端的電壓和電流都是成正弦變化的，雖然三相交流電源的三相電壓和電流之間相位不同，但是幅值的大小是相同的。2、電力網(wǎng)絡(luò)潮

13、流計(jì)算圖3-2-1 電力網(wǎng)潮流計(jì)算電氣接線圖圖3-2-2 潮流計(jì)算仿真圖（1）、發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置取基準(zhǔn)功率為SB=100MVA，基準(zhǔn)電壓等于各級平均額定電壓。而在Simulink的發(fā)電機(jī)、變壓器等模型中都是以標(biāo)幺值表示的（以自身的額定值為基準(zhǔn)值）兩臺發(fā)電機(jī)分別為G1、G2，變壓器為T1、T2、線路分別為L1、L2、L3，負(fù)載分別為Load1、Load2、Load3表示。發(fā)電機(jī)模型參數(shù)設(shè)置：由于變壓器變比為1：，因此在設(shè)置發(fā)電機(jī)模塊G1、G2，額定功率為100MVA、額定電壓為、額定頻率為50Hz，其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。發(fā)電機(jī)G2的參數(shù)設(shè)置過程與G1的一樣。如圖：圖3-2-3G1圖3-2-4 G2

14、（2）、變壓器模型參數(shù)設(shè)置變壓器變比為1：，因此設(shè)置變壓器模塊的低壓側(cè)額定電壓為，高壓側(cè)額定電壓為121KV。變壓器T1的參數(shù)設(shè)置如下：T2漏抗值與T1不同，但是參數(shù)設(shè)置過程與T1相同,只是漏阻抗不同。變壓器漏阻抗設(shè)置盡量小一些，勵磁鐵芯電阻電抗設(shè)置要大。圖3-2-5 T1圖3-2-6 T2（3）、線路模型參數(shù)設(shè)置無論是三相“II”形等值線路模塊還是三相串聯(lián)RLC支路模塊，其參數(shù)均為有名值。以支路阻抗為R*+JX*=0.08+J0.30,對地導(dǎo)納Y*=j0.5的線路L1為例，其有名值的參數(shù)計(jì)算如下。電阻有名值：R=R*VB2SB=0.08×1152100電感有名值：L=X*VB2SB

15、=0.3314×1152100H=0.1263H電容有名值：C=1/VB2Y*SB=13140.5×1152100F=1.2×10-5F線路的長度設(shè)置為1km,參數(shù)設(shè)置如下所示，模型中的零序參數(shù)采用默認(rèn)值。L2、L3參數(shù)設(shè)置過程同L1。圖3-2-7 L1圖3-2-8 L2圖3-2-9 L3（4）、負(fù)荷模型參數(shù)設(shè)置當(dāng)動態(tài)負(fù)荷的終端電壓高于設(shè)定的最小電壓時(shí)，負(fù)荷的有功功率和無功功率按下式變化。Ps=P0(UU0)np(1+TP1S)(1+TP2S)Qs=Q0(UU0)np(1+Tq1S)(1+Tq2S)系統(tǒng)中負(fù)荷Load1、Load2、Load3所接母線均為PQ節(jié)點(diǎn)，

16、要求負(fù)載有恒定功率的輸出（輸入），因此設(shè)置P0、Q0為系統(tǒng)給出的有功功率和無功功率值，控制負(fù)荷性質(zhì)的指數(shù)np，有功功率、無功功率動態(tài)特性的時(shí)間參數(shù)T P1、T p2、T q1、Tq2均設(shè)置為0。如下圖所示圖3-2-10 Load1圖3-2-11 Load2圖3-2-12 Load3（5）、綜合參數(shù)設(shè)置：利用Powergui模塊進(jìn)行節(jié)點(diǎn)類型、初始值等參數(shù)的綜合設(shè)置。雙擊Powergui模塊圖標(biāo)，在主界面下打開“潮流計(jì)算和電機(jī)初始化”窗口。在電機(jī)顯示欄中選擇發(fā)電機(jī)G2，設(shè)置其為平衡節(jié)點(diǎn)“Swing bus”，輸出線電壓設(shè)置為11025V(對應(yīng)的標(biāo)幺值為1.05)，電機(jī)a 相電壓的相角為0，頻率為5

17、0Hz；選擇發(fā)電機(jī)G1，設(shè)置其為PV節(jié)點(diǎn)，輸出線電壓設(shè)置為11025V(對應(yīng)的標(biāo)幺值為1.05)，有功功率為600MW；選擇Load1,設(shè)置有功功率為200MW,無功功率為100Mvar,頻率為50Hz；選擇Load2,設(shè)置有功功率為370MW,無功功率為130Mvar,頻率為50Hz；選擇Load3,設(shè)置有功功率為160MW,無功功率為80Mvar,頻率為50Hz，如下圖所示。圖3-2-13 綜合參數(shù)設(shè)置圖圖3-2-14 更新潮流結(jié)果圖3-2-15 穩(wěn)態(tài)電壓電流母線M1的潮流計(jì)算：A相電壓為V，相位角；電流為31A，相位角，所以M1的潮流為：P=3UIcos =*cos)=598MVAQ=3

18、UIsin*sin)=229MVar 母線M2的潮流計(jì)算：A相電壓為，相位角；電流為A，相位角，所以M2的潮流為P=3UIcos =3*66369.83*1601.47*cos(-0.7-97.42)=45MVA Q=3UIsin=3*66369.83*1601.47*cos(-0.7-97.42)MVar 母線M3的潮流計(jì)算：A相電壓為V，相位角°；電流為A，相位角°，所以M3的潮流為P=3UIcos =3*67006.68*776.59*COS(Q=3UIsinMVar在所給的電力系統(tǒng)中K處選取了不同的故障類型(三相短路、單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路)進(jìn)行仿真，比較仿真結(jié)果，結(jié)果表明運(yùn)用Matlab對電力系統(tǒng)故障進(jìn)行分析與仿真，能夠準(zhǔn)確直觀地考察電力系統(tǒng)故障的動態(tài)特性，驗(yàn)證了Matlab在電力系統(tǒng)仿真中的強(qiáng)大功能。四、心得體會五、參考文獻(xiàn)1.于永源，楊綺雯.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析M中國電力出版社，2007. 2.王晶