電力系統(tǒng)建模及仿真課程設(shè)計

1、 某某大學(xué)某某大學(xué)電力系統(tǒng)建模及仿真課程設(shè)計電力系統(tǒng)建模及仿真課程設(shè)計總結(jié)報告總結(jié)報告 題題 目目：基于基于 MATLABMATLAB 的電力系統(tǒng)短路故障仿真于分析的電力系統(tǒng)短路故障仿真于分析姓姓 名名 學(xué)學(xué) 號號 院院 系系 班班 級級 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 - 1 -摘要摘要：本次課程設(shè)計是結(jié)合電力系統(tǒng)分析的理論教學(xué)進行的一個實踐課程。電力系統(tǒng)短路故障，故障電流中必定有零序分量存在，零序分量可以用來判斷故障的類型，故障的地點等，零序分量作為電力系統(tǒng)繼電保護的一個重要分析量。運用 Matlab 電力系統(tǒng)仿真程序 SimPowerSystems 工具箱構(gòu)建設(shè)計要求所給的電力系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上對

2、電力系統(tǒng)多中故障進行仿真，仿真波形與理論分析結(jié)果相符，說明用 Matlab 對電力系統(tǒng)故障分析的有效性。實際中無法對故障進行實驗，所以進行仿真實驗可達到效果。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；仿真；短路故障；Matlab；SimPowerSystemsAbstract: The course design is a combination of power system analysis of the theoretical teaching, practical courses. Power system short-circuit fault, the fault current must be

3、zero sequence component exists, and zero-sequence component can be used to determine the fault type, fault location, the zero-sequence component as a critical analysis of power system protection. SimPowerSystems Toolbox building design requirements to the power system model using Matlab power system

4、 simulation program, and on this basis, the power system fault simulation, the simulation waveforms with the theoretical analysis results match, indicating that the power system fault analysis using Matlab effectiveness. Practice can not fault the experiment, the simulation can achieve the desired e

5、ffect.Keywords: power system; simulation; failure; Matlab; SimPowerSystems- 2 -目錄目錄一、引言一、引言.- - 3 3 - -1 1、故障概述、故障概述.- - 3 3 - -2 2、故障類型、故障類型.- - 3 3 - -二、電力系統(tǒng)模型二、電力系統(tǒng)模型.- - 4 4 - -三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析.- - 4 4 - -3.13.1 電力系統(tǒng)仿真模型電力系統(tǒng)仿真模型 .- - 5 5 - -3.23.2 仿真參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置 .- - 6 6 - -3.33.3

6、仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析 .- - 8 8 - -3.3.13.3.1 正常運行分析正常運行分析 .- - 8 8 - -3.3.23.3.2 單相接地短路故障分析單相接地短路故障分析 .- - 9 9 - -3.3.33.3.3 兩相短路故障分析兩相短路故障分析 .- - 1212 - -3.3.43.3.4 兩相接地短路故障分析兩相接地短路故障分析 .- - 1515 - -3.3.53.3.5 三相短路故障分析三相短路故障分析 .- - 1818 - -四、結(jié)論四、結(jié)論.- - 2121 - -五、參考文獻五、參考文獻.- - 2121 - -六、心得體會六、心得體會.- - 2222

7、- - 3 -一、引言一、引言1 1、故障概述、故障概述短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生系統(tǒng)通路的情況。電力系統(tǒng)在運行中，相與相之間或相與地（或中性線）之間發(fā)生非正常連接（即短路）時流過的電流。其值可遠遠大于額定電流，并取決于短路點距電源的電氣距離。例如，在發(fā)電機端發(fā)生短路時，流過發(fā)電機的短路電流最大瞬時值可達額定電流的 1015 倍。大容量電力系統(tǒng)中，短路電流可達數(shù)萬安。這會對電力系統(tǒng)的正常運行造成嚴(yán)重影響和后果。1供電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生短路時,很大的短路電流會使電器設(shè)備過熱或受電動力作用而遭到損壞,同時使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電壓大大降低,因而破

8、壞了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用電設(shè)備的正常工作.為了消除或減輕短路的后果,就需要計算短路電流,以正確地選擇電器設(shè)備、設(shè)計繼電保護和選用限制短路電流的元件。2 2、故障類型、故障類型三相系統(tǒng)中發(fā)生的短路有 4 種基本類型：三相短路，兩相短路，單相對地短路和兩相對地短路。其中，除三相短路時，三相回路依舊對稱，因而又稱對稱短路外，其余三類均屬不對稱短路。在中性點接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，以一相對地的短路故障最多，約占全部故障的90。在中性點非直接接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，短路故障主要是各種相間短路。為了保證電力系統(tǒng)運行的功能和質(zhì)量，在設(shè)計、分析和研究時必須保證系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個超高壓、大容量和跨區(qū)域的巨大的聯(lián)合

9、系統(tǒng)，電力系統(tǒng)事故具有突發(fā)性強、維持時間短、復(fù)雜程度高、破壞力大的特點，因而使得事后對故障原因分析、查找變得尤其困難。由于在實際系統(tǒng)上進行試驗和研究比較困難，因此借助各種電力系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件電力系統(tǒng)的設(shè)計和研究已成為有效途徑之一。- 4 -Matlab 在電力系統(tǒng)建模和仿真的應(yīng)用主要由電力系統(tǒng)仿真模塊(Power System Blockset 簡稱 PSB)來完成。Power System Block 是由 TEQSIM 公司和魁北克水電站開發(fā)的。PSB 是在 Simulink 環(huán)境下使用的模塊,采用變步長積分法,可以對非線性、剛性和非連續(xù)系統(tǒng)進行精確的仿真，并精確地檢測出斷點和開關(guān)發(fā)生時刻

10、。PSB 程序庫涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。通過 PSB 可以迅速建立模型，并立即仿真。PSB 程序塊程序庫中的測量程序和控制源起到電信號與 Simulink 程序之間連接作用。PSB 程序庫含有代表電力網(wǎng)絡(luò)中一般部件和設(shè)備的 Simulink 程序塊，通過 PSB 可以迅速建立模型，并立即仿真。二、電力系統(tǒng)模型二、電力系統(tǒng)模型電力系統(tǒng)中輸送和分配電能的部分稱為電力網(wǎng),它包括升降壓變壓器和各種電壓等級的輸電線路 、動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)簡單示意如圖三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析電力系統(tǒng)仿真主要是對短路類

11、型中的三相短路、兩相短路和單相接地短路的電流、機端電壓波形進行分析。利用Matlab軟件中的電力系統(tǒng)模塊庫(PSB)，建立了模型，它對電力系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計和選用有一定的參考價值。同時電壓電- 5 -流波形可以直觀的了解，便于建立系統(tǒng)的觀念。3.13.1 電力系統(tǒng)仿真模型電力系統(tǒng)仿真模型題目要求：發(fā)電機 G：50MW、13.8kV，保持恒定，Y 連接；變壓器 T-1：13.8/220kv；線路 L：100km，負荷 LD：5MVA 。系統(tǒng)仿真模型如下：3.23.2 仿真參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置各元件參數(shù)設(shè)置如下：- 6 -(1) 發(fā)電機參數(shù)設(shè)置發(fā)電機額定容量為 50MVA,額定電壓為 13.8KV，額

12、定頻率為 60Hz，Yg 連接，其它采用默認(rèn)值。(2) 三相變壓器參數(shù)設(shè)置額定頻率為 60Hz，一次側(cè)電壓 13.8KV，二次側(cè)電壓 220KV。其他采用默認(rèn)值。(3) 三相輸電線參數(shù)設(shè)置線路長 100Km。(4) 負荷參數(shù)設(shè)置額定容量為 50MVA。(5) 故障模塊參數(shù)設(shè)置短路故障是用三相故障元件來模擬的，故障時間段可通過 Transition Times 來設(shè)置，設(shè)置為 0.010.05 秒。其余的短路故障模型可以通過修改三相故障模塊的參數(shù)設(shè)置來實現(xiàn)，將在以下仿真過程中進行設(shè)置。（a）三相交流電源 G （b）三相測量元件- 7 - （c）三相雙繞組變壓器 T-1 （d）線路 L （e）三相

13、故障模塊 （f）負荷 LD- 8 -3.33.3 仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析3.3.13.3.1 正常運行分析正常運行分析正常運行時發(fā)電機輸出端電壓波形正常運行時發(fā)電機輸出端電壓波形正常運行時發(fā)電機輸出端電流波形正常運行時發(fā)電機輸出端電流波形分析分析：電力系統(tǒng)未發(fā)生短路故障時，發(fā)電機端的電壓和電流均成正弦變化，三相交流電源的三相電壓和電流之間相位不同，而幅值的大小是相同的。- 9 -3.3.23.3.2 單相接地短路故障分析單相接地短路故障分析將三相電路短路故障發(fā)生器中的“故障相選擇”選擇A 相故障,并選擇故障相接地選項,故障時間為0.010.05秒;在萬用表元件中選擇A 相、B 相和C 相電流

14、作為測量電氣量, 激活仿真按鈕。（此處以（此處以A A相接地短路為例）相接地短路為例）A A 相接地短路故障點三相電流：相接地短路故障點三相電流：A A 相接地短路故障點三相電壓相接地短路故障點三相電壓：分析：分析：當(dāng) A 相發(fā)生接地短路時故障點 A 相電壓降為零，、非故障相即 BC兩相電壓上升為線電壓，其夾角為 60。故障切除后各相電壓水平較原來升高，這是中性點電位升高導(dǎo)致的。- 10 -故障點各相電壓故障點各相電壓：分析分析: : 當(dāng)輸電線路發(fā)生 A 相接地短路時,B 相、C 相電壓沒有變化。在正常狀態(tài)時，三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),A 相電壓也不變,不為 0. 在 0. 01s 時,

15、三相短路故障發(fā)生器閉合,此時 A 相接地短路,其短路電壓波形發(fā)生了劇烈的變化,電壓降為 0.在 0. 05s 時,三相短路故障發(fā)生器打開,故障排除,此時故障點 A 相電壓迅速恢復(fù)。故障點各相電流：故障點各相電流：分析：分析：當(dāng)輸電線路發(fā)生 A 相接地短路時,B 相、C 相電流沒有變化,始終為0。在正常狀態(tài)時，三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),A 相電流為 0. 在 0. 01s 時,三相短路故障發(fā)生器閉合,此時 A 相接地短路,其短路電流波形發(fā)生了劇烈的變化,但大體上仍呈正弦規(guī)律變化.在 0. 05s 時,三相短路故障發(fā)生器打開,故障排除,此時故障點 A 相電流迅速變?yōu)?0。- 11 -發(fā)生單相

16、接地短路故障時發(fā)電機端電壓波形：發(fā)生單相接地短路故障時發(fā)電機端電壓波形：發(fā)生單相接地短路故障時發(fā)電機端電流波形：發(fā)生單相接地短路故障時發(fā)電機端電流波形：分析分析:當(dāng) 0.01 秒時發(fā)生單相接地短路,發(fā)電機端故障相電壓下降,而兩個非故障相電壓未發(fā)生變化,發(fā)電機段故障相電流未發(fā)生變化,而兩個故障相電流開始變化,振幅增大.0.05 秒時,故障解除,發(fā)生變化的電壓和電流迅速恢復(fù)到原來的幅值.- 12 -3.3.33.3.3 兩相短路故障分析兩相短路故障分析將三相電路短路故障發(fā)生器中的“故障相選擇”選擇A 相和B相故障,并選擇故障相接地選項,故障時間為0.010.05秒;在萬用表元件中選擇A 相、B 相

17、和C 相電流作為測量電氣量, 激活仿真按鈕。即發(fā)生A相和B相兩相短路故障。（以（以ABAB兩相短路為例）兩相短路為例）ABAB 兩相短路故障點三相電流：兩相短路故障點三相電流：ABAB 兩相短路故障點三相電壓：兩相短路故障點三相電壓：分析分析：在 A、B 兩相發(fā)生短路故障時，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,短路故障點電流中沒有零序分量,而正序分量與負序分量大小相等但方向相反.- 13 -故障點各相電壓：故障點各相電壓：分析分析:(選故障點 A 相觀察)在穩(wěn)態(tài)時，故障點 A 相電壓由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)

18、，因而電壓為正弦變化。在 0.01s 時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生 A、B 兩相短路，故障點 A 相電壓發(fā)生變化，突變?yōu)?0V。在 0.05s 時，三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當(dāng)于排除故障。此時故障點 A 相電壓波動恢復(fù)正弦波形。故障點 B 相與 A 相近似.(選故障點 C 相觀察)故障點 C 相: 在穩(wěn)態(tài)時，故障點 C 相電壓由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而電壓為正弦變化幅值約為 5000V。在0.01s 時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生 A、B 兩相短路， C 相電壓發(fā)生變化，突變?yōu)?6000V。由圖形可以得出以下結(jié)論：由于 C 相為非故障相，其電

19、壓波形僅在兩相短路期間波的幅值變大，但是波形不變。故障點各相電流：故障點各相電流：- 14 -分析：分析：（選取故障點 A 相觀察）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)，因而電流幅值為 0A。在 0.01s 時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生 A、B 兩相短路，故障點 A 相電流發(fā)生變化，由于閉合時有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而波形下移，呈正弦波形變化。在0.05s 時，三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當(dāng)于排除了故障。此時故障點 A相電流迅速上升為 0A。(選取故障點 B 相觀察)：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)，因而電

20、流為 0A。在 0.01s 時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生 A、B 兩相短路，故障點 B 相電流幅值發(fā)生變化，由于閉合時有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而波形上移，呈正弦波形變化。在 0.05s時，三相電路短路故障發(fā)生器斷開，相當(dāng)于排除故障。此時故障點 B 相電流迅速下降為 0A。 (選取故障點 C 相觀察): 在 A、B 發(fā)生兩相短路時，故障點 C 相電流沒有變化，始終為 0A。同時也符合理論計算如式 2-14 可知。0fbI發(fā)生兩相短路故障時發(fā)電機端電壓：發(fā)生兩相短路故障時發(fā)電機端電壓：- 15 -發(fā)生兩相短路故障時發(fā)電機端電流：發(fā)生兩相短路故障時發(fā)電機端電流：分析分析: :當(dāng)

21、0.01 秒時發(fā)生兩相短路,發(fā)電機端故障點兩相電壓幅值下降,而非故障相電壓幅值增大一點,但并不多,發(fā)電機段故障點兩相電流幅值增大,而非故障相電流幅值變化更大.0.05 秒時,故障解除,發(fā)生變化的電壓和電流迅速恢復(fù)到原來的幅值.3.3.43.3.4 兩相接地短路故障分析兩相接地短路故障分析將三相短路故障發(fā)生器中“故障相選擇”的A相和B 相選中,并選擇故障相接地選項;在萬用表元件中選擇A 相、B 相和C 相電流作為測量電氣量, 激活仿真按鈕. （以AB兩相接地故障為例）：ABAB 兩相接地故障點三相電流：兩相接地故障點三相電流：- 16 -ABAB 兩相接地故障點三相電壓兩相接地故障點三相電壓：故

22、障點各相電壓：故障點各相電壓：分析：分析：在 A 相、B 相發(fā)生接地短路時,C 相電壓沒有變化,但不為 0. 對于故障相 A 相和故障相 B 相電壓:在穩(wěn)態(tài)時,故障點 A 相、B 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. 01s 時,三相短路故障發(fā)生器閉合,此時電路發(fā)生 A 相、B 相接地短路,故障點 A 相和 B 相電壓變化,變?yōu)?. 在 0. 05s 時,三相短路故障發(fā)生器打開,相當(dāng)于排除故障,此時故障點 A 相、B 相電壓有迅速恢復(fù).- 17 -故障點各相電流：故障點各相電流：分析：分析：在 A 相、B 相發(fā)生接地短路時,C 相電流沒有變化,始終為 0. 對

23、于故障相 A 相和故障相 B 相電流:在穩(wěn)態(tài)時,故障點 A 相、B 相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),因而電流為 0. 在 0. 01s 時,三相短路故障發(fā)生器閉合,此時電路發(fā)生 A 相、B 相接地短路,故障點 A 相電流波形下移,故障點 B 相電流波形上升,呈正弦規(guī)律變化. 在 0. 04s 時,三相短路故障發(fā)生器打開,相當(dāng)于排除故障,此時故障點 A 相、B 相電流變化為 0.發(fā)生兩相接地短路故障時發(fā)電機端電壓：發(fā)生兩相接地短路故障時發(fā)電機端電壓：- 18 -發(fā)生兩相接地短路故障時發(fā)電機端電流：發(fā)生兩相接地短路故障時發(fā)電機端電流：分析分析:當(dāng) 0.01 秒時發(fā)生兩相接地短路,發(fā)電機端

24、故障點兩相電壓幅值下降,而非故障相電壓幅值增大一點,但并不多,發(fā)電機段故障點兩相電流幅值增大,而非故障相電流幅值變化更大.0.05 秒時,故障解除,發(fā)生變化的電壓和電流迅速恢復(fù)到原來的幅值.但是比較兩相短路不接地的情況,干擾更強一點3.3.53.3.5 三相短路故障分析三相短路故障分析將三相短路故障發(fā)生器中“故障相選擇”的三相故障3個都選中;在萬用表元件中選擇A 相、B 相和C 相電流作為測量電氣量. 激活仿真按鈕。三相短路故障點三相電流：三相短路故障點三相電流：- 19 -三相短路故障點三相電壓：三相短路故障點三相電壓：故障點各相電壓：故障點各相電壓：分析分析：在穩(wěn)態(tài)時,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. 01s 時,三相短路故障發(fā)生器閉合,此時電路發(fā)生三相短路,故障點各相電壓發(fā)生變化,故障點各相電壓都降為0. 在0. 05s 時,三相短路故障發(fā)生器打開,相當(dāng)于排除故障,此時故障點各相電壓迅速恢復(fù).- 20 -故障點各相