電力系統(tǒng)綜合課程設(shè)計

電力系統(tǒng)綜合課程設(shè)計

第一章緒論

1.1.引言

電力系統(tǒng)綜合設(shè)計課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，，滿足

學(xué)生專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用，使用現(xiàn)代工具分析、設(shè)計、預(yù)測、解決復(fù)雜的工程

問題等培養(yǎng)目標(biāo)的要求，培養(yǎng)學(xué)生熟悉電力系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)范、電力行業(yè)的法律法

規(guī)以及團(tuán)隊合作的精神。

1.2.不對稱故障分析的意義

電力系統(tǒng)所發(fā)生的各類故障中，以不對稱故障最為常見。電力系統(tǒng)發(fā)生不對

稱故障后有可能會使系統(tǒng)由于失去穩(wěn)定性而喪失對大量用戶的供電服務(wù)，而且由

于現(xiàn)代科會生產(chǎn)和生活對電力的高度依賴，即使是局部地區(qū)的供電異?；蛘叻怯?/p>

劃中斷也將對該地區(qū)的社會生產(chǎn)和生活帶來不利影響，有時甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的社

會經(jīng)濟(jì)和政治損失，故分析理解不對稱故障對于整個電力系統(tǒng)安全運行有著極為

重大的意義。

1.3.不對稱故障分析的基本方法

電力系統(tǒng)所發(fā)生的各類故障中，以不對稱故障最為常見，不對稱故障的分析

主要采用對稱分量法。本文通過Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)元件庫

SinPowerSystems構(gòu)建電力系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置模型中各元件參數(shù)并對此系統(tǒng)發(fā)

生不對稱短路故障進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實際理論相符。由此說

明，應(yīng)用Matlab對電力系統(tǒng)故障仿真分析是切實可行的。

1.4.同步電機(jī)三相短路分析的意義

同步電機(jī)三相短路分析是電力系統(tǒng)中一項重要的任務(wù)，它對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性

和可靠性具有重要意義。

同步電機(jī)三相短路分析可以幫助確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠運行。它

在故障診斷、設(shè)備保護(hù)、系統(tǒng)調(diào)度等方面具有重要作用，為電力系統(tǒng)運維和管理

提供關(guān)鍵信息和決策依據(jù)。

1.5.同步電機(jī)三相短珞分析的基本方法

1.5.1定子繞組電流：

同步頻交流分量：按指數(shù)規(guī)律以時間常數(shù)Td\Tdz衰減至穩(wěn)態(tài)值；直

流分量：按指數(shù)規(guī)律乂時間常數(shù)Ta衰減至零；

二倍頻交流分量：按指數(shù)規(guī)律以時間常數(shù)Ta衰減至零；

L5.2轉(zhuǎn)子繞組電流：

勵磁繞組：

直流分量：按指數(shù)規(guī)律以時間常數(shù)Td'衰減至穩(wěn)態(tài)值；

同步頻交流分量：按指數(shù)規(guī)律以時間常數(shù)Ta衰減至零；

交直軸阻尼繞組：

直流分量：按指數(shù)規(guī)律以時間常數(shù)Td”衰減至穩(wěn)態(tài)值；

同步頻交流分量：按指數(shù)規(guī)律以時間常數(shù)Ta衰減至零;

第二章基本方法

2.1MATLAB/SIMULINK簡介

Simulink是美國Mathworks公司推出的MATLAB中的一種可視化仿真工具。

Sinulink是一個模塊圖環(huán)境，用于多域仿真以及基于模型的設(shè)計。它支持系統(tǒng)設(shè)

計、仿真、自動代碼生成乂及嵌入式系統(tǒng)的連續(xù)測試和驗證。Simulink提供圖形

編輯器、可自定義的模塊庫以及求解器，能夠進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真。

Simulink與MATLAB相集成，能夠在Simulink中將MATLAB算法融入模型，

還能將仿真結(jié)果導(dǎo)出至MATLAB做進(jìn)一步分析。Simulink應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、航

空、工業(yè)自動化、大型建模、復(fù)雜邏輯、物理邏輯，信號處理等方面。

2.2P0WERGUI及其運用

2.2.1認(rèn)識它

powergui其實是電力系統(tǒng)的圖形化用戶接口，simulink仿真所采用的是狀

態(tài)空間方程，所以powergui的功能就是實現(xiàn)電路圖形和狀態(tài)空間方程的轉(zhuǎn)換。

powergui可進(jìn)行電網(wǎng)穩(wěn)定性分析、傅里葉分解、潮流計算、阻抗頻率響應(yīng)等

計算，所以在電力相關(guān)的模型仿真搭建過程中就需要添加這個模塊。

1)powergui有三個求解類型，分別是連續(xù)型，使用來自Simulink的可變

步長求解器；離散型，在固定時間步長下對電氣系統(tǒng)進(jìn)行離散化以求解；相量型，

包括離散向量和連續(xù)向量。

2.2.2找到它

在simulink中添加powergui模塊有兩種方法，一種是通過模塊庫尋找，路

徑為Simscape/Electrical/SpecializedPowerSystems/Fundamental

Blockso

2.3不對稱故障短路模塊介紹

在MATLAB中，不對稱故障短路模塊用于模擬電力系統(tǒng)中的不對稱故障情況，

并計算故障后的電流和電壓。該模塊通常用于電力系統(tǒng)的短路分析和保護(hù)設(shè)備的

測試與驗證。

不對稱故障短路模塊提供了一系列功能和工具，用于定義系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、

參數(shù)設(shè)置和模擬不對稱故障。模塊包含以下主要組成部分：

系統(tǒng)模型：可以使用MATLAB語言或圖形用戶界面（GUI）構(gòu)建電力系統(tǒng)模型。

模型包括發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器、負(fù)荷等組件。

參數(shù)設(shè)置：設(shè)置輸入的故障類型（如三相短路、單相接地故障等）、故障位

置和故障電阻、故障時刻等參數(shù)。

不對稱故障模擬：根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行不對稱故障模擬，并計算故障后的電

流和電壓響應(yīng)。模塊考慮了電力系統(tǒng)中的不對稱影響，如相間故障、不對稱接地

故障等。

結(jié)果分析：提供了豐富的結(jié)果顯示和分析工具，例如故障電流和電壓的波形

圖、不對稱因子計算等?？梢酝ㄟ^這些分析結(jié)果評估電力系統(tǒng)的短路能力和保護(hù)

裝置的性能。

MATLAB中的不對稱故障短路模塊為工程師和研究人員提供了一個方便的工

具，用于研究和分析電力系統(tǒng)中的不對稱故障情況。它可以幫助用戶更好地理解

電力系統(tǒng)的行為，并驗證保護(hù)設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.3.1交流源模塊

在MATLAB中，交流源模塊用于建立交流電源模型，模擬電力系統(tǒng)中的交流

電源。該模塊通常用于電力系統(tǒng)的仿真分析、穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析、以及其他與電源

相關(guān)的研究和應(yīng)用。

交流源模塊提供了一系列功能和選項，用于定義和配置交流電源的特性。主

要組成部分包括：

電壓源或電流源：根據(jù)需求選擇交流電源類型，可以是單相電壓源或電流源,

也可以是三相電壓源或電流源。

波形選項：可以選擇不同的波形類型，例如正弦波、方波、鋸齒波等，并設(shè)

置頻率、幅值和相位等參數(shù)。

穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析：交流源模塊支持穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析，可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的頻率響

應(yīng)分析、相位響應(yīng)分析，以及暫態(tài)的時間域分析。

同步機(jī)構(gòu)：該模塊還可以與其他電力系統(tǒng)元件（如發(fā)電機(jī)、負(fù)荷）進(jìn)行連接，

以模擬實際電力系統(tǒng)中的交流源與其他部分的相互作用。

通過交流源模塊，用戶可以方便地創(chuàng)建交流電源模型，并與其他電力系統(tǒng)元

件進(jìn)行連接和交互。借助MATLAB提供的豐富工具和分析功能，可以進(jìn)行各種電

力系統(tǒng)的仿真和分析，例如計算功率、電流和電壓的波形、頻率響應(yīng)等。

總之，交流源模塊是MATLAB中用于建模和模擬交流電源的重要工具，可用

于電力系統(tǒng)仿真、穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)分析等應(yīng)用。

2.4同步電機(jī)三相短路模塊介紹

2.4.1三相同步電機(jī)模塊

在Simulink中建立三相同步電機(jī)模型時，你可以使用SimscapeElectrical

庫或PowerSystemToolbox庫提供的組件和模決。另外，MATLAB還提供了豐富

的工具箱和函數(shù)，用于分析和控制三相同步電機(jī)。例如，PowerSystenToolbox

庫提供了用于計算同步電機(jī)參數(shù)、定子電流和轉(zhuǎn)子電壓、電機(jī)啟動和穩(wěn)態(tài)運行等

的函數(shù)。需要注意的是，三相同步電機(jī)模型的詳細(xì)配置和參數(shù)設(shè)置可能會因具體

應(yīng)用和需求而有所不同。因此，在建立三相同步電機(jī)模型之前，建議先仔細(xì)了解

電機(jī)的特性和所需的仿真或分析目標(biāo)，以選擇合適的工具和設(shè)置模型參數(shù)。

第三章正序負(fù)序零序分析

3.1問題分析

案例一：下圖所示的簡單電路中，c相斷開，流過a、b兩相的電流均為10Ao

試以a相電流為參考向量，計算線電流對稱分量

co

圖3-1案例1題目

3.2仿真模型搭建及主要模塊參數(shù)

powergU

圖3-2simulink仿真搭建

同BlockParameters:ACCurrentSourceX

ACCurrentSource(mask)(link)

IdealsinusoidalACcurrentsource.Thepositivecurrent

directionisindicatedbythearrow.

Paraneters

Peakanplitude(A):

10

Phase(deg)：

0

A

Frequency(Hz):

50

Sampletime:

0

MeasurementsNone▼

OKCancelHelpApply

圖3-3交流電流源沒置

3.3仿真設(shè)置

Ic直接設(shè)置為0,回路中接入一個電阻構(gòu)成完整回路，阻值設(shè)置為1Q即可。

3.4仿真結(jié)果與結(jié)果分析

圖3-4Ia,Ib,Ic電流

笠Scopel-□X

?⑥紈y*口即￡目￡￡

圖3-5la的各序電流幅值與相位

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到主界面，并用plot命令畫出la,lb,Ic。

$C0pfO?U”/40*1>什5$COptQ?t?fHw

圖3-6plot命令畫出lalbIc的電流

■程新電*??a亨―貸B槿削A電力電一臺2023賓tM'lkgl.meX

4tsm^^2UntitMxjeg1-mx+

eg1_0.mX|+1-?-O.$4svt<3)*li/5h~""H

2-T-Cl1l:/2al;a*'21]:Vp-：PaPbFc：Ps-：Fa(l)Fa<20PaiO>];Fp-TXFs;

1-Ia=10*exp(li*0);3-Fc*O.

4-Fp-lFi:F>.Fc]:

2-Ib?10*exp(li*pi);5-Fs?T\Fp%i!r.-(I?*Fp

1Mz____

3-Ic=0：

4不Wl怨MAYLABWaUl美依3里燙雙X

?clear

5-Ial-(l/3)*(Ia+Ib*exp(li*2*pi/3)+0)?egl

6-Ia2=(1/3)?(Ia+Ib*exp(li*4*pi/3)+0)

7-Ia0=(l/3)*(Ia+Ib+0)6.0000-18M8i

5.0000+：.8t?8i

-0.0000?0.OOOOi

圖3-73-8將原來的程序整理成矩陣形式

第四章同步電機(jī)三相短路分析

4.1問題分析

有一臺有阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)，其參數(shù)如下表所示。若發(fā)電機(jī)空載，端電壓為

額定電壓，端子突然發(fā)生三相短路，且。0=0,試分析突然三相短路后妁定子電

流。

圖4-1三相同步發(fā)電機(jī)參數(shù)

4.2仿真模型搭建及主要模塊參數(shù)

圖4-2搭建好的仿真

4.2.1利用simulink搭建仿真

4.3仿真設(shè)置

SghtMujluhUM(>Mk)(link)Sybchxgo-lachine(?Mk)llink)

a3?2乜。fiuchrceioufBtchUMBilledinthedqrotorretecenceIipleBeritsaSTnchrcoou^?&chineModelledmthedqrMorreference

fraa?.Statorvixviinct&x?eo<inact?dmvy?toasamteftialMutralpoint.ft*M.Statorvifidincstxe?en?ctedmvyetoginte(b<lneutralp?int.

C?nfafATttl?9nLv?*lTh”Cenxicuiaxicttrat**?《?*”aovasKeaLoaaFlow

Preietwodel：Xaai&Upowx."It"*ftequeocy(Pb(WTkxCVrat)fn(Hx))

[2CDe61?0050)

19c^anicalReactnicer(XdXd*M*'XqXQ"XI1(po)

Kechm.c*lpowecP>tl.O0.30,210.60.310.16)

Rotor、力《Tl*econftmta

S?liw.-pole"dmsSbort-encult▼

■eMuie?entUM|qax”C^?n-circuit▼

QUie3"血xiiaestoidentitybujItbeH

(TdTd**Tqo**](*>[1.640.341^4)

Staterr?nrtanc?!U(pu)

10.COG

Inettiftcoeficiexit.frictionfactor,polepurs(BCs)F<pu)p<))

1-20訓(xùn)______________________________________________________________________

Initialcood&timr(d?(<)th(d?c)>a?ib.ic<pu>pM.pk^phc(4e()Vf<pu))

(0-89.07030.C2718150.02T1BI50.0271815-4.43OT0-124.431115.5691.002M1

OSsaulateraturationPlot

(ifd.vt]<pu)I,<…，，,..............

，

[OK]CancelHelp.plyJ

OCC?DM1Help

圖4-34-4仿真電機(jī)參數(shù)設(shè)置

1卬BlockParameters:Three-PhaseSeriesRLCLoadX忸BlockParameters：Tirrr-PhaGeSeriesRLCLoad

Three-PhareSeriesRLCLoad(iu&?k)(link)Three-PhabeSeriesRLCLoad(mask)(link)

Inpleventsathree-phaseserierRLCload.Iziplenentsathree-phareseriesRLCload.

ParanetorsLoadFlovParametersLoadFlow

ConfifiurationY(grounded)▼Loadtype:

constantPQ

Roiunalphase-1o-phasevoltaceVn(Vr?s)

13800

Nonanalfrequencyfn(Hz)

50

OSpecifyPQpowersforeachphase

ActivepowerP(W)

5e6

InductivereactivepoverQL(positivevar)

CapacitivereactivepoverQc(nec^txvevar)

0

HeaiureventsNone”

OKCancelHelpApply(OK]C?nc?lH?lpApply

L-----------------------"二，’「一^

圖4一54-6負(fù)載參數(shù)設(shè)置

t園BlockParameters:Three-PhaseFaukXF

EThree-PhaseFault(nask)(link)1

Implementsafault(short-circuit)betweenanyphaseandi

theground.Whentheexternalswitchingtmenodeis.

selected,aSixulinklogicalsignalisusedtocontxol

thefaultoperation.

L

Parameters

Initialstatus:0_____________________________________

-Faultbetweer:

QPhaseAQPhaseBQPhaseCQGround

Switchingtimes(s):[0.02]_lExternal-

FaultresistanceRon(Ohn):

0.001'

GroundresistanceRg(Ohn):

0.01

SnubberresistanceRs(Ohn):

Ie6

SnubbercapacitanceCs(F):

inf

MeasurementsKone▼

-

OKCancelHelpApply

圖4-7故障模塊設(shè)置

回BlockParametervThre?-Ph?5eTransformer(TwoWindings)X國B^ockParameteri:Three-PhaseTransformer(TwoWinding，)

Three-Pha?eTransfoxner(TwoVindincs)(nark)(link)Three-PbweTraaiHotMer(TvoViDdinc^)(?ask)(link)

Thisblockathree-phwetranHot*erbyusmethreeThisblockiglEient?athree-phasetranrfomerbyusincthree

sibKle-phxretraxirforxers.Setth?vindintcocAectionto*Yn*single-phtranrfoners.Setthemndxngcoxuiecticoito*Yn*

younnttotbtntutrtlpointoftheWyt.*henyouranttotheneutralpointoftheVye.

ClicktheApplyortheOKbuttonafterachangetoth<UnitsClicktbtApplyorth<OKbuttonafttrtchan“totheUnitt

pogptoconfiKRthecoowrsionofpaxsteterff.popMPtoconfirmtheconversionofparameters.

CoificuxatxonP>raMt?rsAdvancedC^nflfurttionParaietersAdvanced

Viodinc1cotmection(AKterminals):Unitspu-

DeltaQI)▼

■Nominalpoverandfieqjency(Pn(VA)?fn(Hz)]

_Vitdinc2connection(abcterminals)-(210e6.50〕

?Vitxlinc1para?eterff(VIPh-PhCVrus)?RI(pu).LI(pu>]

二C?e"(13.8e30.00270.08)

bpeThiee?mcle-pha?etianyforwera▼

Vitxlinc2parxters(V2Ph-PhCVrus)?R2(pu).L2(pu>]

OSiwjlatesaturation(230e3.0.0027,0.(8]

-Xeasurevents-N&cnetizationxesistweRM(pu>

■:500

<lk>VB▼