基于simunlink的热电厂仿真系统研究毕业设计.doc

基于simunlink的热电厂仿真系统研究毕业设计目录摘 要1Abstract2第一章仿真模型的介绍61.1简化的同步发电机模型61.2变压器81.3三相断路器与输电线路91.3.1 三相断路器91.3.2输电线路91.3.3 负载与故障模型101.3.4 Powergui模块101.3.5 三相电压电流测量模块与示波器模块101.3.6三相集成串联阻抗模块101.3.7三相滤波模块12第二章 建模仿真132.1发电厂电气主接线图132.2仿真系统图132.3各模块参数设置132.3.1同步发电机模块参数设置132.3.2低压短距离输电模拟模块参数设置132.3.3谐波过滤模块参数设置162.3.4变压器模块参数设置172.3.5输电线路模块参数设置19. .负载模块参数设置192.4 GUI控制界面的设置及M文件的编写192.4.1 GUI控制界面202.4.2 M文件212.5保护模块332.5.2发电机的保护352.5.3其他保护362.5.4整定值计算37第三章 模拟393.1进入界面393.2 仿真波形413.2.1正常系统运行波形413.2.2 三相接地短路波形413.2.3两相接地短路波形423.2.4单相短路故障42第四章 总结44致 谢45【参考文献】46附录471 其余M文件471.1 三相接地短路故障模式控制M文件471.2两相接地短路故障模式控制M文件511.3单相接地短路故障控制M文件552英文文献翻译60第一章 仿真模型的介绍MATLAB是由美国的Mathworks公司开发的发型软件，是以矩阵运算为基础，把计算，程序设计，可视化等融合在一起一个交互的工作环境中。在此环境可实现工程计算，算法研究，建模仿真，应用程序开发等。MATLAB在电力系统建模和仿真应的应用主要由电力系统模块Power System Blocket来完成的。Power System Blocket是由TEQSIM公司和加拿大魁北克水电站开发的。PSB是在SIMULINK环境下使用的模块，采用变步长积分法，对刚性，非线性，非连续性系统进行精确仿真。并可以精确的检测出断点和开关发生时刻，PSB程序库中含有代表电力网络中的一般部件和设备的SIMULINK程序模块。通过PSB可以迅速建立模型，并立即进行仿真。PSB程序模块库中的测量程序和控制源起到电信号和SIMULINK程序之间的连接作用。Simpowersystems中包括了电路仿真所需要的各种原件模型。如图1包括电源模块，基础电路模块，电力电子模块，电机模块，连接器模块，检测模块以及附加功能模块等七中模块库。每个模块库中包含了各种基础元件模型。例如电源模块库中有直流电压，直流电流源，交流电压源，交流电流源，受控电流源，受控电压源等五中电源模型。电力电子模块库中包含了理想开关元件，晶闸管，功率场效应管，可关断晶闸管等多种功率开关原件模型。电机模块库中包含了各种电机模型，例如异步电机，同步电机，永磁同步电机等。只需要把模块库中的元件拖到仿真平台上，通过参数设置对话框就可以实现参数的设置，然后就可以进行电路与电力系统仿真了。如图1-1。1.1简化的同步发电机模型在MATLAB中，发电机模型位于SimPowerSystems工具箱下machines库中，共有简化同步发电机模型和详细的同步发电机模型两大类。本次模拟采用简化的同步发电机模型，如图1-2。图1-1 Simpowersystems图1-2 同步发电机模型在简化的同步发电机模型中，电机电气部分采用忽略电枢反应电感，励磁绕组，和阻尼绕组漏感，仅由理想电压源串联RL线路组成的电路模拟，其中R值和L值分别为电机的内阻抗。这是一个只计及转子动态的二阶模型，同时忽略凸极效应。简化同步发电机模块的段子功能如下：Pm:此段子为发电机轴的机械功率。Pm的值是大于零的，它可以是常数也可以是原动机的输出。E：此端子为发电机内部电压源的电压，可以是常数，也可以直接与电压调节器的输出端相连接。A，B，C:发电机定子输出电压的电气连接端子。m:此端子包含12个信号的矢量。在仿真库中，可以用电机测量信号分离器对12个信号进行分离。 1.2变压器在SimPowerSystem工具箱下的Elements库中，提供的三相双绕组和三相三绕组变压器模块。由于三相三绕组变压器的参数设置与三相双绕组变压器的参数设置类似，所以在此以三相双绕组变压器的参数设置为例，并且此次模拟采用的变压器也为三相双绕组变压器模块，如图1-3。图1-3 变压器模型变压器模块的端子ABC，abc分别为变压器3个绕组的端子。变压器绕组的连接方式如下：Y形联结：3个电气连接端口（A，B，C或a,b,c）。Yn形联结：4个电气连接端口（A，B，C，N或a,b,c,n）, 绕组中线可见。Yg形联结：3个电气连接端口（A，B，C或a，b,c）， 模块内部绕组接地。D1形联结：3个电气连接端口（A，B，C或a,b,c）, 绕组滞后Y绕组30。D11形联结：3个电气连接端口（A，B，C或a,b,c）, 绕组超前Y绕组30。1.3三相断路器与输电线路1.3.1 三相断路器在SimPowerSystems工具箱中的Elements库中，如图1-4所示。 图1-4 三相断路器模型 1.3.2输电线路在SimPowerSystems库中，提供了输电线路模型有“”形等值模块和分布参数模块。1.3.2.1 输电线路模块输电线路的“”形等值模块包括单相“”形等值电路模块（Single-phase Line）和三相“”形等值电路模块（Three-phase Line）。如图1-5所示。1.3.2.2 分布参数模块改变分布参数的相数，可以动态的改变模块的图标。如图1-6所示为单相，三相和多相分布参数线路的图标。 图1-5 输电线路模块 图1-6 分布参数模块 与“”形等值电路模块相比，分布参数线路可以较好的描述波的传输过程。1.3.3 负载与故障模型如图1-7所示为三相静态负荷，三相动态负荷和三相接地故障模块。1.3.4 Powergui模块Powergui模块是Simulink为电力系统仿真提供的图形用户分析界面。Powergui利用Simulink功能连接不同的电气原件，是分析电力系统模型有效的图形化用户接口工具。如图1-8所示为Powergui模块图标和主窗口。1.3.5 三相电压电流测量模块与示波器模块三相电压电流测量模块（Three-Phase V-I Measurement）位于SimPowerSystems库的Measurements模块中。示波器位于Simulink基础库的Sinks库中。如图1-9所示。1.3.6三相集成串联阻抗模块图1-7 负荷和故障模块图1-8 Powergui模块图标和主窗口在simulink中没有单个的电阻、电感和电容元件，可以从串联或并联的分支来定义单独的电路元件，具体做法是：打开电力系统模块集（simpowersystems）元件模块（elements）中的series RLC Branch图标，之后其属性对话框中设置：电阻数值 电感数值 电容数值。模块式样如图1-10。图1-9 测量模块和示波器模块图1-10复合阻抗模块1.3.7三相滤波模块进行三相供电系统中的谐波过滤。模块式样如图1-11。图1-11 三相滤波模块第二章 建模仿真2.1发电厂电气主接线图发电厂电气主接线如图2-1。这次模拟的发电厂系统原理图由安能热电厂的系统原理图为蓝本。有三台15兆瓦发电机并网发电，发出的电压等级为10.5KV。分别为110KV，35KV，和10.5KV用电系统供电。2.2仿真系统图仿真系统图如图2-2。系统为三台发电机并网发电，由一台25兆瓦，两台15兆瓦的发电机构成。竟有110千伏升压变电所升压后，长距离输送给给个电压等级的用户，分别为10.5千伏，35千伏，和110千伏。2.3各模块参数设置2.3.1同步发电机模块参数设置如图2-3。输入机械功率为15兆瓦，输出电压为10.5KV，频率为50HZ。2.3.1.2输入模块输入参数如图2-4。2.3.2低压短距离输电模拟模块参数设置设为纯电阻模型如图2-5。图2-1 发电厂电气主接线图2-2 仿真系统图 图2-3 同步发电机参数模块设置2.3.3谐波过滤模块参数设置如图2-6。 图2-4 输入参数模块2.3.4变压器模块参数设置2.3.4.1 110KV变压器参数模块设置一次侧电压为10.5KV，二次侧考虑的输电线路损耗，设为121KV，频率50HZ。一次侧绕组接线形式为三角形，二次侧接线形式为星型接法。变压器容量为留有裕量设为20兆瓦，如图2-7。图2-5 低压短距离输电模拟模块参数图2-6 谐波过滤模块参数. .KV变压器模块参数设置KV变压器模块一次，二次绕组接线形式与KV变压器模块参数设置相同。同样因为考虑线路损耗，容量设为兆瓦。一次侧电压.KV，二次侧考虑损耗电压设置为.KV，如图2-8。图2-7 110KV变压器参数模块设置2.3.5输电线路模块参数设置线路模拟长度为100公里，频率50HZ，如图2-9。. .负载模块参数设置如图2-10。2.4 GUI控制界面的设置及M文件的编写图2-8 35KV变压器模块参数设置2.4.1 GUI控制界面图形用户界面（Graphical User Interface，简称 GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。所以在MATLAB仿真主系统搭建完毕后就可以设置一个易于演示的GUI界面。在Matlab命令行运行guide命令打开图形用户启动界面GUIDE Quick Start对话框，选择Blank GUI(Default)，单击“OK”按钮，新建一个图形用户界面设计界面，如图2-11。2.4.2 M文件使用matlab的时候，可以在“Command Window”内直接书写matlab代码，也可以将代码保存到M文件中，然后运行该文件。使用matlab主界面菜单“File” -“New”-“M-File”可以打开一个文本编辑器编辑M文件。M文件及matlab的代码文件，在M文件编辑器的菜单中，选取“Debug”-“Run”即可运行。在路径设置正确的情况下，在“Command Window”中直接输入M文件的名称可以运行M文件中的代码。 图2-9 输电线路模块参数设置 图2-10 负载参数模块设置图2-11 GUI进入界面2.4.2.1主界面控制M文件 function varargout = lixiangzhu(varargin)% LIXIANGZHU M-file for lixiangzhu.fig% LIXIANGZHU, by itself, creates a new LIXIANGZHU or raises the existing% singleton*.% H = LIXIANGZHU returns the handle to a new LIXIANGZHU or the handle to% the existing singleton*.% LIXIANGZHU(CALLBACK,hObject,eventData,handles,.) calls the local% function named CALLBACK in LIXIANGZHU.M with the given input arguments.% LIXIANGZHU(Property,Value,.) creates a new LIXIANGZHU or raises the% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are% applied to the GUI before lixiangzhu_OpeningFunction gets called. An% unrecognized property name or invalid value makes property application% stop. All inputs are passed to lixiangzhu_OpeningFcn via varargin.% *See GUI Options on GUIDEs Tools menu. Choose GUI allows only one% instance to run (singleton).% See also: GUIDE, GUIDATA, GU HANDLES% Copyright 2002-2003 The MathWorks, Inc.% Edit the above text to modify the response to help lixiangzhu% Last Modified by GUIDE v2.5 04-Jun-2014 10:16:39% Begin initialization code - DO NOT EDITgui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, lixiangzhu_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, lixiangzhu_OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);endif nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);end% End initialization code - DO NOT EDIT% - Executes just before lixiangzhu is made visible.function lixiangzhu_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)% This function has no output args, see OutputFcn.% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% varargin command line arguments to lixiangzhu (see VARARGIN)beijing=axes(units,normalized,position,0 0 1 1);uistack(beijing,down)II=imread(2.png);image(II)colormap grayset(beijing,handlevisibility,off,visible,off);% Choose default command line output for lixiangzhuhandles.output = hObject;% Update handles structureguidata(hObject, handles);% UIWAIT makes lixiangzhu wait for user response (see UIRESUME)% uiwait(handles.figure1);% - Outputs from this function are returned to the command line.function varargout = lixiangzhu_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% Get default command line output from handles structurevarargout1 = handles.output;% - Executes on button press in pushbutton1.function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to pushbutton1 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) Value=get(handles.popupmenu2,value) switch get(handles.popupmenu1,value) case 2 %正常运行 fangzheng1 case 3 %短路故障状态 switch Value case 2 %母线三相短路 fangzheng2 case 3 %两相短路 fangzheng3 case 4 %单相短路 fangzheng4 end case 4 %短路故障恢复状态 switch Value case 2 %三相短路恢复 fangzheng5 case 3 %两相短路恢复 fangzheng6 %单相短路恢复 case 4 %单相短路恢复 fangzheng7 end end % - Executes on button press in pushbutton2.function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to pushbutton2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)close;% - Executes on selection change in popupmenu1.function popupmenu1_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to popupmenu1 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% Hints: contents = get(hObject,String) returns popupmenu1 contents as cell array% contentsget(hObject,Value) returns selected item from popupmenu1% - Executes during object creation, after setting all properties.function popupmenu1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to popupmenu1 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called% Hint: popupmenu controls usually have a white background on Windows.% See ISPC and COMPUTER.if ispc set(hObject,BackgroundColor,white);else set(hObject,BackgroundColor,get(0,defaultUicontrolBackgroundColor);end% - Executes on selection change in popupmenu2.function popupmenu2_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to popupmenu2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% Hints: contents = get(hObject,String) returns popupmenu2 contents as cell array% contentsget(hObject,Value) returns selected item from popupmenu2% - Executes during object creation, after setting all properties.function popupmenu2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to popupmenu2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called% Hint: popupmenu controls usually have a white background on Windows.% See ISPC and COMPUTER.if ispc set(hObject,BackgroundColor,white);else set(hObject,BackgroundColor,get(0,defaultUicontrolBackgroundColor);End2.4.2.2无故障系统运行M文件 function varargout = fangzheng1(varargin)% FANGZHENG1 M-file for fangzheng1.fig% FANGZHENG1, by itself, creates a new FANGZHENG1 or raises the existing% singleton*.% H = FANGZHENG1 returns the handle to a new FANGZHENG1 or the handle to% the existing singleton*.% FANGZHENG1(CALLBACK,hObject,eventData,handles,.) calls the local% function named CALLBACK in FANGZHENG1.M with the given input arguments.% FANGZHENG1(Property,Value,.) creates a new FANGZHENG1 or raises the% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are% applied to the GUI before fangzheng1_OpeningFunction gets called. An% unrecognized property name or invalid value makes property application% stop. All inputs are passed to fangzheng1_OpeningFcn via varargin.% *See GUI Options on GUIDEs Tools menu. Choose GUI allows only one% instance to run (singleton).% See also: GUIDE, GUIDATA, GU HANDLES% Copyright 2002-2003 The MathWorks, Inc.% Edit the above text to modify the response to help fangzheng1% Last Modified by GUIDE v2.5 19-May-2014 11:46:02% Begin initialization code - DO NOT EDITgui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, fangzheng1_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, fangzheng1_OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);endif nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);end% End initialization code - DO NOT EDIT% - Executes just before fangzheng1 is made visible.function fangzheng1_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)% This function has no output args, see OutputFcn.% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% varargin command line arguments to fangzheng1 (see VARARGIN)% Choose default command line output for fangzheng1handles.output = hObject;% Update handles structureguidata(hObject, handles);% UIWAIT makes fangzheng1 wait for user response (see UIRESUME)% uiwait(handles.figure1);% - Outputs from this function are returned to the command line.function varargout = fangzheng1_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% Get default command line output from handles structurevarargout1 = handles.output;% - Executes on button press in pushbutton1.function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to pushbutton1 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)axes(handles.axes1);sim(zd);plot(x.time,x.signals.values(:,1),y-);hold on;plot(x.time,x.signals.values(:,2),g-);hold on;plot(x.time,x.signals.values(:,3),r-);hold off;axis(0 0.2 -15000 15000);xlabel(时间)ylabel(三相电压波形)Title(正常运行)grid onaxes(handles.axes2);plot(y.time,y.signals.values(:,1),y-);hold on;plot(y.time,y.signals.values(:,2),g-);hold on;plot(y.time,y.signals.values(:,3),r-);hold off;axis(0 0.2 -1500 1500);xlabel(时间)ylabel(三相电流波形)grid on % - Executes on button press in pushbutton2.function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to pushbutton2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)close;（其余M文件见附录）2.5保护模块将断路器的com口打开后，即选中External control of switching times ,即会出现，如图2-12。图2-12断路器的com口打开后状态然后既可以施加保护控制模块，如图2-13。 图2-13 控制保护模块将以上两个保护模块封装子系统和之前打开com口的断路器加以连接，就会形成下面的结构，如图2-14。图2-14 保护模块与断路器的连接为了使整个系统更加简洁，将这个系统进行封装，就会变成如下子系统模块如图2-15。图2-15 封装后的保护模块这样整个系统的保护就可以完成了，这个模块可以根据之前理论计算得来的保护电流整定值来进行系统的保护，当通过的电流超过这个整定值时，经过预先设置的延时后就可触发保护打开断路器，断开电路。2.5.2发电机的保护发电机共有11中保护：(1)纵联差动保护:为定子绕组及其引出线的相间短路保护。 (2)横联差动保护:为定子绕组一相匝间短路保护。只有当一相定子绕组有两个及以上并联分支而构成两个或三个中性点引出端时,才装设该种保护。 (3)单相接地保护:为发电机定子绕组的单相接地保护。(4)励磁回路接地保护:为励磁回路的接地故障保护。 (5)低励、失磁保护:为防止大型发电机低励(励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流)或失去励磁(励磁电流为零)后,从系统中吸收大量无功功率而对系统产生不利影响,100MW及以上容量的发电机都装设这种保护。 (6)过负荷保护:发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护。中小型发电机只装设定子过负荷保护;大型发电机应分别装设定子过负荷和励磁绕组过负荷保护。 (7)定子绕组过电流保护:当发电机纵差保护范围外发生短路,而短路元件的保护或断路器拒绝动作,这种保护作为外部短路的后备,也兼作纵差保护的后备保护。(8)定子绕组过电压保护:用于防止突然甩去全部负荷后引起定子绕组过电压,水轮发电机和大型汽轮发电机都装设过电压保护,中小型汽轮发电机通常不装设过电压保护。 (9)负序电流保护:电力系统发生不对称短路或者三相负荷不对称(如电气机车、电弧炉等单相负荷的比重太大)时,会使转子端部、护环内表面等电流密度很大的部位过热,造成转子的局部灼伤,因此应装设负序电流保护。 (10)失步保护:反应大型发电机与系统振荡过程的失步保护。 (11)逆功率保护:当汽轮机主汽门误关闭,或机炉保护动作关闭主汽门而发电机出口断路器未跳闸时,从电力系统吸收有功功率而造成汽轮机事故,故大型机组要装设用逆功率继电器构成的逆功率保护,用于保护汽轮机。在这11种保护中有几种无法在中实现，有得与此次实验的目的无关。所以此次模拟只演示过电流保护，结构如下图，在发电机出并联一三相接地短路模块，如图2-16。2.5.3其他保护 在变压器和负载之前分别设置一个短路故障点，用以验证变压器保护以及负载保护。如图2-17，2-18所示。图2-16 发动机过电流保护图2-17 负载保护图2-18 变压器保护2.5.4整定值计算速断电流整定公式：过电流保护装置动作电流整定计算公式：经上述公式计算可得： 1.发电机保护（单台）电流速短保护整定值：4500A 动作时限：0S过电流保护整定值：3200A 动作时限：0.3S2.变压器保护 采用差动保护，整定值：1.32A 第三章 模拟对比系统短时运行即停止与长时间运行可发现，系统初始时会出现短暂紊乱，一段时间后便会稳定运行。模拟开始之前需要进行初始化设置，使用Steady-State Voltages and Currents功能进行初始化。 初始化界面如图3-1所示。图3-1 Powergui初始化界面3.1进入界面 点击GUI启动按钮，进入GUI选择界面。选择主控程序启动。出现画面如图3-2。 图3-2 GUI进去界面 然后点击绿色启动按钮就会出现真正的控制界面如图-3。图3-3 控制界面选择相应的运行方式就会然后再点击仿真按钮，等待一段时间就会出现相应的波形。3.2 仿真波形3.2.1正常系统运行波形正常运行系统波形如图3-4。图3-4 正常系统运行波形3.2.2 三相接地短路波形三相接地短路仿真波形图如图3-5。系统的0.1秒发生三相接地短路，电压为0，电流出现紊乱，保护模块在0.2秒启动切除短路点所在支路，所以电压电流同时为0。图3-5 三相接地短路波形图3.2.3两相接地短路波形系统在0到0.1S正常运行，通过波形可以看出。在0.1S发生两相接地短路故障，发生故障的两相电路电压为零，电流出现紊乱。延时0.1秒之后，保护装置动作，切除供电，电压电流都变为0。如图3-6。3.2.4单相短路故障系统在0到0.1S正常运行，通过波形可以看出。在0.1S发生单相接地短路故障，发生故障的一相电路电压为零，电流出现紊乱。延时0.1秒之后，保护装置动作，切除供电，电压电流都变为0。如图3-7。图3-6 两相接地短路波形图3-7 单相接地短路波形第四章 总结经过近半年的努力，在发现问题与解决问题中不断循环，逐渐前进。在老师的指导下一步步完成自己的目标。这次毕业设计对于自己