实验1-电力系统实验.doc

实验1 基础实验姓名：昨日恰似风中雪 学号：2015XXXXXX 学院：XXXXXX一、实验目的1、熟悉MATLAB/SIMULINK及PSB，会用他们建立电力系统仿真模型。2、熟悉并理解对称分量法3、理解掌握Park变换4、理解掌握三相同步发电机空载建立电压过程中励磁电流的变化规律二、实验设备MATLAB/SIMULINK/PSB三、实验原理1. SIMULINK模块库（1）SIMULINK简介SIMULINK提供了许多微分方程的解法。绝大多数解法是数值积分研究中的最新成果。在进行仿真之前必须合理地设置算法和精度。算法和精度选择的不适合，将使仿真结果偏离理论与实际，出现仿真图像不连续或者发散的情况，很可能令仿真难以进行，甚至被系统自动中断。如果模型全部是离散的，定步长和变步长都采用DISCRETE算法，如果含有连续状态，对于定步长和变步长供选择的算法是不同的。一般来说，使用变步长的自适应算法是较好的选择。这类算法会依照给定的精确度在各积分段内自适应地寻找各自的最大步长进行积分，从而使得效率最高。SIMULINK的变步长解法能够把积分段分得足够细以得到满足精度要求得解。（2）Model中的重要设置 进入MATLAB界面双击桌面的MATLAB图标,进入MATLAB界面,如图所示。建立一个模型在File（文件）下拉菜单中选种New（新建），在New（新建）下拉菜单中选中Model（模型），便进入Model，如图所示，其名称为untitled(未命名)。保存文件在图中，单击按钮，便弹出保存路径下的work文件，如图所示，单击保存就行了。仿真时间设置在Simulation的下拉菜单中选中Configuration Parameters,便可设置仿真时间，如图所示。开始时间设为0.0s,终止时间可根据不同情况进行设置。Solver options/Type一般选取Variable-step , Solver options/Solver一般选取ode15s(stiff/NDF)。Solver options/Relative tolerance为仿真精度。进入SIMULINK单击按钮，便进入SIMULINK模块库，如图所示。SIMULINK中有很多后续实验所要用到的模块，如示波器、终端、输出端等。2. PSB模块（1）PSB简介Power System Block（以下简称PSB）在SIMULINK环境下使用，它为电气工作者提供了一个现代化的设计工具，不但电路模型能够快速建立起来，而且与之相联系的机械、热力、控制系统及其他设备的分析均包含在其中。PSB库提供了电力系统仿真通用的元件和装置，包括RLC支路和负载、变压器、传输线、避雷器、电机、电力电子装置等。只需通过点击和拖放PSB库内的模型即可建立用户所需要的电力系统仿真原理图，并利用模型元件的对话框来设置相关参数。使用SIMULINK提供的示波器模型,可显示观测点处的仿真结果及其波形。电力系统模块库以SIMULINK为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。它由以下7个子模块库组成：（1）电源模块库:包含直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等。（2)线路元件模块库:包含4种线路元件，分别是支路元件、输配电线路元件、断路器元件和变压器元件。（3)电力电子模块库:包含二极管、晶闸管、GTO，MOSFET，IGBT和理想开关等。为满足不同仿真目的的要求并提高仿真速度，还有晶闸管简化模型。（4)电机模块库:包括励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等。（5)连接模块库:包括在不同条件下用于互相联接的元件。（6)电路测量模块库:包含各种电流测量元件和电压测量元件。（7)附加元件模块库:包含了三相模块、特殊的测量设备以及控制模块。在这些基本模块库的基础上，根据需要，可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到所需模块库中去。在建成模型结构后，就可以启动系统仿真功能来分析系统的动态特性。启动仿真后，SIMULINK通过鼠标操作就可以实现在线修改参数、改变仿真算法、暂停、继续或停止仿真，不需其它复杂的操作。（2）进入PSB单击按钮，便可找到PSB模块，如图所示。在PSB模块中，后续实验主要用到以下模块：）电源模块在电源模块中，主要用到三相电源模块。）元件模块在元件模块中用到三相线路模块，三相断路器模块，三相故障模块，三相负荷模块，双绕组变压器模块。）机械模块在机械模块中主要用到同步发电机模块）测量模块在测量模块中主要用到电流测量模块，电压测量模块，三相电压电流测量模块。四、实验内容本次实验共包含4个小实验，具体如下：1、仿真参数的设置问题：对系统进行仿真，其中，u(t)为系统输入，y(t)为系统输出。当u(t)=sint时，求系统在0100s的输出波形。系统仿真结束后发现输出曲线很不平滑，而对系统进行分析可知，系统输出应该为光滑曲线。问题出在哪里呢？这是由于没有设置合适的仿真步长而使用默认仿真步长所造成的。此系统的仿真开始时间是0s，结束时间为100s，本例默认仿真步长为2，这是造成系统仿真输出曲线不光滑的原因所在。因此可对仿真步长进行适当设置后重新仿真。在仿真参数设置对话框的Solver选项卡中把Max Step Size设置为0.1（即强制仿真步长不超过0.1)，重新启动仿真，示波器模块中将获得光滑曲线。2、对称分量法三相短路属对称短路，短路电流交流分量是对称的。在对称三相电路中，三相阻抗相同，三相电压、电流有效值相等。因此对称三相系统三相短路的分析与计算，可只分析和计算其中一相。单相接地短路、两相短路、两相接地短路以及单相断线、两相断线属不对称故障故障。不对称故障时，三相阻抗不同，三相电压、电流的有效值不等，相与相之间相位差也不相等。因此不对称故障的分析与计算，就不能只分析其中一相。通常采用对称分量法。对称分量法是指任意不对称的三相相量均可以分解为三组相序不同的对称分量：正序、负序和零序分量。它们之间的数学关系如下：已知正序、负序和零序分量时，可以用下式合成三相相量。MATLAB软件中的电力 系统元件库中提供了3-Phase Sequence Analyzer（三相序分量分析）元件。问题：某三相电源，分析其A相接地后正序、负序和零序分量的变化情况。仿真得到A相单相接地时的三相电压和电流曲线，如图所示。 在单相接地没有发生前，A、B、C三相电压、电流均对称运行。在0.03s时，发生A相接地短路，此时三相电压、电流发生变化，A相电压幅值迅速下降，其值大于零但小于相电压，B相C相电压迅速上升，其值大于相电压但小于线电压；A相电流幅值迅速上升，B相C相电流也相对发生变化，但幅值小于A相电流的幅值。在006s时，故障解除，三相电压、电流又逐渐恢复为三相对称运行的状态。在Multimeter(万用表)元件中选择故障点A、B、C电压。得到故障相A相电压的正序、负序、零序分量的幅值和相位，如图所示。在Multimeter(万用表)元件中选择故障点A、B、C电流。得到故障相A相电流的正序、负序、零序分量的幅值和相位，如图所示。3、Park变换同步电机是电力系统中的重要元件，它实质上是由定子和转子两个部件组成。在研究同步机的数学模型时，假设定子三相绕组的结构完全相同，空间位置彼此相差120，转子铁芯及绕组对极中心轴和极间轴完全对称。一般情况，在推导同步机的数学模型时应用的是用abc坐标系统表示的电压和磁链方程。abc三轴就是定子三相绕组的中心轴线。定子三相绕组中的电流分别表示如下。利用该坐标系统建立同步机的电压和磁链方程时非常容易理解，但是所建立的方程为变系数的微分方程，它们的求解非常的困难。为了克服这个困难，最简单有效的方法时将定子abc三相绕组的磁链和电压方程用一组新的变量替换，这样使方程更易于求解。变量变换又称作坐标变换，最常用的坐标变换，即Park变换。Park变换是将abc坐标系统下的ia、ib、ic表示成dq0坐标系统下的id、iq、i0。d轴为转子中心线，称作纵轴或直轴；q轴为转子极间轴，称作横轴或交轴，按转子旋转方向，q轴比d轴超前90；0坐标轴是抽象的。这样变换后电流的表示方式如下。(1)abc坐标系统变换为dq0坐标系统的变换公式如下。在MATLAB中，使用abc_to_dq0 Transformation(abc坐标系统转换为dq0坐标系统)元件可以实现这种变换。abc_to_dq0 Transformation在SimPowerSystems(电力系统元件库)中的Extras(附加元件)下的Measurements(测量元件)中。(2)dq0坐标系统变换为abc坐标系统的变换公式如下。在MATLAB中，使用dq0_to_abc Transformation(dq0坐标系统转换为abc坐标系统)软件可以实现这种变换。该元件也在SimPowerSystems (电力系统元件库)中的Extras(附加元件)下的Measurements(测量元件)中。问题：坐标变换。请将三相交流电源的三相电压用park变换从abc坐标系转换为dq0坐标系，输出其对应的dq0坐标系统下00.1s的电压波形。仿真模型，如图所示。4、三相同步发电机空载建立电压过程中励磁电流的变化规律在dq0坐标系下，发电机的数学模型如下：式中：d、qdq0坐标系轴坐标；R、s定转子轴坐标；L、m自感和互感；f、k励磁绕组和阻尼绕组；注意：上述数学模型是在假设发电机含有阻尼绕组的基础上写出来的；当发电机没有阻尼绕组时，在上述数学模型的基础上去掉相应的电压方程和磁链方程即可。问题：请对三相同步发电机空载建立电压的过程进行仿真，分析空载建立电压过程中励磁电流的变化规律。发电机的基本参数如下：，。(1)有阻尼绕组仿真程序微分方程的M函数程序如下：% 编写同步发电机有阻尼绕组空载建立电压过程微分方程的M函数% 将该M函数定义为sy_ge_damp_noload_odefunction dydt=sy_ge_damp_noload_ode(t,y)% 下面输入电机基本数据：r=2.9069;Rfd=5.9013E-01;Rkd=11.900;Rkq=20.081;Ufd=24;w=377;Ll=3.0892E-01;Lmd=3.2164;Lmq=9.7153E-01;Llfd=3.0712E-01;Llkd=4.9076E-01;Llkq=1.0365;Ld=Lmd+Ll;Lq=Lmq+Ll;Mafd0=Lmd;Makd0=Lmd;Makq0=Lmq;Lfd=Llfd+Lmd;Lkd=Llkd+Lmd;Lkq=Llkq+Lmq;Mfkd=Lmd;% 下面输入电感系数矩阵：L= Ld, 0, Lmd, Lmd, 0; 0, Lq, 0, 0, Lmq; Lmd, 0, Lfd, Lmd, 0; Lmd, 0, Lmd, Lkd, 0; 0, Lmq, 0, 0, Lkq;G= 0, -Lq, 0, 0, -3/2*Makq0; Ld, 0, Mafd0, Makd0, 0; 0, 0, 0, 0, 0; 0, 0, 0, 0, 0; 0, 0, 0, 0, 0;% 下面输入电阻矩阵：R= r, 0, 0, 0, 0; 0, r, 0, 0, 0; 0, 0, Rfd, 0, 0; 0, 0, 0, Rkd, 0; 0, 0, 0, 0, Rkq;% 下面输入电压向量：Udq0=0,0,Ufd,0,0;% 下面列写微分方程：dydt=L(Udq0-w*G*y-R*y);编写求解空载建立电压微分方程的函数程序如下：% 编写求解空载建立电压微分方程的函数(sy_ge_damp_noload_sol)function sy_ge_damp_noload_sol %设定时间和初始值tspan = 0 10;y0 = 0;0;0;0;0;% 方程求解t,y=ode113(sy_ge_damp_noload_ode,tspan,y0);%空载建立电压过程中励磁电流的变化规律;ifd=y(:,3);plot(t,ifd)xlabel(Times)ylabel(IfdA)(2)无阻尼绕组仿真程序同理可编写无阻尼绕组仿真程序微分方程的M函数程序如下：% 编写同步发电机无阻尼绕组空载建立电压过程微分方程的M函数% 将该M函数定义为sy_ge_nodamp_noload_odefunction dydt=sy_ge_nodamp_noload_ode(t,y)% 下面输入电机基本数据：r=2.9069;Rfd=5;9013E-01;Rkd=11.900;Rkq=20.081;Ufd=24;w=377;Ll=3.0892E-01;Lmd=3.2164;Lmq=9.7153E-01;Llfd=3.0712E-01;Llkd=4.9076E-01;Llkq=1.0365;Ld=Lmd+Ll;Lq=Lmq+Ll;Mafd0=Lmd;Makd0=Lmd;Makq0=Lmq;Lfd=Llfd+Lmd;Lkd=Llkd+Lmd;Lkq=Llkq+Lmq;Mfkd=Lmd;% 下面输入电感系数矩阵：L= Ld, 0, Lmd, ; 0, Lq, 0, ; Lmd, 0, Lfd ;G= 0, -Lq, 0, ; Ld, 0, Mafd0, ; 0, 0, 0, ;% 下面输入电阻矩阵：R= r, 0, 0, ; 0, r, 0, ; 0, 0, Rfd, ;% 下面输入电压向量：Uabc=0,0,Ufd;% 下面列写微分方程：dydt=L(Uabc-w*G*y-R*y);编写求解空载建立电压微分方程的函数程序如下：% 编写求解空载建立电压微分方程的函数(sy_ge_nodamp_noload_sol)function sy_ge_nodamp_noload_sol %设定时间和初始值tspan = 0 10;y0 = 0;0;0;% 方程求解t,y=ode113(sy_ge_nodamp_noload_ode,tspan,y0);%空载建立电压过程中励磁电流的变化规律;ifd=y(:,3);plot(t,ifd)xlabel(Times)ylabel(IfdA)五、实验总结1、已知系统方程为，系统输入信号源u(