基于MATLAB的电力系统仿真讲解

1、基于MATLAB的电力系统仿真基于MATLAB的电力系统仿真摘 要：目前，随着科学技术的发展和电能需求量的日益增长，电力系统规模越来越庞大，超 高压远距离输电、大容量发电机组、各种新型控制装置得到了广泛的应用，这对于合理利用能源， 充分挖掘现有的输电潜力和保护环境都有重要意义。另一方面，随着国民经济的高速发展，以城市 为中心的区域性用电增长越来越快，大电网负荷中心的用电容量越来越大，长距离重负荷输电的情 况日益普遍，电力系统在人民的生活和工作中担任重要角色，电力系统的稳定运行直接影响的人们 的日常生活。随着电力系统的飞速发展和电网的日益扩大以及自动化程度的不断提高，电力系统中 许多计算和控制问

2、题日益复杂，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，因此迫切要求 运用电力仿真来解决这些问题。电力系统仿真是将电力系统的模型化、数学化来模拟实际的电力系 统的运行，可以帮助人们通过计算机手段分析实际电力系统的各种运行情况，从而有效了解电力系统概况。本文根据电力系统的特点，利用 MATLAB的动态仿真软件 Simulink搭建了含发电机、变压器、 输电线路、无穷大电源等的系统的仿真模型，得到了在该系统主供电线路电源端发生三相短路接地 故障并由故障器自动跳闸隔离故障的仿真结果，并分析了这一暂态过程。通过仿真结果说明 MATIAB电力系统工具箱是分析电力系统的有效工具。关键词：电力系统；三相短

3、路；故障分析；matlab仿真Electric Power System Simulation Base on MATLABAbstract： Now, with the development of science and techmology and the growing demand for eletrical energy, power systems get increasingly large and long-distance EHV power transmission, large capacity electric generating set, as well as t

4、he various new control devices have been widely used. This has important significance to rationally utilizing energy resources, making full use of the existing electric systems delivery potential and protecting the environment. On the other hand, with the fast growth of the national economy, city-ce

5、ntered regional power consumption is rising more and more rapidly, power demand in large electric system laod centers is growing faster and faster, and long-distance and heavy-duty power transmission is more and more popular. Power system play an important part in people s lives and work, power syst

6、em and stable operation of a direct impact on the people s daily life, with the rapid development of power systems and power grids is increasing with days and the degree of automation continuous improvement, many computing and control of the power system increasingly complex issues, it is impossiobl

7、e to take a directThis paper base on the characteristics of the power system, using the software MATAB simulink built with generators,transformers,powerline,such as the infinite power system simulation model, and has a simulation result of three-phase short-circuit fault which happen in the main pow

8、er-supply line and the fault automatic tripping isolation by the three-phase fault, and analysis of this transient. The simulation results show MATLAB power system toolbox of the power system is an effective tool.Key words: Power system ； Three-phase short-circuit ; Fault analysis ; MATLAB simulatio

9、n11第一章 绪论1.1 我国电力系统情况简介电力系统是由发电厂、电力网和电力负荷组成的电能生产、传输和转化的系统。而 电力负荷则是该系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率的总称，有时也包括将这些用电设备连接起来的配电网。目前，我国正处于经济快速发展的时期，电力系统也 步入了大电网、超高压、大机组、远距离的时代，但由于目前的经济发展速度远远超出 了国家的预期，导致近些年来出现全国范围内电力建设落后于国民经济发展水平的局 面，电力系统运行在接近电网极限输送能力状态的几率大大增加，从而较大程度上存在 着发生电压崩溃事故的威胁。我国电力系统是随着我国电力工业的发展而逐步形成的。国民经济的迅速发展

10、，我 国的电力工业得到相应的增长，逐步形成以大型发电厂和中心城市为核心、以不同电压 等级的输电线路为骨架的各大区、省级和地区的电力系统。目前，全国电网已经基本上 形成了 500 kV和330 kV的骨干网架。大电网已覆盖全部城市和大部分农村；以三峡 为中心的全国联网工程开始启动，我国电网进入了远距离、超高压、跨大地区输电的新 阶段。1987年全国发电装机容量跃上了 1亿kW的台阶；从1978年起到1999年， 我国装机容量平均每年增加近 10GW, 1997年年底全国装机容量达到了 254GW的水 平，年发电量也超过了 1100TWh,成功地实现了持续高速增长。自1981年中国的第一 条500

11、kV输电线路投入运行以来，500kV的线路已逐步成为各大电力系统的骨架和跨 省跨地区的联络线。1.2 本课题研究的前景和意义随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大，在这种情况下，许多大型的电力 科研实验很难进行，一是条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实 验的；三是最初的一个新的设计构思、到通过软件进行实际情况的模拟、在应用到具体 的工程中，其工作量往往消耗大量的财力物力和人力，其过程中稍有失误都有可能前功 尽弃。考虑到以上情况，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分 重要，目前比较流行的电力系统仿真工具由以下几种：(1)邦纳维尔电力局开发的BPA 程序和E

12、MTP程序；(2)曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的PSCAD/EMTDC程序；(3)德国西门子公司研制的电力系统仿真软件 NETOMAC; (4)中国电力科学研究院 开发的电力系统分析综合程序 PSASP; (5) MathWorks公司开发的科学与工程计算软件 MTATLAB。本文主要采用 MTALTB进行电力系统的仿真，MATLAB是有效的电力系 统仿真工具，它提供了简洁的工具，通过电力系统电路图的绘制，MATLAB自动生成数学模型，可以节省建立电力系统数学模型的建立。1.3 本文的目的及主要内容1.3.1 主要目的目前电力系统实验技术尚未完善，通过运用MATLAB对电力系统进行仿真分析

13、,分析结果证明仿真的有效性，从中得出仿真的方法和意义，从而将这种仿真运用到电力 系统的各个方面。1.3.2 本文主要内容1) 首先理论分析电力系统运行中短路的危害和发生短路时电气设备的状况及系统的状况，并建立发电机和变压器的数学模型。2) 运用simulink建立简单的单机-无穷大系统进行仿真，对系统运行出现短路情况时的仿真结果进行详细的分析。3) 建立带励磁系统的发电机系统，通过仿真结果分析带上励磁系统时电压和电流的变化情况。第二章电力系统理论分析在电力系统的设计和运行中，都必须考虑到可能发生的故障和不正常运行情况，因 为它们会破坏电气设备的正常工作和影响对用户的供电。运行经验指出，故障大多

14、是由 短路引起的。电力系统中发生的短路有三相短路、两相短路、一相接地短路和两相接地短路等四 种。短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大得多。在电力系统中，短路电流 可达几万到几十万安，对系统产生极大的危害：1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，使故障元件和短路电路中的其他元 件受到损害和破坏。2）短路时的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。3）严重的短路影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步， 造成系统解列。由此可见，短路的后果十分严重，因此对于大容量电力系统发生三相短路的分析是 必要的。2.1 同步发电机发生短路的暂态过程分析同步发电机在电力系统中处于重要的地位

15、。用户与发电厂的距离越来越远，发电机 三相突然短路的概率增大。由于同步发电机内部结构复杂，由多个具有电磁耦合关系的 绕组构成。同步发电机突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几 倍，对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响，因此对同步发电机动态特性的研究历来是电力系统中的重要课题之一 。而同步电机的突然三相短路，是电力系统的 最严重的故障，它是人们最为关心、研究最多的过渡过程，虽然短路过程所经历的时间 是极短的（通常约为0.10. 3 s ），但对电枢短路电流和转子电流的分析计算，却有着 非常重要的意义。2.1.1 同步发电机的数学模型本文研究的是转极式的凸极同步发电机，

16、除 a、b、c三相定子绕组外还有转子上的 一个励磁绕组和两个阻尼绕组。在分析同步发电机的数学模型时，作如下假设：发电 机参数恒定；磁饱和、磁滞、涡流影响忽略不计；定子三相对称；忽略磁场高次 谐波；不计涡流和磁滞损耗。发电机六个绕组存在相互的电磁耦合关系。同步发电机 的d轴和q轴等值电路图如图2-1所示。图2-1 同步发电机的d轴和q轴等值电路图根据电路定律，发电机六个绕组可以建立六个回路电压平衡方程，如下:Vd Rsid j- % - - R ；：q dtd .Vq = Rsi d -q , R qdt、， . d .Vfd - Rfd i fd fddtVkdRkdikd 4 ；：kddtV

17、kq1 = Rkqli kq1ddtkq1Rkq2i kq2 _ kq2dt根据六个绕组之间的磁链耦合关系，得到发电机模型dq0坐标系中的磁链方程可表述为： d - LdidLmd (i fd i kd )q =Lqiq Lmqikq；：fd =Lfdifd - Lmd (id ikq) kd = Lkd ikd Lmd (id i fd )_ Iq1=I , i / mq1 1mq1Lmqiq_ ，2kq2Lmq i q其中：d、q表示直轴和交轴分量;R、s表示转子和定子分量;k m表示漏抗和激磁电抗;f、k励磁绕组分量、阻尼绕组分量； 二d，表示轴定子绕组、轴定子绕组； 平fd 表示励磁绕

18、组的磁链。机械部分表达式如下：1 t： tTm -Tedt - Kd t2H o t - ： - t - 0其中相对额定运行点的速度变化；H转动惯量；Tm机械转矩；Te电磁转矩；Kd 阻尼系数；- t 转子机械角；缶。额定运行点的速度（标幺值为 1）。2.1.2同步发电机突然短路理论分析1.定子电流的计算在分析突然三相短路时，可以利用叠加原理，认为不是发生了突然短路，而是在电机的端头上突然加上了与叠加突然短路前的端电压大小相等但方向相反的三相电压。这样考虑时，同步电机的突然三相短路问题就变成了下述两种工作情况的综合问题了，即:与短路前一样的稳态运行状态；突然在电机端头上加上与突然短路前的端电压

19、大小 相等但方向相反的三相电压。将电机突然三相短路后的定子电流分为两部分来计算。将它们合并后，即得同步发 电机突然三相短路后的实际电流为： 111id =（工 -）e Td （-）e Td U cos、 - - -Ur e Ta cos（t 二） Xd XdXd XdXd Xd_11/ 11、7U 至iq = （- - 一）e U s i n , e sint（） Xq XqXq其中Xd、Xqd、q轴同步电抗;二同步发电机的功角；Td纵轴超瞬变电流衰减的时间常数； 一一一 一、 、 、 、 一 一 、 . ， Td 纵轴瞬变电流衰减的时间常数；Ta 定子非周期电流衰减的时间常数；U 同步发电机

20、机端的相电压有效值。2转子电流的计算突然三相短路后，电机转子中的电流，也象计算定子电流一样，可以分成两部分来计 算，即：原来稳态三相对称运行时的转子电流。突然在电机端头上加上与突然短路 前的端电压大小相等但方向相反的三相电压所引起的转子电流。将电机突然三相短路后的转子电流分为两部分来计算，将它们合并后，即得同步发 电机突然三相短路后的实际电流为： 当转子上没有阻尼绕组时，则：1 iU xad U 元xad U -Ti fd = e cos-, e a c o S ( c )Rfd x ffd xdxf f dxd当转子上有阻尼绕组时，则：2 11U Xiidxad -xad 1 xad 1、不

21、 *ad 1 7山ifd = (2- -)er e U cos、RfdXnd X ffd -xad xd X ffd xdxffd xd2_X11dxad -xad 飞 cos(t、)Xnd X ffd - xadxd xd阻尼绕组中的实际电流，在短路前，即稳态对称运行时，阻尼绕组的电流为零，因 此，突然三相短路后的阻尼绕组的实际电流为：2. .12. .1X11dxad xad UTd,X 11d xad xadUTaild =2ecos 2- ecos(L口)X11d X ffd _ xad xdX11d X ffd - xadxd xdilqxaqUX11q xd_11x； . xaq

22、U-Tae q sin-eX11q xqsin（t 、）其中xad、xaqd、q轴电枢反应电抗；Rfd 励磁绕组电阻； Xf f d-一励磁绕组电抗； X11d、Xnqd、q轴阻尼绕组电抗。2.2变压器短路分析电力变压器是电力系统的核心设备之一，其稳定、可靠运行对电力系统安全起到非常重要的作用。然而，由于设计制造技术、工艺以及运行维护水平的限制，变压器的故障还是时有发生，尤其是近年来逐步引起人们重视的变压器近区或出口短路故障， 大大影响了电力系统的安全稳定运行。统计资料表明，在变压器损坏的原因中，70%以上是由于变压器发生了出口短路的大电流冲击导致低压绕组变形造成的。因此，采取切实有效措施提高

23、低压绕组强度，对确保变压器的安全稳定运行有重要的意义。电力变压器在发生出口短路时的电动力和机械力的作用下，绕组的尺寸或形状发生不可逆的变化，产生绕组变形。绕组变形包括轴向和径向尺寸的变化，器身位移，绕组 扭曲、匝间短路等，是电力系统安全运行的一大隐患。变压器绕组经受短路故障后，有 的虽未立即发生损坏，但对变压器造成的潜在危害值得引起重视：1）绕组机械性能发生变化。由于短路的累积效应作用，当再次遭受短路电流冲击时， 将可能使绕组承受不住巨大电动力的作用而失稳。2）绝缘强度下降。一旦遭受过电压，有可能发生绕组短路，致使变压器绝缘被击穿； 或在正常运行工况下，因局部放电的持续作用，使已有的绝缘损伤逐

24、渐加重，从而导致 变压器绝缘被击穿。3）累积效应。运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应， 出现恶性循环。从计算分析和生产实践可知，一至二次电流峰值的冲击就导致变压器损坏事故的几 率是很小的，但遭受过短路电流冲击的变压器已经存在一定的安全隐患。对绕组已产生 变形但仍在运行的变压器而言，虽然并不一定会立即发生绝缘击穿事故，但当再遭受也 许并不大的过电流或过电压，甚至在正常运行的电磁动作用下，也可能导致变压器绝缘 击穿。影响系统的稳定运行。2.2.1 变压器数学模型建立电力系统中的变压器通常是三相的，而三相变压器的磁路结构型式、绕组接线方式（主要包括Y型和D型）、中点接地与否等多

25、种因素对励磁涌流、 每相输出电流有着较 大影响。首先描述单相双组变压器数学模型，然后根据绕组接线方式推导出三相之的连 接关系方程，建立三相变压器数学模型。1.单相变压器的数学模型1）磁链方程假定单相变压器一、二次绕组匝数分别为和，考虑绕组漏磁通，一、二次绕组的磁 通表示为：中1 =中 *m.2 匕2 .中m式中【m主磁通；力11、中”分别是一、二次绕组的漏磁通。由磁链定义，一次绕组的磁链为：1 =、1二P1 =、1（ ,邛 11， 12）式中： ” 漏磁通，由一次绕组的磁动势 N1I1建立；外1 漏磁通路径磁导率；m 主磁通，由一、二次绕组的总磁势 NM1+N2I2建立；?m 互磁通路径磁导率

26、。方程（3）的右端另作表示： 1 =ly.11?l1 -（：11 - ：2 2）?m= （、；RX2?m） - ： 2?m 2类似地，二次绕组磁链为：-2 = N2（ 12， m）,22、=（、2P12 ：2?m） - NC1 予1 ： P 1 ?m = Ll1 Lm1.2 _2_L22=N2 pi2+N2Pm =L12 +Lm2L12 = L2i = Xi 转换时间(Transition times)、内部计时器的采样时间(Sample time of the T、 缓冲电阻(Snubber resistance Rp)、缓冲电容(Snubber Capacitance Cp)和测 量(Me

27、asurements。3Phast Fult图3-15三相电路短路故障发生器及参数对话框参数设置如下:故障点电阻（Fault resistances Ron： 0.001故障点接地电阻（Ground resietances Rg: 0.001转换状态（Transition status）: 10 转换时间（Transition times）: 0.2 0.3内部计时器的采样时间（Sample time of the Ts ： 0缓冲电阻（Snubber resistance Rp: 1e6缓冲电容（Snubber Capacitance Cp: inf测量(Measurements :选择不测

28、量选项单击OK按钮完成对三相电路短路故障发生器的设置。步骤二：同样的方法设置其他两个三相电路短路故障发生器。4)从线路元件库三相断路器元件，复制后粘贴在电路图中，如图 3-16所示。双击三相短路器元件，在三相短路器元件参数对话框中进行设置，如图3-16所示。三相短路器元件参数对话框包含以下选项：初始状态(Initial status of breakers)；故障相 选择(Switching of A、B、C)；转换时间(Transition time)；内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts)；外部控制时间(Extarnal control of switching

29、 times)；断路器电阻(Breakers resistance Ron； 迟滞电阻 (Snubbers resistance Rp； 迟滞电容 (snubbers capacitance Cp 和测量(Measurements。3-Phase Breaker图3-16三相断路器及参数对话框三相断路器的参数设置如下：初始状态 (Initial status of breaker :故障相选择(Switching of A、B、C): A、B、C三相都选择转换时间(Transition time): 0.01内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts ： 0外部控制时间(

30、Extarnal control of switching times): 不选择断路器电阻(Breakers resistance Ron： 0.001迟滞电阻（Snubbers resistance Rp: 1e6 迟滞电容（snubbers capacitance Cp： inf 测量（Measurements :选择不测量选项 单击OK按钮完成对三相短路器的设置。5） 从线路元件库中选择三相变压器元件，复制后粘贴在电路图中，如图 3-17所示 步骤一：将变压器的名称改为：变压器。步骤二：双击三相变压器元件，在变压器元件参数对话框中进行设置，如图 3-17所示。变压器元件参数对话框包含以

31、下选项:Thre-phase T raRsformer (TwflCb Windings)图3-17三相变压器及参数对话框额定功率和频率（ Nominal power and frequency）；原边绕组接法（ winding1(winding2 connaction)；resistance Rm);磁感connaction)；原边绕组参数 (winding parancters);副边绕组接法副边绕 组参数(winding parancters); 磁阻(Magnetiration(Magnetiration reactance Lmi) 和狈U量(Measurements 0变压器参数设

32、置如下： 额定功率和频率(Nominal power and frequency): 250e6 50原边绕组接法(winding1 connaction): Y原边绕组参数(winding parancter : 424.35e3 , 0.002 , 0.08 副边绕组接法(winding2 connaction)： Delta(D11)副边绕组参数(winding parancter : 315e3 , 0.002 , 0.08磁阻(Magnetiration resistance Rm): 500磁感(Magnetiration reactance Lm): 500测量(Measurem

33、ents :选择不测量选项单击OK按钮完成对三相变压器的设置。6)从线路元件库中选择三相分布参数传输线元件，复制后粘贴在电路图中，如图 3-18所示。D iMributedl Parameiets Lin图3-18分布参数传输线及参数对话框步骤一：将分布参数传输线元件名称改为步骤二：双击分布参数传输线元件，在分布参数传输线元件参数对话框中进行设 置，如图3-18所示。参数设置如下：线路相数(Number of phase N : 3用于电阻、电感和电容的频率(Frequency： 50单位长度电阻(resistance per unit length ： 0.01273 0.3846单位长度电

34、感(Inductance per unit length ： 0.9337e-3 4.1264e-3 单位长度电容(Capacitance per unit length : 12.74e-9 7.751e-9 线路长度(Line Length): 300测量(Meadurements:选择不测量电气量单击OK按钮完成对三相分布参数传输线的设置。7）从线路元件库中选择三相串联 RLC负载元件，复制后粘贴在电路图中，如图 3-19所示。Saricf RLC LqjJ图3-19三相串联RLC负荷元件及参数对话框步骤一：将三相串联RLC负载元件的名称改为：串联负荷。步骤二：双击三相串联RLC负载元件，在三相串联RLC负载元件参数对话框中进 行设置，如图3-19所示。三相串联RLC负载元件参数对话框包含5个选项，分别是额 定相电压（Nominal phase-phase voltage,额定频率（Nominal frequency）,三相有功功 率（Three-phase active power P,三相感性无功功率 （Three-phase inductive reactive power Ql）,三相容性无功功率（Three-phase capacitive reactive power Qc 选项。三相串联RLC负载元件参数设置如下：额定相电压（Nom