电力系统暂态稳定性仿真

河北工程大学毕业设计（论文）PAGE3PAGE24PAGE31摘要随着科学技术的发展，电力系统变得越来越复杂，电气工程师掌握一种好的能对电力系统进行仿真的软件是学习和研究的需要。MATLAB提供的Simulink工具箱是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多种采样速率的多速率系统。Simulink为用户提供了用方框图进行建模的模型接口。它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。并且用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，用户可以用从上到下或从下到上的结构创建模型。电力系统工具箱（PowerSystemBlockset以下简称PSB）在Simulink环境下使用。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、控制系统及其它设备规律的分析均包含在其中。这是因为电力系统部分的仿真是同Simulink范围内的其它工具箱相联系的。关键词：电力系统Simulink建模仿真abstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,electricpowersystemisbecomingmoreandmorecomplex,electricalengineertomasterakindofgoodinpowersystemsimulationsoftwareislearningandresearchneeds.MATLABprovideSimulinktoolboxisadynamicsystemusedformodeling,simulationandanalysissoftwarepackage,itsupportcontinuousanddiscreteandthemixtureofbothlinearandnonlinearsystems,andsupportformultiplesamplingratemorethantheratesystem.Simulinkprovidetheuserwiththebarwithmodelingmodelinterface.Itwiththetraditionalsimulationsoftwarepackagewithdifferentialequationanddifferenceequationmodeling,itischaracterizedbythemoreintuitive,convenientandflexibleadvantages.AndusingSimulinkcreatemodelcanhavehierarchicalstructure,theusercanusefromtoptobottomorfrombottomtotopcreatemodelofthestructure.ElectricPowerSystemtoolbox(PowerSystemBlocksethereinafterreferredtoasthePSB)inSimulinkenvironmentuse.Notonlycircuitmodelcanquicklybuiltup,andtheassociatedwiththemechanical,thermal,controlsystemsandotherequipmentregularanalysisareincludedinit.ThisisbecauseofthepartofthepowersystemsimulationiswithinthescopeoftheotherwithSimulinktoolkitrelated.Keywords:ElectricpowersystemSimulinkModelingsimulation

目录TOC\o"1-3"\h\u23964摘要 118294第1章引言 449241.1电力系统简介 441891.2电力系统仿真 4169761.3本课题研究的前景和意义 54194第2章MATLAB简介 668112.1MATLAB语言的发展状况 6322702.2MATLAB软件系统的构成 6284322.3本章小结 79452第3章simulink的简单建模 861133.1Simulink的模块 8132703.2Simulink的简介 8107993.2.1Simulink的初步认识 8118823.2.2Simulink实时工作环境的作用及其主要特点 9230613.3Simulink建模实例初步 1190653.3.1简单建模 11169293.3.2支持向量显示 1158383.3.3支持扩展量 12254633.3.4数值分析：积分模块的应用 12178863.3.5求解微分方程 1231233.3.6信号叠加 13236853.4本章小结 1332204第4章电力系统模块集与简单电子线路仿真 14119554.1电力系统模块集简介 14152264.1.1电力系统模块集简介 14239674.1.2标幺值（p.u.） 17268704.2简单电子线路仿真 19204984.2.1电路的仿真 1992254.2.2传输线路模型仿真 23241114.3本章小结 2422471第5章同步发电机的仿真 25215865.1建立系统仿真模型 25159755.1.1设计电路图 25199575.1.2设计流程 26120555.2仿真分析 31124815.2.1仿真参数设置 31325775.2.2仿真结果 3244105.3本章小结 4015124第6章拓展 41219216.1带励磁系统的电力系统分析 4122363致谢 4220732参考文献 43

第1章引言1.1电力系统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。系统运行指系统的所有组成环节都处于执行其功能的状态。电力系统的基本要求是保证安全可靠地向用户供应质量合格、价格便宜的电能。所谓质量合格，就是指电压、频率、正弦波形这3个主要参量都必须处于规定的范围内。电力系统的规划、设计和工程实施虽为实现上述要求提供了必要的物质条件，但最终的实现则决定于电力系统的运行。实践表明，具有良好物质条件的电力系统也会因运行失误造成严重的后果。60～70年代，世界范围内多次发生大规模停电事故，促使人们更加关注提高电力系统的运行质量，完善调度自动化水平。电力系统的运行常用运行状态来描述，主要分为正常状态和异常状态。正常状态又分为安全状态和警戒状态，异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移。各种运行状态之间的转移，需通过控制手段来实现，如预防性控制，校正控制和稳定控制，紧急控制，恢复控制等。这些统称为安全控制。电力系统在保证电能质量、安全可靠供电的前提下，还应实现经济运行，即努力调整负荷曲线，提高设备利用率，合理利用各种动力资源，降低煤耗、厂用电和网络损耗，以取得最佳经济效益。1.2电力系统仿真电站仿真系统，是将仿真技术应用于电站所构建的仿真系统，目前主要用于人员培训。其称呼还有很多，比如电厂仿真系统，电站仿真培训系统，电厂仿真培训系统，电站模拟培训器，电厂模拟培训器，电站仿真机，电厂仿真机，等等。现代电站仿真技术的发展，给电力工业的安全生产提供了坚强的物质基础；电站机电一体化的普遍应用，自动化水平不断提高，又不断地给电站仿真技术提出了新的课题。电站仿真技术的合理应用与电力安全生产已经密不可分。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EMTP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本课题研究的前景和意义随着单元发电机组容量越来越大，系统越来越复杂，对它的经济运行、安全生产提出了更高的要求，仿真系统是实现这个目的的最佳途径。通过仿真系统可以优化运行过程，可以培训操作人员。电站仿真系统己成为电站建设与运行中必须配套的装备。早期培训用仿真机大都包含对DCS系统的仿真，但往往比较简单，基本都是“黑盒子”模型，与实际系统有着很大的差别。其主要作用是对机组运行人员的培训。现代的仿真系统，不但可用于对运行人员培训，而且可对热控人员进行DCS组态与培训。现代的电站仿真技术，比早期的电站仿真有了非常大的发展，具有不可比拟的优势。但随着技术的进步和实践，性能不断趋于完善，涉及的领域和服务功能将越来越广泛。电站仿真目前最小仿真步长达到10个毫秒，是否实现精度更高的仿真周期，将是一个研究的方向。由于仿真功能的强大，仿真机已经纳入电力培训领域上岗前的必备内容。随着技术的发展和实践，电站仿真系统在电力生产的安全管理、事故分析、经济运行、调节优化等方面的模拟实验上，将得到更为广泛的应用。建模理论和方法，仍然是推动仿真技术进步发展的重点研究方向。它是系统仿真可持续发展的基础。

第2章MATLAB简介2.1MATLAB语言的发展状况MATLAB语言的首创者CleveMoler教授在数值分析，特别是数值线性代数的领域中很有影响。1980年前后构思并开发了MATLAB（即矩阵实验室），这一软件利用了他研制的、在国际上颇有影响的EISPACK（基于特征值计算的软件包）和LINPACK（线性代数软件包）两大软包中可靠的子程序，用Fortran语言编写了集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统。CleveMoler和JohnLittle等人成立了一个名叫TheMathWorks的公司，CleveMoler一直任该公司的首席科学家。该公司于1984年推出了第一个MATLAB的商业版本。当时的MATLAB版本已经用C语言作了完全的改写，其后又增添了丰富多彩的图形图像处理、多媒体功能、符号运算和它与其他流行软件的接口功能，使得MATLAB的功能越来越强大。

TheMathWorks公司于1992年推出了具有划时代意义的MATLAB4.0版本，并于1993年推出了其微机版,可以配合MicrosoftWindows一起使用，使之应用范围越来越广。1994年推出的4.2版本扩充了4.0版本的功能，尤其在图形界面设计方面更提供了新的方法。1997年推出的MATLAB5.0版允许了更多的数据结构，如单元数据、数据结构体、多维矩阵、对象与类等，使其成为一种更方便编程的语言。1999年初推出的MATLAB5.3版在很多方面又进一步改进了MATLAB语言的功能。2000年10月底推出了其全新的MATLAB6.0正式版(Release12)，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等诸多方面有了极大的改进。

目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了,有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。可以预见，在科学运算、自动控制与科学绘图领域MATLAB语言将长期保持其独一无二的地位。2.2MATLAB软件系统的构成MATLAB软件主要是由主包、Simulink和工具箱三大部分组成。MATLAB语言是一种基于矩阵和数组的高级语言它具有流程控制语句、函数、数据结构、输入输出，并且具有面向对象的程序设计特性。用MATLAB编写程序就像在便签上列公式和求解一样简单。MATLAB工作环境集成了许多工具和程序，用户工作环境中提供的功能完成它们的工作。MATLAB工作环境给用户提供了管理工作空间内存放变量和输入输出数据的功能，并给用户提供了不同的工具用以开发、管理、调试文件和MATLAB应用程序。MATLAB数学函数库是数学算法的一个巨大集合。该函数库既包括了诸如求和、余弦、复数运算之类的简单函数；也包含了矩阵、转置、特征值、贝赛尔函数、快速傅里叶变换等复杂函数。MATLAB语言是一个高级的矩阵/数组编程语言，该语言带有流程控制语句、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编程的特点。它既可以编写快速执行的短小程序，也可以编写庞大的复杂的应用程序。MATLAB图形处理系统这是MATLAB的图形系统，它既可以生成二维和三维数据可视化、图像处理、动画及演示图形的高级命令，也包括完全有用户自定制图形显示及在MATLAB应用程序中创建完整的图形用户接口的低级命令。MATLAB应用程序接口（API）是一个MATLAB语言通C和Fortran等其它高级语言进行交互的库。包括从MATLAB调用其它程序（动态链接），把MATLAB作为计算引擎来调用，还包括写MATLAB数据文件。工具箱是MATLAB用来解决各个领域特定问题的函数库，它是开放式的，可以应用，也可以根据自己的需要进行扩展。MATLAB提供的工具箱为用户提供了丰富而使用的资源，工具箱的内容非常广泛，涵盖了科学研究的很多门类。目前，以涉及数学、控制、通信、信号处理、经济、地理等多种学科的二十多种MATLAB工具箱投入使用。应用MATLAB的各种工具箱可以在很大程度上减少用户编程的复杂程度。2.3本章小结本章介绍了MATLAB的语言发展及其系统的构成，让用户对MATLAB有了一个初步的认识。对以后了解MATLAB进一步的知识及熟练的操作奠定了基础。

第3章simulink的简单建模3.1Simulink的模块Simulink的基本模块包括8个子模块库。输入信号源模块库（Sources）输入信号源模块是用来向模型提供输入信号；接收模块库（Sinks）接收模块是用来接收模块信号的；连续系统模块库（Continuous）连续系统模块是构成连续系统的坏节；离散系统模块库（Discrete）离散系统模块是用来构成离散系统的环节。另外还包含了函数和平台模块、数学模块、非线性模块。信号和系统模块。在建立Simulink模型时，可以从Simulink模块库(或其他库)或已有的模型窗口中将模块拷贝到新的模型窗口，拖动到目标模型窗口中的模块可以利用鼠标或键盘上的up、down、left或right键移动到新的位置。在拷贝模块时，新模块会继承源模块的所有参数值。如果要把模块从一个窗口移动到另一个窗口，则在选择模块的同时要按下Shift键。

Simulink会为每个被拷贝模块分配名称，如果这个模块是模型中此种模块类型的第一个模块，那么模块名称会与源窗口中的模块名称相同。例如，如果从MathOperations模块库中向模型窗口中拷贝Gain模块，那么这个新模块的名称是Gain；如果模型中已经包含了一个名称为Gain的模块，那么Simulink会在模块名称后添加一个序列号(如Gain1，Gain2)。当然，也可以为模块重新命名。Simulink的模块操作为：自动连接模块、手动连接模块、设置模块参数（其包括模块特定参数、来自工作区的模块参数）、模块属性对话框。3.2Simulink的简介3.2.1Simulink的初步认识Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包。他让用户把精力从编程转向模型的构造。Simulink一个很大的优点是为用户省去了许多重复的代码编写工作，用户就不用一步步的从最底层开始编起。Simulink的最新版本是Simulink4.0（包含在MATLAB6.0里）,启动Simulink的方法有很多种,按照MATLAB的传统方式,之要在MATLAB窗口输入>>Simulink这样,一个称为SimulinkLibraryBrowser的窗口就会出现在桌面上,它的样子如图3-1所示。图3.1SimulinkLibraryBrowser的窗口Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真、和分析的软件包。它支持线性和非线性系统、连续和离散时间模型，或者是两者的混合。对于建模，Simulink提供了一个图形化的用户界面（GUI），可以用鼠标点击和拖拉模块的图标建模。通过图形界面，用户可以像用铅笔在纸上画图一样简单。定义完模型后，可以通过Simulink的菜单或者在MATLAB的命令窗口输入命令对它进行仿真，菜单对于交互式工作非常方便。使用Scope或其它显示模块可以在运行仿真时观察到仿真的结果，另外，还可以在仿真时改变参数，并且立即就可以看到有什么变化，对它进行分析。3.2.2Simulink实时工作环境的作用及其主要特点Simulink时实工作环境（Real-TimeWorkshop）自动的直接从Simulink的模块图生成C语言代码，这将允许连续、离散时间或者混合系统的模型可以运行于各种计算机平台，其中包括实时硬件，但Simulink是必不可少的。一、Simulink实时工作环境的作用⑴快速建模作为一个快速建模工具，实时工作环境使得用户可以快速实现自己的设计，而不用手工编写长长的代码然后进行调试。控制信号处理和动态系统的算法可以通过开发图形化的Simulink模块图，并且自动生成C语言代码来实现。⑵嵌入式实时控制义演一个系统已经用Simulink设计出来，就可以生成实时控制器或数字信号处理器的代码，然后可对代码进行编译、链接，最后装载到目标处理器中，实施工作环境支持DSP板，嵌入式控制系统，以及多种用户和商业开发的硬件。⑶实时仿真对循环中硬件仿真，可以为整个系统或指定的分系统创建和执行代码，典型的应用包括训练仿真器，模型验证和测试。⑷单机仿真单机仿真可以在你的主机上直接运行或者传送到另外的系统上以远程方式执行。由于时间历史数据被以二进制或ASCII文件保存在MATLAB中，可以很容易的被装入MATLAB中以进一步的分析或图形显示。二、实时工作环境的特点实时工作环境具有一系列复杂的能力和特性以提供实现各种应用的灵活性。(1)自动代码生成以处理连续时间、离散时间和混合系统。(2)优化代码以保证快速执行。(3)控制框架结构应用程序接口（API）自动的使用定制的make文件来创建和下载object文件到目标硬件上。(4)可移植的代码使其应用环境更加广泛。(5)简明、可读并具有详细注释的代码使得维护非常简单。(6)从Simulink下载到外部硬件上的交互参数使系统在工作状态下很容易调整。(7)一个菜单驱动的图形用户界面使得软件的使用非常容易。三、建立模型的一般步骤在Simulink环境下，编辑模型的一般过程是：首先打开一个空白的编辑窗口，然后将模块库中的模块复制到编辑窗口，并依照给定的框图修改编辑窗口中模型的参数，再将各个模块按照给定的框图连接起来，这样就可以对整个模型进行仿真了。在Simulink中打开一个空白的模型窗口有几种方法：·在MATLAB的命令窗口种选择File|New|NewModel菜单项；·单击Simulink工具栏中的“新建模型”图标；·选中Simulink菜单系统中的File|New|NewModel菜单项；·还可以使用new_system命令来建立新模型。无论采用那种方式，都浆自动打开一个空白窗口模型，在这个窗口下我们可以任意的编辑所需要的系统模型了。3.3Simulink建模实例初步3.3.1简单建模1、创建步骤从源模块库（Sources）中复制正弦波模块（SineWave）。连续模块库（Continuous）复制积分模块（Integrator）。输出显示模块库（Sinks）复制示波器模块（Scope），并连接模块。如图3.1所示。图3.2简单模型运行仿真双击示波器模块，打开Scope窗口。单机模型窗口菜单中的SimulationStart，仿真执行，结果如图3.2所示。图3.3仿真波形图3.3.2支持向量显示3.3.3支持扩展量3.3.4数值分析：积分模块的应用3.3.5求解微分方程3.3.6信号叠加3.4本章小结Simulink是MATLAB中一个非常成功的子程序，它融合了各种常用的建模与分析方法。本章阐述Simulink的一些基本常识及建模和仿真的基本方法，并用几个例子概括了simulink的操作方法及其仿真的整个过程。掌握Simulink的使用过程，从而能更好的在自己的设计工程领域内使用Simulink提高工作质量和效率。

第4章电力系统模块集与简单电子线路仿真4.1电力系统模块集简介4.1.1电力系统模块集简介Simulink中可以使用的电力系统仿真模块集（PowerSystemsBlockset）主要是由加拿大的HydroQuebec和International公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前将自动将其变化成状态方程描述的系统形式，然后才能在Simulink下进行仿真分析。在MATLAB命令窗口中键入powerlib，则将得出如图所示的模块集。图4.1电力系统模块集当然，电力系统模块集中的器件还可从Simulink模块浏览窗口中直接启动。可见，在该模块集中还有很多子模块集，双击每一个图标都将打开一个下级子模块集，例如双击Electricalsources图标将打开如图所示的电源子模块集，其中有直流和交流电源，以及各种受控电流源和电压源等。若双击模块集中的Measurements图标，则将的处如图所示的子模块集，其中有各种检测端口，如电流表、电压表和阻抗表，该组中还包括各种其他扩展的子模块集。图4.2电源子模块集与检测子模块集现将电力系统模块集中所包含的模块作以简介。电力系统模块集包含的模块有：Connectors(连接器库)，ElectricalSources（电源库），Elements(元件库)，ExtraLibrary(附加库)，Machines(电机库)，Measurements(仪表库)，PowerElectronics(电力电子元件库)，Powergui(电源图形用户界面模块)。（1）电源模块中的模块有直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源、可控电流源五个模块。（2）元件库中的模块有：串联RLC支路、串联RLC负载、并联RLC支路、并联RLC负载、线性变压器、饱和变压器、互感器、电涌放电器、分布参数线路、短路器、π截面导线等十一个模块。（3）电力电子元件模块库中的模块有：理想开关、金属氧化物半导体场效应管、门电路、二级管、可控硅等六个模块。（4）仪表模块库中的模块有：电压测量模块和电流测量模块。（5）连接器模块库中的模块有：接地（输入、输出）两个模块，局部接地（输入、输出）两个模块，T形和L形连接器模块，多进多出（水平、垂直）连接器模块、多进多出（水平、垂直）薄连接器模块。（6）电机模块库中的模块包括简单同步电机三个模块，永磁同步电机两个模块，异步电机三个模块，涡轮与调节器两个模块、同步电机四个模块。（7）电源库附加模块库又包括测量模块库，三相模块库，控制模块库和附加电机模块库。图4.3元件库测量模块库，有三个模块。三相模块库，有十五个模块。控制模块集，有定时器和同步6脉冲发生器两个模块。附加电机库，有一个直流电机模块。图4.4电力电子元件库图4.5电机库图4.6连线类子模块集图4.7三相库4.1.2标幺值（p.u.）下表给出了一些在电力系统中常用的国际单位制符号物理量单位符号时间Seconds长度Meterm重量kilogramkg热量JouleJ电流AmpereA电压VoltV有功功率WattW视在功率voltampereVA无功功率Varvar电感Ohm电抗Ohm感应系数HenryH电容FaradF磁链voltsecondV.s转速radianspersecond

revolutionsperminuterad/s

rpm转矩NewtonmeterN.m惯性kilogram(meter)2kg.m2摩擦因数NewtonmetersecondN.m.s表4.1电力系统中常用的国际单位制符号通常我们在搭建系统时，为方便起见常使用标幺值系统，这一点在MATLAB中体现的比较突出。它可以使运算步骤简化，数值简明便于分析。标幺值的一般表达式为：使用标幺值有以下方便之处：使用标幺值时，相对参考值是一个线性比，便于比较。例如瞬时电压达到1.42P.U.说明，超过额定值的42%。使用标幺值表示电抗时，可以反映出电压与电流的变化情况。使用标幺值计算时，运算过程比较简便。4.2简单电子线路仿真4.2.1电路的仿真我们知道，电路中最常有的元件是电阻、电容和电感，双击电力系统模块中的Elements图标，则将得出如图所示的子模块集，其中即包含各种电阻、电容和电感元件，还包含各种变压器元件，另外还有一个三相元件子模块集。图4.8电路元件子模块图4.9串联分支元件参数对话框普通的电阻、电容和电感元件来看，有串联的RLC（电阻、电容、电感）分支和并联和并联的RLC分支，以及他们的负载形式。双击SeriesRLCBranch（串联RLC分支）元件，则将得出如图所示的对话框，在这个对话框中适当的输入电阻、电容和电感的参数即可。注意，和纯数字仿真不同，这里填写电路参数时应该注意其单位。遗憾的是这里不包含单个的电阻、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，但在串联或并联分支中直接删除某个元件也不是太容易的事，例如在串联分支中删除电容，则不能将其数值填写成0，而需要写成inf。单个电阻、电感、电容元件的参数设置在并联和串联分支中是不同的，具体参见下表。为了搭建实验的方便，也可以按该表拆分出单个元件，封装起来。元件串联RLC分支并联RLC分支类型电阻数值电感数值电容数值电阻数值电感数值电容数值单个电阻单个电感单个电容R000L0infinfCRinfinfinfLinf00C表4.2单个电阻、电感、电容参数设置表在一般电路中，除了前面介绍的一些元件以外，还需要一些连线类模块，双击电力系统模块集中的Connectors图标则将打开如图所示的连线类子模块集。给定电路图如下所示，输入的交流电压源为220V，50Hz,其它参数值为R1=0.428Ω,L1=L2=1.926mH，R2=1.551Ω，R3=1.551Ω，L3=1.803Mh。完成了电路连接后，将终止的时间设为0.1，则可以启动仿真过程。开始仿真过程后，则将在MATLAB的命令窗口中显示如下的信息图4.10给定简单电路图PowerSystemBlocksetprocessingdianlufangzhen...Computingstate-spacerepresentationoflinearelectricalcircuit(V2.2)...(2states;1inputs;1outputs)Computingsteady-statevaluesofcurrentsandvoltages...BuildtheSimulinkequivalentcircuit...(Circuitstoredinside"dianlufangzhen/VoltageMeasurement"block)图4.11简单电路仿真模型Ready图4.12简单电路仿真模型结该信息表明系统自动完成并通过了从绘制的电路图到状态方程的转换，开始自启动状态方程的仿真过程。还可以对仿真电路进行稳态分析。将电力系统模块集中的powergui模块复制到仿真框图中，则双击该模块就可以对电路图中的信号进行稳态分析，得出下图所示的分析结果。从得出的结果中可以看出所量测的信号稳态曲线为幅值95.27V，初始相位为-15.33º（拖动滚动杆才能显示出来）的正弦信号，亦即该信号的解析表达式在稳态时趋近95.27sin(2п*50t-15.33°)。图4.13简单电路仿真模型图4.14简单电路仿真模型稳态分析另外，用电力系统工具箱中提供的power2sys()可以提取出从给定电源到输出端子的状态方程模型，根据次状态方程模型就可以对整个电路进行频域分析，如绘制其Bode图等。Power2sys()函数的调用格式为：[a，b，c，d]=power2sys(模型名)其中a，b，c，d为系统的状态方程矩阵，由power2sys)还可以得出系统的传递函数模型。图4.15分布参数模型子系统P形行等值线路子系统4.2.2传输线路模型仿真以上图形是传输线路在电力系统中的两种表现形式。输电线路本身其实质是分布参数网络元件。当输电线路较短，阻抗和导纳分别比较集中，可以当作集中参数元件处理采用П、Т或Г形等值电路来处理。MATLAB中采用PI形等值电路。当输电线路较长时，为使计算和仿真结果精确，应按输电线路的分布参数特性，采用分布参数模型，考虑线路上的分布参数，以及线损等情况。图4.16传输线模型图4.17传输线路模型子系统4.3本章小结本章主要介绍电力系统仿真中相关电气原件的选择，要求熟悉个电气原件的的图形及英语解释及其相关参数的设置。本章主要为下章同步发电机突然短路的仿真打下基础。

第5章同步发电机的仿真同步发电机是电力系统中最重要的元件，它的运行特性对电力系统的运行特性起决定性影响。电力系统的电磁和机电暂态分析几乎都要涉及同步发电机的暂态分析。同步发电机在电力系统中处于重要的地位。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0.1～0.3s），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。当同步发电机在突然三相短路后的电压、电流数值较大,衰减速度较快，对发电机的绝缘造成严重损坏。由于发电机突然短路的特点,对其电流、电压进行实时监控,其采样频率较大,一般难以实现。同步发电机突然短路的计算突然三相短路是同步发电机在运行中可能发生的严重故障，本文就同步发电机突然短路进行了仿真分析。5.1建立系统仿真模型5.1.1设计电路图同步发电机突然短路电路模型如图5.1所示。使用简化的同步发电机，使用三相并联RLC负载，并通过三相电路短路故障发生器元件实现同步发电机的三相短路。图5.1同步电机突然短路电路模型仿真研究的主要问题是:观察同步发电机在三相短路时的暂态过程。5.1.2设计流程1)从电机元件库选择简化的同步发电机元件，复制后粘贴在电路图中。图5.2简化的同步电机元件双击简化的同步发电机元件，在简化的同步发电机元件参数对话框中进行设置，如图5.3所示。图5.3简化的同步电机元件参数对话框简化的同步电机元件SM参数如下设置：连接类型（Connectiontype）：三相Y型接线额定值（Nominal）:[500e6156e360]机械特征（Mechanical）:[562900.32]内部电阻（Internalimpedance）:[1.9845263.15e-3]初始状态（Initialconditions）：[0.50000000]单机OK按钮完成对简化的同步电机元件SM的设置。2)设置施于简化的同步电机元件SM上的机械功率。该机械功率使用一个常数发生器来设置，如图5.4所示。图5.4常数发生器将常数发生器元件名称改为Pm。双击常数发生器元件对话框，如图5.5所示。设置常数数值为700e6，作为机械功率值。图5.5常数发生器元件对话框步骤：设置电压幅值。电压幅值使用一个常数发生器来设置，如图所示。将常数发生器元件名称改为VLLrms。双击常数发生器对话框，如图所示。将常数数值有700e6改为156e3。3）从测量元件库中选择三相电压—电流测量元件，复制后粘贴在电路图中，如图5.6所示。图5.6三相电压—电流测量元件双击三相电压—电流测量元件，三相电压—电流测量元件参数对话框中进行设置，如图5.7所示。图5.7三相电压—电流测量元件参数对话框在相电压—电流测量元件参数对话框填写参数如下：选择测量相电压选项，用来测量同步与发电机突然短路后三相电压的变化。单击OK按钮完成对三相电压—电流测量元件的设置。4)从线路元件库中选择三相电路短路故障发生器元件.复制后粘贴在电路图中，如图5.8所示。图5.8三相电路短路故障发生器元件双击三相电路短路故障发生器元件，在三相电路短路故障发生器（3-PhaseFault）元件参数对话框中进行设置。如图7-3所示在三相电路短路故障发生器（3-PhaseFault）元件参数对话框中包括11个选项.分别足故障相选择（PhaseFault）.故障点电阻（FaultresistancesRon）.故障相接地（Groundfault）.外部控制缺省时间(Externalcontroloffaulttiming).转换状态（Transitionstatus).转换时间（Transitiontimes).内部计时器的采样时间（SampletimeoftheinternaltimerTs）、缓冲电阻（SnubberresistanceRp）、缓冲电容（SnubberCapacitanceCp）和测量(Measurements)。图5.9三相电路短路故障发生器元件对话框在仿真研究中，各项参数如下设置:故障点电阻（FaultresistancesRon）:0.1故降点接地电阻（Groundfault）:0.001转换状态(Transitionstatus):[10]转换时间(Transitiontimes):[0.050.4]内部计时器的采样时间((Sampletimeoftheinternaltimer):0缓冲电阻(SnubberresistanceRp):inf缓冲电容(SnubberCapacitance):inf测量(Measurements):选择不测量电气量。单击OK按钮完成对三相电路短路故障发生器的设置。5）从线路元件中选择三相并联RLC负载元件，复制后粘贴在电路图中，如图5.10所示图5.10三相并联RLC负载元件步骤一：将三相并联RLC负载元件名称改为Load。步骤二：双击三相负载RLC负载元件，在三相并联RLC负载元件参数对话框参数进行设置，如图5.11所示。图5.11三相并联RLC负载元件参数对话框三相并联RLC负载元件参数如下设置：额定相电压：25e3额定功率：60三相有功功率：8e6三相感性无功功率：0三相容性无功功率：0单击OK按钮完成对三相并联RLC负载元件load的设置。6）在指令窗口中键入如下命令:>>simulink单击回车键后，弹出仿真元件库对话框。在Sinks目录下选择示波器元件，拖拽至电路图中。复制示波器元件，将名称改为V。用于短路电压的测量。复制示波器元件，将名称改为I。用于短路电流的测量。7）从电力系统元件库中，选择电力系统分析工具，复制后粘贴在电路图中。8)选择接地元件、节点等，进行合理放置，如图5.12所示。图5.12未接线的电路图对该电路图进行接线即可完成电路图的绘制。注意在接线时，接线端点的提示.如果接线错误，提示颜色显示为红色。5.2仿真分析5.2.1仿真参数设置当电路图设计完成后，对其进行仿真，以达到观察电路中暂态变化情况。(1)在前面设置三相电路短路故障发生器时，将接地短路的时间设置为[0.050.4]之间。(2)在电路图的菜单选项中，选择仿真菜单，激活仿真参数命令，弹出仿真参数对话框。根据对暂态过程时间的估算，对仿真参数进行如下设置:开始时间(Stagtime):Os停止时间(Stoptime):0.5s求解程序类型（Type）选项:可变步长(Variable-step)，odel5s(stiff/NDF)最大步长((Maxstepsize)选项:自动(auto)最小步长((Minstepsize)选项:自动(auto)初始步长(Initialstepsize)选项:自动(auto)相对容差(Relativetolerance)选项:1e-3绝对容差(Absolutetolerance)选项:自动((auto)5.2.2仿真结果1、同步电机三相短路将三相电路短路故降发生器的故障相选择三相故障都选择，并选择故障相接地选项。设置完电路图和仿真参数后。下面进行短路仿真.，激话仿真按钮，查看仿真波形图。（1）故障点电流波形图在向量选择器中选择故障点A相、B相和C相电流作为测量电气量，激活仿真按钮，则故障点A相、B相和C相电流波形图如图5.13所示。由图形得出以下结论:在稳态时，故障点A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流为正弦变化，幅值为1000A。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流发生变化，故障点A相电流波形上移，最大幅值为1800A左右，然后逐步下移。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流恢复稳态运行。在稳态时,故降点B相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流为正弦变化，幅值为1000A。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点B相电流发生变化，故障点B相电流波形下移，最大幅值为-1800A左右，然后逐步上移。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点B相电流恢复稳态运行。在稳态时，故障点C相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流正弦变化，幅值为1000A。在O.O5s时，三相电路短路故障发生器闭合。此时电路发生三相短路，故障点C相电流发生变化，故障点C相电流波形上移，最大幅值为1400A左右，然后逐步下移。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点c相电流恢复稳态运行。图5.13故障点A相、B相和C相电流波形图（2）、电源端电压波形图选择故障点A相、B相和C相电压作为测量电气量，激活仿真按钮，则故障点A相、B相和C相电流波形图如图5.14所示。由图形得出以下结论:在同步电机三相短路期间，各相电压为0。图5.14选择故障点A相、B相和C相电压波形图(3)故障点A相电流分量图在向量选择器中选择故障点A相电流得正序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流得正序分量图如图5.15所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，故障点A相电流正序分量的幅值从0上升为为1000A；相角平稳变化。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流的正序分量发生变化，故障点A相电流正序分量的幅值突变到1300A左右；相角在之间线性变化。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流正序分量的幅值突变到900A左右平稳变化，而相角变化不显著。图5.15故障点A相电流正序分量幅值与相角图在向量选择器中选择故障点A相电流得负序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流得负序分量图如图5.16所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，故障点A相电流负序分量的幅值突变后稳定在10A左右；相角周期变化。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流的负序分量发生变化，故障点A相电流负序分量的幅值突变后，从10A振荡上升；相角周期性变化。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流负序分量的幅值突变后，在40A平稳变化，而相角周期变化。图5.16故障点A相电流负序分量幅值与相角图在向量选择器中选择故障点A相电流得零序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流得零序分量图如图5.17所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，故障点A相电流零序分量的幅值变化的数量级很小；相角为0。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流的零序分量发生变化，故障点A相电流负序分量的幅值变化很小；相角为0。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流零序分量的幅值变化很小，而相角为0。图5.17故障点A相电流零序分量幅值与相角图选择故障点A相电流正序、负序和零序分量作为测量电气量，激活仿真按钮，则故障点A相电流正序、负序和零序分量波形图如图5.18所示。图5.18故障点A相电流正序、负序和零序分量幅值与相角图同步电机相间短路将三相电路故障发生器中的故障相选择B相C相故障选择。设置完电路图和仿真参数后，下面进行电路仿真。激活仿真按钮，查看仿真波形图。故障点电流波形图在向量选择器中选择故障点A相、B相和C相电流作为测量电气量，激活仿真按钮，则故障点A相、B相和C相电流波形图如图5.19所示。由图形得出以下结论:在稳态时，故障点A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流为正弦变化，幅值为1000A。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，A相为非故障相，电流不变。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流恢复稳态运行。在稳态时,故降点B相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流为正弦变化，幅值为1000A。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，故障点B相电流发生变化，故障点B相电流波形幅值增大，最大幅值为-1800A左右，然后逐步上移。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点B相电流恢复稳态运行。在稳态时，故障点C相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流正弦变化，幅值为1000A。在O.O5s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，故障点C相电流发生变化，故障点C相电流波形上移，最大幅值为1300A左右，然后逐步下移。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点C相电流恢复稳态运行。图5.19故障点A相、B相和C相电流波形图故障点电压波形图在向量选择器中选择故障点A相、B相和C相电压作为测量电气量，激活仿真按钮，则故障点A相、B相和C相电压波形图如图5.20所示。由图形得出以下结论:在稳态时，故障点A相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压为正弦变化，幅值为80000V。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，A相为非故障相，电压不变。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电压恢复稳态运行。在稳态时,故降点B相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压为正弦变化，幅值为80000V。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，故障点B相电压发生变化，故障点B相电压波形幅值减小，大约40000V，正弦变化。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点B相电压恢复稳态运行。在稳态时，故障点C相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压正弦变化，幅值为80000V。在O.O5s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，故障点C相电压发生变化，故障点C相电压波形复制减小，为40000V。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点C相电压恢复稳态运行。图5.20故障点A相、B相和C相电流波形图故障点A相电流序分量图在向量选择器中选择故障点A相电流得正序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流得正序分量图如图5.21所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，故障点A相电流正序分量的幅值从0上升为为1000A；相角平稳变化。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，故障点A相电流的正序分量稳定在1000A不变；相角在之间线性变化。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流正序分量的幅值基本无变化，而相角变化不显著。图5.21故障点A相电流得正序分量幅值与相角图在向量选择器中选择故障点A相电流得负序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流得负序分量图如图5.22所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，故障点A相电流负序分量的幅值突变后稳定在10A左右；相角周期变化。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，故障点A相电流的负序分量发生变化，故障点A相电流负序分量的幅值突变后，在400A出振荡变化；相角在之间线性变化。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流负序分量的幅值突变后，在10A平稳变化，而相角周期变化。图5.22故障点A相电流负序分量的幅值与相角在向量选择器中选择故障点A相电流得零序分量作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流得零序分量图如图5.23所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，故障点A相电流零序分量的幅值变化的数量级很小；相角为0。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生两相短路，故障点A相电流的零序分量发生变化，故障点A相电流零序分量的幅值变化很小；相角0。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障。此时故障点A相电流零序分量的幅值变化很小，而相角为0。图5.23故障点A相电流零序分量的幅值与相角图选择故障点A相电流