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文档简介
1、MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真实验报告名称:* * * * * *专业:电气工程和自动化类别:* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *学号:* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *实验无限大功率电源系统三相短路仿真1.1构建无限大功率电源系统仿真模型运行MATLAB软件,然后单击“构建Simulink型号”以根据回路原理图添加以下模块:(1)无限大功率电源模块(Three-phase source)(2)三相并行RLC负载模块(三相并行RLC负载模块)(3)
2、三相系列RLC分支模块(Three-Phase Series RLC Branch)(4)三相双绕组变压器模块(two windings)(5)三相电压电流测量模块(Three-Phase V-I Measurement)(6)三相故障设置模块(Three-Phase Fault)(7)示波器模块(8)电源系统图形用户界面(Powergui)按回路原理图连接回路时,仿真图如下所示:1.2设置无限大功率电源系统仿真参数1.2.1电源模块三相电压设置110kV,相角0,频率50Hz,中性点接地的y连接方式,电源电阻0.00529,电源电感0。h,参数设置如下图所示。1.2.2变压器模块变压器模块参
3、数包括公称或值设置、电源20MVA、频率50Hz、y连接一次测量、电压110kV、y连接二次侧电压11kV、标记或值转换后绕组电阻0.0033、绕组漏电电感0.052、励磁电阻909.09、励磁电感106.31.2.3输电线路模块根据给定的参数,按如下方式计算传输线参数:电阻8.5 ,电感0.064L,参数设置为:1.2.4三相电压和电流测量模块该模块将从低压侧测量的电压、电流信号转换为用作电压、变压器的Simulink信号,选择“Use a label(使用标签)”,设置电压标签“Vabc”、电流标签“Iabc”,参数如下图所示进行设置1.2.5故障设置模块如果选择了错误拓扑a、b、c,设置
4、了短路电阻0.00001,0.02s设置-0.2s中出现短路故障,则将参数设置为如下图所示。1.2.6示波器模块要获得仿真结果的准确数字,可以设置示波器模块的数据历史记录列,如下图所示。1.3无限大功率电源系统仿真结果与分析得到上述电力系统参数后,首先可以在变压器低压母线上发生三相短路故障时计算短路电流周期组件振幅和冲击电流的大小,如果短路电流周期组件振幅为Im=10.63kA,时间常数Ta=0.0211s,则短路冲击电流为Iim=17.3kA。打开用于通过“模型窗口”菜单上的“simulation-configuration parameters”命令设定仿真参数的对话框,然后选择可变步长的
5、ode23t算法。模拟开始时间为0s,结束时间为0.2s,其他参数使用预设设定。将三相故障模块设置为0.02s将导致变压器低压母线上的三相短路故障。运行仿真,获得变压器低压侧的三相短路电流波形,如下图所示。如图所示,短路电流周期组件的振幅为10.64kA,冲击电流为17.39kA,这与理论计算有差异,因为电源模块的内部电阻设置不同。实验2同步发电机突然短路的瞬态过程仿真2.1发电机末端突然发生三相短路的Simulink仿真模型构建根据给定的引擎参数添加以下模块:(1) p.u .标准同步发电机模块(2)常数模块(3)电压测量模块(Voltage Measurement)(4)放大器模块(Gai
6、n)(5)信号选择模块“选择其他模块”将像以前一样创建Simulink仿真模型,如下图所示。2.2发电机末端突然发生三相短路的Simulink仿真参数设置2.2.1同步发电机模块同步发电机电源设置200MVA,电压13.8kV,频率50Hz,电抗设置图,d轴时间常数选择“短电路”,q轴时间常数选择“开电路”。固定阻力(p.u.)0.005、惯性系数3.2、摩擦系数0、极对数32、初始条件列由电源GUI模块自动设置。参数设置如下图所示。2.2.2变压器模块电源210MVA,频率50Hz,接线方式yD1,二次中性点接地,绕组参数:一次侧电压13.8kV,二次侧电压230kV,电阻0.0027,电感
7、0.08,励磁电阻500,励磁电感500。参数设置如下图所示。2.2.3 Powergui模块初始化设置双击Powergui模块以打开“功率流计算”和“初始化马达”窗口,并将同步发电机设置为平衡节点“Swing bus”。初始化后,连接到同步发电机模块输入端口的两个常量模块Pm和Vf以及同步发电机模块的“Init .Cond”将自动设置。数据如下图所示。2.3发电机末端突然三相短路的Simulink仿真结果与分析选择Ode15算法,模拟结束时间为1s。出现故障的模块设置0.025s-1s上出现三相短路故障。开始模拟,发电机末端突然发生三相短路后,三相定子电流波形如下图所示。其中a相定子电流的冲
8、击电流标准或值为9.1048,理论计算值有0.95%的误差。短路后定子电流的d轴和q轴分量Id、Iq和励磁电流If的模拟波形如下图所示。0.02025s现在发生BC两相段落错误。发电机末端突然发生两相短路后,三相定子电流模拟波形如下图所示模拟。实验三小电流接地系统单相故障3.1小电流接地系统仿真模型的建立3.1.1中性非接地系统的仿真模型和计算使用Simulink构建10kV中性非接地系统仿真模型,并添加以下模块:(1)Three-Phase PI Section Line(2)信号接收模块(From)(3)信号输出模块(Demux)(4)输入加法器模块(Sum)(5)三相序列元件模组(dis
9、crete 3-phase sequence analyzer)(6)万用表模块中性点不接地系统仿真模型如下图所示建立。每个模块参数设置如下:(1)三相电源模块:电压10.5kV,配线y连接,其他参数设置与实验相同。(2)传输线模块Line1至Line4:线路长度分别为130km、175km、1km、150km,其他参数设置相同。下图显示了Line1参数的设置。(3)电路负载模组:Load1至Load3分别设定1MW、0.2MW和2MW的作用中负载,其他参数相同。Load4设定为纯电阻负载,作用中负载为1MW。下图分别为Load1、Load4参数设定。(4)三相电压电流测量模块:选择“使用标签
10、”以按回路设置标签序列号。下图显示了回路1测量模块的参数设置。(5)故障模块设置:选择第三条引出线1km(即Line3和Line4之间)处的a相金属单相接地。缺陷模块的参数设置如下图所示。系统的零序电压3U0和每条线路开始处的零序电流3I0通过以下图连接来测量。故障点的接地电流Id可以通过以下图表测量。根据上面设置的参数,当系统在第三个引出线路1km(即线路3和线路4之间)上发生a相金属单相接地时,各线路起点的零序电流的有效值为线路1: 5.75a、线路2: 13.5a、接收位置的电流为20.18A。3.1.2中性消弧线圈接地系统的仿真模型和计算基于上述实验,电感线圈添加到电源中性点,其他参数
11、保持不变。仿真模型如下图所示。根据线路参数,要使接地点电流接近0,计算所需的补偿电感必须为L=0.9566H,由于完全补偿存在串联谐振过电压问题,实际工程一般使用补偿方法获得10%时,消弧线圈电感计算为L=0.8697H。消弧线圈参数设定如下图所示。3.2小电流接地系统仿真结果与分析在开始模拟之前,选择0.2s的模拟结束时间、使用1 X10-5s的电源GUI模块设置离散式,以及0.04s的系统a相金属单相接地。3.2.1中性点不接地系统仿真结果分析如下图所示,设置参数,运行10kV中性点非接地仿真模型,获得系统3相对电压和线路电压的波形。如图所示,在系统于0.04s发生a相金属单相接地后,a相
12、对电压为零,BC相对电压增加了一倍,但导线电压仍然保持对称,对负载没有影响。系统的零序电压3U0和线路起点的零序电流3I0,故障点的接地电流Id波形如下图所示。使用有效接地电流Id(例如,第1行:5.83A、第2行:7.99A、第3行:13.86A、Id=20.64a)在每个模拟行的开始处生成0序列电流。仿真结果比理论计算值稍大,但误差不大于3%。如上图所示,在中性点不接地的方式中,弱场线路的零序电流超过零序电压90。故障线路的零序电流是整个系统非恶作剧组件对接地电容电流的总和,零序电流滞后零序电压90;故障线路的零序电流和非恶作剧线路的零序电流相位差为180。故障后的零序组件也可以使用下图所
13、示的三相序列组件模块方法获得。以下图像是故障线零序电流的幅相图。在图中,如果故障线路的零序电流的振幅为I0=6.52A,则3I0的有效值为13.83A,与上图中测量为3的13.86A仅相差0.2%。3.2.2中性消弧线圈接地系统仿真结果与分析设定参数,运行10kv中性点消弧线圈接地系统仿真模型,获得系统3相对电压和线路电压的波形和非接地系统仿真图。系统的零序电压3U0和线路起点的零序电流3I0,消弧线圈电流IL,故障点的接地电流Id波形如下图所示。如上图所示,单相接地故障的瞬态过程结束后,故障点的接地电流Id的有效值远小于中性点不接地系统的接地电流的2.9A,因此补偿效果明显。对于弱长线,零序
14、电流仍然是自身的电容器电流,零序电流超过零序电压90,电容电流的实际方向是从与中性点非接地系统相同的母线流向线路的电流。但是,对于有缺陷的电路,零序电流大于其本身的电容电流,电容电流的实际方向也由总线流向电路。因此,在这种情况下,由于电流方向的差异无法判断故障线,也很难通过零序电流的大小找到故障线。实验Simulink在变压器微机继电保护中的应用实例4.1变压器仿真模型的建立根据双绕组变压器的简单电力系统接线图,使用Simulink绘制仿真电路图,如下所示:(1)电源模块:电源EM和电源EN电位相位差10,其他设置相同,下图显示了电源EN参数设置:(2)变压器模块:为了选择饱和核心并简化模拟,
15、变压器两侧的绕组线相同,电压额定值相同,参数设置如下图所示。(3)三相电压电流测量模块UM,UN将变压器两侧测量的电压、电流信号转换为用作电压、电流互感器的Simulink信号。UM模块的参数设置如下图所示,UN模块参数设置与此类似,不同之处在于输出信号分别为“Vabc_N”、“Iabc_N”。(4)三相断路器模块QF1和QF2分别用于控制变压器输入,故障模块Fault1和Fault2用于模拟变压器保护区内故障和区域外故障。空载合闸中4.2变压器励磁涌流的仿真设定三相断路器模组QF1的切换时间为0s,模拟时间为0.5s,模拟演算法为Ode23t。三相断路器模块QF2、故障模块Fault1和Fa
16、ult2在仿真中不起作用(设置为切换时间比仿真时间长)。为了观察涌流,将示波器模块添加到模拟中,参数如下图所示设置。运行仿真,以空载合闸获得的三相涌流的波形如下图所示。通过Powergui模块的FFT Analysis谐波分析励磁涌流波形,如下图所示。为了比较闭路励磁涌流和短路电流的大小,设置了故障模块Fault1,运行了模拟,在0.25-0.45s之间电路为三相短路,在此模拟中,a相空载合闸的励磁涌流略小于短路电流,而b,c相空载合闸的励磁涌流比短路电流大,如下图所示。将变压器的二次绕组变更为D11布线后,电源EM的a相初始相位仍设定为0,执行模拟以取得由空载合闸引起的三相励磁涌流的波形,如下图所示。4.3变压器保护区内外故障率制动仿真添加运算和示波器模块,以模拟变压器保护区内外故障时电流的比例制动差动保护,如下
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