基于Matlab的小型电力系统的建模与仿真实验1

基于Matlab的小型电力系统的建模与仿真

一、实验目的

电力系统的动态仿真研究将不能在实验室中进行的电力系统运行模拟得以实现。在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济的。本实验目的是通过MATLAB的simulink环境对一个典型的工厂供电系统进行仿真，以熟悉供电系统在发生各种短路故障时的分析方法并与课堂知识进行对比学习。 二、预习与思考

1、建立仿真模型，对不同短路形式进行仿真，截取仿真结果图，补充报告中每个仿真图形的名称。

2 数值仿真实验结果与课堂推导结果有什么区别与联系？ 3 典型的短路形式包括几种？

4 根据仿真结果，说明短路时零序电流存在的必要条件？ 三、MATLAB PSB简介

Matlab PSB(Sim Power Systems)以simulink为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电气学科中常用的基本元件和系统仿真模型，它主要由6个子模块库组成。

(1)电源模块库:包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源、可控电流源、三相电源、三相可编程电压源;

(2)基本元件模块库:串联(并联)RLC/负载/支路、变压器(单相、三相等)、断路器和三相故障部分;

(3)电力电子模块库:二极管、晶闸管、GTO、IGBT、MOSFET、理想开关以及各种电力电子控制模块;

(4)电机模块库:励磁装置、异步电动机、同步电动机、直流电动机以及配套的电机测量部件;

(5)测量仪器库:电流测量和电压测量等;

通过以上模块可以完成.各种基本的电力电子电路、电力系统电路和电气传动电路，还可以通过其他模块的配合完成更高层次的建模，如风力发电系统、机器人控制系统等等。

四、仿真模型的设计和实现

在三相电力系统中，大多数故障都是由于短路故障引起的，在发生短路故障的情况下，电力系统从一种状态剧烈变化到另一种状态，并伴随着复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路有:三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。下图为理想情况下小型电力系统的模型。

模型中主要模块的选择和参数:

（1)电源模块:理想三相电压源元件(3-Phase Source)， 相电压有效值:25e3V; A相相角:0°; 频率:60Hz;

内部连接方式:Y型(表示三相电源Y型连接，中性点不接地); 三相电源电阻:0.321Ω; 三相电源电感:6.63e-3H;

(2)输电线路模块:输电线路元件(Distribute Parameters Line) Line1、Line2, 线路相数:3; 频率:60Hz;

单位长度电阻:[0.01273 0.3864];

单位长度电感:[0.9377e-3 4.1264e-3]; 单位长度电容:[12.74e-9 7.751e-9]; 线路长度:100km;

测量:选择不测量电气量;

(3)故障模块:三相电路短路故障发生器元件(3-Phase Fault) 故障点电阻:0.001Ω; 故障点接地电阻:0.001Ω; 转换状态:[l 0]; 转换时间[0.01 0.04]; 内部计时器的采样时问:0; 缓冲电阻:le6: 缓冲电容:inf

测量:选择测量故障点支路电压和支路电流;

(4)显示模块:从SIMULINIK元件库的SINKS目录下选择示波器(SCOPE)分别改名为，V-I:用于电压源出口处三相电流和电压的显示，输入轴为2; Vf-If:用于故障点三相电流和电压的显示。输入轴为1;

A-Phase Sequence:用于故障点A相电流和电庄的正序、负序和零序显示，输入轴为2:

(5)测量模块:从电路测量元件库种选择万用表元件(MULTTMETER)和三相序分量分析(3-Phase Sequence Analyaer)，

万用表元件:将相应待测量加入万用表的测量选项中:

三相序分量分析：基频频率:60Hz；谐波次数:1(基频);序量选择:所有序分量（Positive，Negative and Zero）;

(6)其他模块:相应的接地儿件、节点等，以及电力系统分析’I_具。

(7)仿真参数设置:当电路图设计完成后，对其进行仿真，以观察短路接地电路中暂态变化情况，

开始时间:0s;

停止时间：0.06s;

求解程序类型选项:可变步长, ode15s(stiff/NDF); 最大步长、最小步长、初始步长: auto; 相对容差:1e-3; 绝对容差:auto。

五、仿真结果及波形分析

(1)三相短路:

将三相电路短路故障发生器中的故障相修改为三相故障都选择，并选择故障相接地选项，万用表中选择A相、B相和C相电流作为测量电气量，激活仿真按钮。仿真波形如下图:( 图中，A相电流—黄色、B相电流—粉色、C相电流—蓝色;横坐标表示时间(单位s);纵坐标表示电流(单位A),所有图都是相同表示。

由图2可以得出以下结论:在稳态时，故障相各相电流由于三相故障发生器处于断开状态，因而值都为0。在0.01时，三相短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点各相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而故障点各相电流波形上升或者下降。在0.04s后，由于三相短路故障发生器再次断开，相当于故障排除，此时故障点各相电流迅速下降为0。

由图3可得:在稳态时，故障点三相电压由于三相短路故障发生器处于断开状态，因而三相电压实际上是加载在输电线Line2上的电压。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点三相电压由于发生三相接地短路，因而电压均为0V。在0.04s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时三相电压实际上是加载在输电线Line2上的电压，发生暂态波动。

使用向量选择器选择故障点A相电流正序分量作为测量电气量，由图4可得:在稳态时，故障点A相电流正序分量由于三相电流短路故障发生器处于断开状态，因而幅值为0相角为0。在0.01s时，三相电流短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流正序分量发生变化，幅值迅速上升，相角下降，至人于-90°时稳定。在0.04s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下降，至0.065时幅值为0，故障点A相电流正序分量的相角继续下降，至0.06s时降为大约-180°。还可以通过向量选择器分别选择A相电流负序分量和零序分量进行分析。

(2)单相接地

在仿真电路中，将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”选择A相故障，并选择故障相接地;在万用表中选择A相、B相和C相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，各相电流波形如下:

由图5可得:当输电线路发生A相接地短路时，B相、C相电流没有变化，始终为0，对于故障相A相的电流:在稳态时，故障点A相由于二相短路故障发生器处于断开状态，因而电流为0。在0.01s时，三相短路故障发生器闭合，此时电路发生A相接地短路，A相短路电流波形发生了尖锐的抖动，大体上仍然呈现正弦规律变化。在0.04s后，三相短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时A相电流变化为0。

由图6可得:在稳态时，故障点A相电压由于短路故障发生器处于断开状态，因而三相电压实际上是加载在输电线Line2上的电压。在0.01时，电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A相短路，故障点A相电压由于发生单相接地短路，因而电压变为0V，而B相和C相发生波动，但仍然能见到正弦规律变化。在0.04s时，电路短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时三相电压实际上是加载在输电线Line2的电压，发生暂态波动。 六、结论

通过在MATLAB仿真平台上构建小型电力系统输电线路模型，并进行仿真和分析，更加深入的了解了工厂供电和电.力系统的内容，主要为故障处理(三相短路、单相接地短路)，并熟悉了MATLAB PSB的模型设计、参数选择等，从而深刻的感受到MATLAB是进行电力系统建模仿真和系统分析的一个实用工具，并可以代替一些电力系统专用的仿真软件，以及用于一些实验和设计之中，为电力系统方面的学习提供了一条实践与理论相结合的一方式。 七、扩展文献阅读

[1]吴天明，等.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社，2004

[2]刘介才,工厂供电[M].北京:机械工业出版社，2004

[3]袁军等，等，基于MATLAB的电力输电线路短路分析.科学技术与工程，2008

[4]刘军.MATLAB/Simulink在《工厂供电》中的应用，电力学报，2009

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