基于MATLAB的电力系统仿真

《电力系统设计》报告

题 目: 基于MATLAB的电力系统仿

学 院： 电子信息与电气工程学院 班 级: 13级电气 1 班 姓 名: 田震 学 号: 20131090124

日 期：2015年12月6日

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，电力系统在人们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着人们的日常生活。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，从而有效的了解电力系统概况。本文根据电力系统的特点，利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了无穷大电源的系统仿真模型，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MATLAB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；三相短路；故障分析；MATLAB仿真

目录

一．前言 ................................................................................................................................... 4 二． 无穷大功率电源供电系统仿真模型构建 ..................................................................... 5 1.总电路图的设计 .................................................................................................................... 5 2.各个元件的参数设定 ............................................................................................................ 6

2.1供电模块的参数设定 ................................................................................................. 6 2.2变压器模块的参数设置 ............................................................................................ 6 2.3输电线路模块的参数设置 ........................................................................................ 7 2.4三相电压电流测量模块 ............................................................................................ 8 2.5三相线路故障模块参数设置 ..................................................................................... 8 2.6三相并联RLC负荷模块参数设置 ........................................................................... 9 3.仿真结果 ................................................................................................................................ 9

一．前言：电力系统故障分析主要是研究电力系统中由于故障所引起的电磁

暂态过程，搞清楚暂态发生的原因、发展过程及后果，从而为防止电力系统故障、减小故障损失提供必要的理论知识。

电力系统可能发生的故障类别比较多，一般可分为简单故障和复合故障。简单故障指的是电力系统正常运行时某一处发生短路或断相故障，而复合故障则是指两个或两个以上简单故障组合。

在这些故障中，三相短路故障是电力系统中危害最严重的故障。本次通过对无穷大功率电源供电系统三相短路仿真，来简要的介绍下MATLAB在电力系统故障分析中的应用。

短路问题是电力技术方面的基本问题之一。在发电厂、变电站以及整个电力系统的设计和运行工作中，都必须事先进行短路计算和仿真，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、在电力系统中合理地配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。为此，掌握短路发生以后的物理过程以及对短路过程的仿真计算方法是非常必要的。

二． 无穷大功率电源供电系统仿真模型构建 1.总电路图的设计

设线路参数为L=50Km，量

x1?0.4?Km，r1?0.17?Km；变压器的额定容

Us00?10.5，短路损耗?PS?135kW,空载损耗

Sn?20MVA,短路电压

?P0?22kW，空载电流IO00?0.8,变比kT?11011,高低压绕组均为Y形联

接；并设供电点电压为110kV。其对应的Simulink仿真模型如下：

图1 无穷大功率电源供电系统的Simulink仿真图

表1 仿真电路中各模块名称及提取路径

模块名 无穷大功率电源10000MV/A，110kV Source 三相并联RLC负荷模块5MW 串联RLC支路Three-PhaseSeries RLC Branch 双绕组变压器模块Three-PhaseTransformer 三相故障模块 Three-Phase Fault 三相电压电流测量模块 Three-Phase Fault 示波器模块 Scope 电力系统图形用户截面 Powergui 提取路径 SimPowerSystems/Eletrical Sources SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/Measurements Simulink/Sinks SimPowerSystems

2.各个元件的参数设定 2.1供电模块的参数设定

图 2

供

图2 供电模块的参数设置

2.2变压器模块的参数设置

变压器T采用标幺值，则在Simulink的三相变压器模型中，一次、二次绕组漏感和电阻的标幺值以额定功率和一次、二次侧各自的额定线电压为基准值，励磁电阻和励磁电感以额定功率和一次侧额定线电压为基准值。 则一次侧的基准值为

R1?base?2U11102N???605? 20SN

L1?base2U11102N????1.927?

20?2?3.14?50SN?2?f

二次侧的基准值为

R2?base?U21122N???6.05? 20SN

L2?baseU21122N????0.01927? 20?2?3.14?50SN?2?f

因此，一次绕组漏感和电阻的标幺值为

R1??0.5?RTR1?base0.5?4.08??0.0033

605L1??0.5?RTL1?base0.5?0.202??0.052

1.927 同理，

R2??0.0033，L2??0.052,Rm??909.09，Lm??106.3,则变压

器模块的参数设置如下图3所示：

图3 采用标幺值时变压器模块的参数设置

2.3输电线路模块的参数设置

输电线路L采用“Three-Phase Series RLC Branch”模型。根据给定的参数计算可得：

RL?r1?l?0.17?50??8.5? XL?X1?l?0.4?50??20?，

LL

20?XL2?f???0.064? 输电线路模块的参数设置如下图4所示： 2?3.14?50图4 输电线路模块的参数设置

2.4三相电压电流测量模块

三相电压电流测量模块“Three-PhaseV-1 Measurement”将在变压器低压侧测量到的电压、电流信号转变成Simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用，其参数设置如下图5所示。

图5 三相电压电流测量模块

2.5三相线路故障模块参数设置

仿真时，故障点的故障类型等参数采用三相线路故障模块“Three-Phase Fault”来设置，如图6所示。该模块参数区域中的主要选项说明如下：

1）Phase A Fault、Phase B Fault和Phase C Fault用来选择短路故障相。 2）Fault resistaances 用来设置短路点的电阻，此值不能为零。 3）Ground Fault 选项用来选择短路故障是否为短路接地故障。

4）Ground resistances 当故障类型是短路接地故障时显示该项，用来设置接地故障时的 大地电阻。

5）External control of fault timing可以添加控制信号来控制该模块故障的启动和停止。 6）Transition status和Transition times用来设置转换状态和转换时间；其中，Transition status表示故障开关的状态，通常用“1”表示闭合，“0”表示断开；Transition times表示故障开关的动作时间；并且每个选项都有两个数值，而且它们是一一对应的。

7）Snubbers resistance和snubbers Capacitance用来设置并联缓冲电路中的过渡电阻和过渡电容。

8）Measurements 用来选择测量量。

6

图6 三相线路故障模块参数设置

2.6三相并联RLC负荷模块参数设置

图7 三相并联RLC负荷模块参数设置

3.仿真结果

图中，黄色线电流数据，代表了“A”相闭合，“B、C”相断开； 蓝色线电流数据，代表了“B”相闭合，“A、C”相断开； 紫丝线电流数据，代表了“C”相闭合，“A、B”相断开。

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