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基于MATLAB的电力系统仿真14653.doc
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基于 MATLAB 的电力系统仿真
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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;三相短路;故障分析;matlab 仿真
Electric Power System Simulation Base on MATLAB
Abstract: 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 the 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—centered 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 system 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 impossioble to take a direct
This paper base on the characteristics of the power system, using the software MATAB
simulink built with generators,transformers,power line,such as the infinite power system
simulation model, and has a simulation result of three—phase short—circuit fault which
happen in the main power—supply line and the fault automatic tripping isolation by the
基于 MATLAB 的电力系统仿真
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three—phase fault, and analysis of this transient 。 The simulation results show MATLAB
power system toolbox of the power system is an effective tool.
Keywords: Power system ;Three-phase short-circuit ;Fault analysis ;MATLAB
simulation
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,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 500kV
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 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
基于 MATLAB 的电力系统仿真
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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,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。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
基于 MATLAB 的电力系统仿真
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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。 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,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:①发电
机参数恒定;②磁饱和、磁滞、涡流影响忽略不计;③定子三相对称;④忽略磁场高次谐
波;⑤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:
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:
其中:
d、q-—表示直轴和交轴分量;
R、s——表示转子和定子分量;
l、m-—表示漏抗和激磁电抗;
f、k-—励磁绕组分量、阻尼绕组分量;
——表示轴定子绕组、轴定子绕组;
—— 表示励磁绕组的磁链。
机械部分表达式如下:
其中
——相对额定运行点的速度变化;
——转动惯量;
——机械转矩;
—-电磁转矩;
——阻尼系数;
—-转子机械角;
—-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:
①与短路前一样的稳态运行状态;②突然在电机端头上加上与突然短路前的端电压大小
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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:
其中
——d、q 轴同步电抗;
——同步发电机的功角;
-—纵轴超瞬变电流衰减的时间常数;
-—纵轴瞬变电流衰减的时间常数;
——定子非周期电流衰减的时间常数;
-—同步发电机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:①原来稳态三相对称运行时的转子电流。②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:
① 当转子上没有阻尼绕组时,则:
②当转子上有阻尼绕组时,则:
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:
其中
——d、q 轴电枢反应电抗;
—-励磁绕组电阻;
——励磁绕组电抗;
--d、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
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