電力系統(tǒng)仿真課程設(shè)計

1、 山東交通學院 電力系統(tǒng)自動化 課程設(shè)計報告書 院(部)別 信息科學與電氣工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學 號 姓 名 指導教師 時 間 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書題 目 電力系統(tǒng)仿真課程設(shè)計 學 院 信息科學與電氣工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學生姓名 學 號 12 月 15 日至 12 月 26 日 共 2 周指導教師(簽字) 院長(主任)(簽字) 2014 年 12 月 26 日一、設(shè)計內(nèi)容及要求1、根據(jù)發(fā)電機自動準同期并入電網(wǎng)所需的條件，使用Matlab對不同條件下的并網(wǎng)過程進行仿真分析。2、電力系統(tǒng)對稱短路故障的計算機程序設(shè)計、編制和調(diào)試，要求程序具有

2、通用性，并給出一個實例。3、電力系統(tǒng)不對稱短路故障的計算機程序設(shè)計、編制和調(diào)試，要求程序具有通用性，并給出一個實例。4、電力系統(tǒng)多臺機組并聯(lián)運行中有功功率的分配方法及低頻減載方案的選擇，并完成仿真。以上題目任選其一，分組進行。二、設(shè)計原始資料 第2、3題所需的實例可以在參考書中查找，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不能隨意設(shè)定，需按原圖進行仿真計算，以防出現(xiàn)計算不收斂的情況。三、設(shè)計完成后提交的文件和圖表1計算說明書部分仿真結(jié)果及設(shè)計說明書（論文）2圖紙部分：仿真電路程序和仿真結(jié)果等以圖片的形式附在設(shè)計報告中。四、進程安排第一周：第一天上午：選題，查資料；第一天下午：制定設(shè)計方案；第二第五天：搭建仿真模型，完成仿真部

3、分；第二周：第一四天：對仿真結(jié)果進行分析，完善設(shè)計方案，并完成設(shè)計報告；第五天：答辯，交設(shè)計報告。五、主要參考資料電力系統(tǒng)分析 （第三版），于永源、楊綺雯主編，中國電力出版社，2007年；電力系統(tǒng)自動化（第三版），王葵、孫瑩編著，中國電力出版社，2007年；電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析，陳珩 主編，中國電力出版社，2007年；電力系統(tǒng)暫態(tài)分析，李光琦 主編，中國電力出版社，2007年。說明：本任務(wù)書一式二份，院(部、系)、教務(wù)處各一份。目錄一、緒論11.1概述11.2 短路的危害及防范措施2二、電力系統(tǒng)短路故障分析42.1 短路故障分析的內(nèi)容和目的42.2 無窮大供電功率電源三相短路介紹42.3 對稱短路

4、實例5三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析73.1 電力系統(tǒng)仿真模型73.2 仿真模型模塊選擇及參數(shù)設(shè)置83.3仿真結(jié)果與分析10四、結(jié)論12五、心得體會13六、參考文獻13摘要：二十一世紀的到來將把信息技術(shù)水平的發(fā)展帶入一個全新的階段，就目前而言，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)在各領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用， 在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、運行、分析、改造及人員培訓的各個階段,仿真技術(shù)都可以發(fā)揮重要作用。發(fā)動機并網(wǎng)是電力系統(tǒng)中常見而重要的一項操作,不恰當?shù)牟⒘胁僮鲗е聡乐氐暮蠊?。因?對同步發(fā)電機的并列操作進行研究,提高并列操作的準確度和可靠性,對于系統(tǒng)的可靠運行具有很大的現(xiàn)實意義。 MATLAB是高性能數(shù)值計算和

5、可視化軟件產(chǎn)品。它由主包、Simulink 及功能各異的工具箱組成。從版本5.2開始增加了一個專用于電力系統(tǒng)分析的PSB（電力系統(tǒng)模塊,Power system blockset ）。PSB中主要有同步機、異步機、變壓器、直流機、特殊電機的線性和非線性、有名的和標么值系統(tǒng)的、不同仿真精度的設(shè)備模型庫單相三相的分布和集中參數(shù)的傳輸線單相、三相斷路器及各種電力系統(tǒng)的負荷模型、電力半導體器件庫以及控制和測量環(huán)節(jié)。再借助其他模塊庫或工具箱,在Simulink環(huán)境下,可以進行電力系統(tǒng)的仿真計算,并可方便地對各種波形進行圖形顯示。本文以一單機-無窮大系統(tǒng)為模型,在環(huán)境下使用GUSimulink、m語言等創(chuàng)

6、建一發(fā)電機并網(wǎng)過程分析與仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對多種情況下的發(fā)電機并網(wǎng)過程進行仿真分析,并將仿真結(jié)果顯示于GUI界面。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；仿真；短路故障；Matlab一、緒論1.1概述在電力系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相短路接地、單相接地短路。三相短路也稱為對稱短路，系統(tǒng)各項與正常運行時一樣仍處于對稱狀態(tài)。三相短路電流計算是電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、運行中必須進行的計算分析工作。目前，三相短路電流超標問題已成為困擾國內(nèi)許多電網(wǎng)運行的關(guān)鍵問題。然而，在進行三相短路電流計算時，各設(shè)計、運行和研究部門采用的計算方法各不相同，這就有可能造成短路電流計算結(jié)論的差異和短路電流超標判斷的差異，以及

7、短路電流限制措施的不同。為了保證電力系統(tǒng)運行的功能和質(zhì)量，在設(shè)計、分析和研究時必須保證系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性。由于在實際系統(tǒng)上進行試驗和研究比較困難，因此借助各種電力系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件電力系統(tǒng)的設(shè)計和研究已成為有效途徑之一。本次課程設(shè)計研究的是三相對稱短路，根據(jù)給定的系統(tǒng)圖及各個元件參數(shù)，計算短路點的電壓和電流。然后依次計算其他各節(jié)點的電壓和電流。畫出系統(tǒng)的等效電路圖，根據(jù)此等效電路圖分別計算各個支路的短路點呀和電流。忽略對地支路，重新計算各短路點的短路電壓和電流，其他各個節(jié)點及支路的電壓和電流。在系統(tǒng)正常運行方式下，對各種不同時刻三相短路進行Matlab仿真，最后將短路運行計算結(jié)果與各時刻短路的

8、仿真結(jié)果進行分析比較。1.2 短路產(chǎn)生的原因及危害1短路產(chǎn)生的原因有很多，主要有以下幾個方面：(1)電氣設(shè)備、元件的損壞。如：設(shè)備絕緣部分自然老化或設(shè)備本身有缺陷，正常運行時被擊穿短路；以及設(shè)計、安裝、維護不當所造成的設(shè)備缺陷最終發(fā)展成短路等。 (2)自然的原因。如：氣候惡劣，由于大風、低溫導線覆冰引起架空線倒桿斷線；因遭受直擊雷或雷電感應(yīng)，設(shè)備過電壓，絕緣被擊穿等。 (3)人為事故。如：工作人員違反操作規(guī)程帶負荷拉閘，造成相間弧光短路；違反電業(yè)安全工作規(guī)程帶接地刀閘合閘，造成金屑性短路，人為疏忽接錯線造成短路等等。2短路的危害及防范措施 電力系統(tǒng)在運行中相與相之間或相與地

9、(或中性線)之間發(fā)生非正常連接(短路)時流過的電流稱為短路電流。在三相系統(tǒng)中發(fā)生短路的基本類型有三相短路、兩相短路、單相對地短路和兩相對地短路。三相短路因短路時的三相回路依舊是對稱的，故稱為對稱短路；其他幾種短路均使三相電路不對稱，故稱為不對稱短路。在中性點直接接地的電網(wǎng)中，以一相對地的短路故障為最多，約占全部短路故障的90。在中性點非直接接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，短路故障主要是各種相間短路。發(fā)生短路時，由于電源供電回路阻抗的減小以及忽然短路時的暫態(tài)過程，使短路回路中的電流大大增加，可能超過回路的額定電流許多倍。短路電流的大小取決于短路點距電源的電氣距離，例如，在發(fā)電機端發(fā)生短路時，流過發(fā)電機的短路電

10、流最大瞬時值可達發(fā)電機額定電流的1015倍，在大容量的電力系統(tǒng)中，短路電流可高達數(shù)萬安培。短路電流的危害短路電流將引起下列嚴重后果：短路電流往往會有電弧產(chǎn)生，它不僅能燒壞故障元件本身，也可能燒壞四周設(shè)備和傷害四周人員。巨大的短路電流通過導體時，一方面會使導體大量發(fā)熱，造成導體過熱甚至熔化，以及絕緣損壞；另一方面巨大的短路電流還將產(chǎn)生很大的電動力作用于導體，使導體變形或損壞。短路也同時引起系統(tǒng)電壓大幅度降低，非凡是靠近短路點處的電壓降低得更多，從而可能導致部分用戶或全部用戶的供電遭到破壞。網(wǎng)絡(luò)電壓的降低，使供電設(shè)備的正常工作受到損壞，也可能導致工廠的產(chǎn)品報廢或設(shè)備損壞，如電動機過熱受損等。電力系

11、統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時，系統(tǒng)功率分布的忽然變化和電壓的嚴重下降，可能破壞各發(fā)電廠并聯(lián)運行的穩(wěn)定性，使整個系統(tǒng)解列，這時某些發(fā)電機可能過負荷，因此，必須切除部分用戶。短路時電壓下降的愈大，持續(xù)時間愈長，破壞整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的可能性愈大。短路電流的限制措施為保證系統(tǒng)安全可靠地運行，減輕短路造成的影響，除在運行維護中應(yīng)努力設(shè)法消除可能引起短路的一切原因外，還應(yīng)盡快地切除短路故障部分，使系統(tǒng)電壓在較短的時間內(nèi)恢復(fù)到正常值。為此，可采用快速動作的繼電保護和斷路器，以及發(fā)電機裝設(shè)自動調(diào)節(jié)勵磁裝置等。此外，還應(yīng)考慮采用限制短路電流的措施，如合理選擇電氣主接線的形式或運行方式，以增大系統(tǒng)阻抗，減少短路電流值；

12、加裝限電流電抗器；采用分裂低壓繞阻變壓器等。主要措施如下：（1）做好短路電流的計算，正確選擇及校驗電氣設(shè)備，電氣設(shè)備的額定電壓要和線路的額定電壓相符。（2）正確選擇繼電保護的整定值和熔體的額定電流，采用速斷保護裝置，以便發(fā)生短路時，能快速切斷短路電流，減少短路電流持續(xù)時間，減少短路所造成的損失。（3）在變電站安裝避雷針，在變壓器四周和線路上安裝避雷器，減少雷擊損害。（4）保證架空線路施工質(zhì)量，加強線路維護，始終保持線路弧垂一致并符合規(guī)定。（5）帶電安裝和檢修電氣設(shè)備，注重力要集中，防止誤接線，誤操作，在帶電部位距離較近的部位工作，要采取防止短路的措施。（6）電力系統(tǒng)的運行、維護人員應(yīng)認真學習規(guī)

13、程，嚴格遵守規(guī)章制度，正確操作電氣設(shè)備，禁止帶負荷拉刀閘、帶電合接地刀閘。線路施工，維護人員工作完畢，應(yīng)立即拆除接地線。要經(jīng)常對線路、設(shè)備進行巡視檢查，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，迅速進行檢修。在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備和運行中，短路計算是解決一系列技術(shù)問題所不可缺少的基本計算，這些問題主要是：（1）在設(shè)計和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線時，為了比較各種不同方案的接線圖，確定是否需要采取限制短路電流的措施等，都要進行必要的短路電流計算。（2）進行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算，研究短路對用戶工作的影響等，也包含有一部分短路計算的內(nèi)容。（3）選擇有足夠機械穩(wěn)定度和熱穩(wěn)定度的電氣設(shè)備，例如斷路器、互感器、瓷瓶、母線、電纜等，必

14、須以短路計算作為依據(jù)。這里包括計算沖擊電流以校驗設(shè)備的點動力穩(wěn)定度；計算若干時刻的短路電流周期分量以校驗設(shè)備的熱穩(wěn)定度；計算指定時刻的短路電流有效值以校驗斷路器的斷流能力等。（4）為了合理地配置各種繼電保護和自動裝置并正確整定其參數(shù)，必須對電力網(wǎng)中發(fā)生的各種短路進行計算和分析。在這些計算中不但要知道故障支路中的電流值，還必須知道電流在網(wǎng)絡(luò)中的分布情況。二、電力系統(tǒng)短路故障分析2.1 短路故障分析的內(nèi)容和目的故障分析的主要內(nèi)容包括故障后電流的計算、短路容量的計算、故障后系統(tǒng)中各點電壓的計算以及其他的一些分析和計算如故障時線路電流與電壓之間的相位關(guān)系等。短路電流計算與分析的主要目的在于應(yīng)用這些計算

15、結(jié)果進行繼電保護設(shè)計和整定值計算，開關(guān)電器、串聯(lián)電抗器、母線、絕緣子等電氣設(shè)備的設(shè)計，制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析等。電力系統(tǒng)可能發(fā)生的故障類別比較多，一般分為簡單故障和復(fù)合故障。簡單故障指的是電力系統(tǒng)正常運行時某一處發(fā)生短路或斷相故障，而復(fù)合故障則是指兩個或兩個以上簡單故障的組合?？紤]到三相短路故障是電力系統(tǒng)中危害最嚴重的故障，本設(shè)計進行了無窮大功率電源供電系統(tǒng)三相短路的仿真分析。2.2 無窮大供電功率電源三相短路介紹假設(shè)電源電壓幅值和頻率均是恒定值，這種電源稱為無窮大功率電源。實際上真正的無窮大功率電源是不存在的，因而只是一個相對的概念，往往是以供電電源的內(nèi)阻抗與短路回路總阻抗的相對

16、大小來判斷能否看做無窮大功率電源。當供電電源的內(nèi)阻抗小于短路回路總阻抗的10%時，則可以認為供電電源為無窮大功率電源。在這種情況下，外電路發(fā)生短路對電源影響很小，可近似認為電源電壓幅值和頻率保持恒定。圖1 無窮大供電功率電源供電電路三相短路假設(shè)t=0s時刻，f點發(fā)生三相短路故障。此時電路被分為兩個獨立的回路。由無限大供電的三相電路，其阻抗由原來的突然減小為。由于短路后的電路仍然是三相對稱的，依據(jù)對稱關(guān)系可以得到a、b、c短路全電流的表達式 式中，為短路電流的穩(wěn)態(tài)分量的幅值。一般電力系統(tǒng)中，短路回路的感抗比電阻大得多，即，故可近似認為。因此，非周期電流有最大值的條件為：短路前電路空載（),并且短

17、路發(fā)生時，電源電勢過零。短路電流最大可能的瞬時值稱為短路電流沖擊值，以表示。沖擊電流主要用于檢驗電氣設(shè)備和載流導體在短路電流下的受力是否超過容許值，即所謂的動穩(wěn)定度。由此可得沖擊電流的計算式為，式中，稱為沖擊系數(shù)，即沖擊電流值對于短路電流周期性分量幅值的倍數(shù)；為時間常數(shù)。短路電流的最大有效值是以最大瞬時值發(fā)生的時刻（即發(fā)生短路經(jīng)歷約半個周期）為中心的短路電流有效值。在發(fā)生最大沖擊電流的情況下，有 ，短路電流的最大有效值主要用于檢驗開關(guān)電器等設(shè)備切斷短路電流的能力。2.3 對稱短路實例假設(shè)無窮大功率電源供電系統(tǒng)如圖2所示，在0.02s時刻變壓器低壓母線發(fā)生三相短路故障，計算其短路電流周期分量幅值

18、，和沖擊電流的大小，并進行仿真。線路參數(shù)為，；變壓器的額定容量，線路電壓，短路損耗，空載損耗，空載電流，變比，高低壓繞組均為Y型聯(lián)結(jié)；并設(shè)供電點電壓為。圖2 無窮大電源供電系統(tǒng)三相短路根據(jù)給定的的數(shù)據(jù)，計算折算到110kV側(cè)的參數(shù)如下：變壓器的電阻為 變壓器的電抗為則變壓器的漏感為 變壓器的勵磁電阻 變壓器的勵磁電抗為變壓器的勵磁電感為輸電線路，, 短路電流的周期分量的幅值為時間常數(shù)則短路沖擊電流為 三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析3.1 電力系統(tǒng)仿真模型（1）Matlab仿真介紹 MATLAB 產(chǎn)品家族是美國 MathWorks公司開發(fā)的用于概念設(shè)計,算法開發(fā),建模仿真,實時實現(xiàn)的

19、理想的集成環(huán)境。由于其完整的專業(yè)體系和先進的設(shè)計開發(fā)思路，使得 MATLAB 在多種領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間，特別是在 MATLAB 的主要應(yīng)用方向 科學計算、建模仿真以及信息工程系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)上已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的首選設(shè)計工具，全球現(xiàn)有超過五十萬的企業(yè)用戶和上千萬的個人用戶，廣泛的分布在航空航天，金融財務(wù)，機械化工，電信，教育等各個行業(yè)。MatLab控制系統(tǒng)仿真軟件是當今國際控制界公認的標準計算軟件，1999年MatLab5.3版問世，使MATLAB擁有更豐富的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)、更友善的面向?qū)ο?、更加快速精良的圖形可視、更廣博的數(shù)學和數(shù)據(jù)分析資源、更多的應(yīng)用開發(fā)工具。特別是SIMULINK這一個交互

20、式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境的出現(xiàn)，使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設(shè)的非線性因素、隨機因素，從而即使學生沒有對非線性動態(tài)系統(tǒng)進行分析研究的數(shù)學基礎(chǔ)，仍可通過仿真來認知非線性對系統(tǒng)動態(tài)的影響。針對上述實例建立仿真模型如圖3所示。 圖3 電力系統(tǒng)仿真模型3.2 仿真模型模塊選擇及參數(shù)設(shè)置仿真模型所使用模塊及提取路徑如表1所示。表1 仿真模型所使用模塊及提取路徑模塊名提取路徑無窮大功率電源10000 MV·A,110 kV SourceSimPowerSystems/Eletrical Sources三相并聯(lián)RLC負荷模塊5MWSimPowerSystems/Eleme

21、nts串聯(lián)RLC支路ThreePhaseParallel RLC BranchSimPowerSystems/Elements雙繞組變壓器模塊ThreePhaseTransformer (Two Windings)SimPowerSystems/Elements三相故障模塊ThreePhase FaultSimPowerSystems/Elements三相電壓電流測量模塊ThreePhaseVI MeasurementSimPowerSystems/Measurements示波器模塊ScopeSimulink/Sinks電力系統(tǒng)圖形用戶截面PowerguiSimPowerSystems電源模塊

22、參數(shù)設(shè)置如圖4所示，變壓器模塊參數(shù)如圖5所示。其中變壓器模塊模塊中的參數(shù)采用有名值設(shè)置。 圖4 電源模塊的參數(shù)設(shè)置 圖5 變壓器模塊參數(shù)設(shè)置輸電線路模塊參數(shù)如圖6所示，三相電壓電流模塊測量模塊將在變壓器低壓側(cè)測量到的電壓電流信號轉(zhuǎn)變成Simulink信號，相當于電壓電流互感器的作用，其參數(shù)設(shè)置如圖7所示。 圖6 輸電線路模塊的參數(shù)設(shè)置 圖7 三相電壓電流測量模塊模塊參數(shù)選項說明1）Phase A Fault、Phase B Fault和Phase C Fault用來選擇短路故障相。2）Fault resistances用來設(shè)置短路點的電阻，此值不能為零。3）Ground Fault選項用來選擇

23、短路故障是否為短路接地故障。4）Ground resistances 當故障類型是短路接地故障時顯示該項，用來設(shè)置接地故障時的大地電阻。5）External control of fault timing可以添加控制信號來控制該模塊故障的啟動和停止。6）Transition status和Transition times用來設(shè)置轉(zhuǎn)換狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時間；其中,Transition status表示故障開關(guān)的狀態(tài)，通常用“1”表示閉合， “0”表示斷開；Transition times表示故障開關(guān)的動作時間；并且每個選項都有兩個數(shù)值，而且它們是一一對應(yīng)的。7）Snubbers resistance和s

24、nubbers Capacitance用來設(shè)置并聯(lián)緩沖電路中的過渡電阻和過渡電容。8）Measurements 用來選擇測量。三相線路故障模塊參數(shù)設(shè)置如圖8所示。圖8 三相線路故障模塊參數(shù)設(shè)置 3.3仿真結(jié)果與分析通過模型窗口菜單中的“Simulation”-“configuration parameters”命令打開仿真參數(shù)的對話框，選擇可變步長的ode23t算法，仿真起始時間設(shè)置為0，終止時間設(shè)置為0.2s，其他參數(shù)采用默認設(shè)置。在三相線路故障模塊中設(shè)置在0.02s時刻變壓器低壓母線發(fā)生三相短路故障。運行仿真，可得變壓器低壓側(cè)的三相短路電壓、電流的波形圖如圖9、圖10所示。由圖所示，無限大功率供電系統(tǒng)在0.02s時刻時發(fā)生三相短路，電壓變?yōu)榱?，而電流短路前未接負載電流為零，發(fā)生三相短路后電流突然增大，如不切斷故障而后會漸漸進入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。由仿真結(jié)果可知，當電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路是沖擊電流很大，故需馬上切斷故障，以免對系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備造成大的破壞。