MATLAB Simulink系統(tǒng)建模與仿真 實(shí)驗(yàn)報告要點(diǎn)

1、MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真實(shí)驗(yàn)報告名稱：* * * * * *專業(yè)：電氣工程和自動化類別：* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *學(xué)號：* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *實(shí)驗(yàn)無限大功率電源系統(tǒng)三相短路仿真1.1構(gòu)建無限大功率電源系統(tǒng)仿真模型運(yùn)行MATLAB軟件，然后單擊“構(gòu)建Simulink型號”以根據(jù)回路原理圖添加以下模塊：(1)無限大功率電源模塊(Three-phase source)(2)三相并行RLC負(fù)載模塊(三相并行RLC負(fù)載模塊)(3)

2、三相系列RLC分支模塊(Three-Phase Series RLC Branch)(4)三相雙繞組變壓器模塊(two windings)(5)三相電壓電流測量模塊(Three-Phase V-I Measurement)(6)三相故障設(shè)置模塊(Three-Phase Fault)(7)示波器模塊(8)電源系統(tǒng)圖形用戶界面(Powergui)按回路原理圖連接回路時，仿真圖如下所示：1.2設(shè)置無限大功率電源系統(tǒng)仿真參數(shù)1.2.1電源模塊三相電壓設(shè)置110kV，相角0，頻率50Hz，中性點(diǎn)接地的y連接方式，電源電阻0.00529，電源電感0。h，參數(shù)設(shè)置如下圖所示。1.2.2變壓器模塊變壓器模塊參

3、數(shù)包括公稱或值設(shè)置、電源20MVA、頻率50Hz、y連接一次測量、電壓110kV、y連接二次側(cè)電壓11kV、標(biāo)記或值轉(zhuǎn)換后繞組電阻0.0033、繞組漏電電感0.052、勵磁電阻909.09、勵磁電感106.31.2.3輸電線路模塊根據(jù)給定的參數(shù)，按如下方式計算傳輸線參數(shù)：電阻8.5 ，電感0.064L，參數(shù)設(shè)置為：1.2.4三相電壓和電流測量模塊該模塊將從低壓側(cè)測量的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為用作電壓、變壓器的Simulink信號，選擇“Use a label(使用標(biāo)簽)”，設(shè)置電壓標(biāo)簽“Vabc”、電流標(biāo)簽“Iabc”，參數(shù)如下圖所示進(jìn)行設(shè)置1.2.5故障設(shè)置模塊如果選擇了錯誤拓?fù)鋋、b、c，設(shè)置

4、了短路電阻0.00001，0.02s設(shè)置-0.2s中出現(xiàn)短路故障，則將參數(shù)設(shè)置為如下圖所示。1.2.6示波器模塊要獲得仿真結(jié)果的準(zhǔn)確數(shù)字，可以設(shè)置示波器模塊的數(shù)據(jù)歷史記錄列，如下圖所示。1.3無限大功率電源系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析得到上述電力系統(tǒng)參數(shù)后，首先可以在變壓器低壓母線上發(fā)生三相短路故障時計算短路電流周期組件振幅和沖擊電流的大小，如果短路電流周期組件振幅為Im=10.63kA，時間常數(shù)Ta=0.0211s，則短路沖擊電流為Iim=17.3kA。打開用于通過“模型窗口”菜單上的“simulation-configuration parameters”命令設(shè)定仿真參數(shù)的對話框，然后選擇可變步長的

5、ode23t算法。模擬開始時間為0s，結(jié)束時間為0.2s，其他參數(shù)使用預(yù)設(shè)設(shè)定。將三相故障模塊設(shè)置為0.02s將導(dǎo)致變壓器低壓母線上的三相短路故障。運(yùn)行仿真，獲得變壓器低壓側(cè)的三相短路電流波形，如下圖所示。如圖所示，短路電流周期組件的振幅為10.64kA，沖擊電流為17.39kA，這與理論計算有差異，因?yàn)殡娫茨K的內(nèi)部電阻設(shè)置不同。實(shí)驗(yàn)2同步發(fā)電機(jī)突然短路的瞬態(tài)過程仿真2.1發(fā)電機(jī)末端突然發(fā)生三相短路的Simulink仿真模型構(gòu)建根據(jù)給定的引擎參數(shù)添加以下模塊：(1) p.u .標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)電機(jī)模塊(2)常數(shù)模塊(3)電壓測量模塊(Voltage Measurement)(4)放大器模塊(Gai

6、n)(5)信號選擇模塊“選擇其他模塊”將像以前一樣創(chuàng)建Simulink仿真模型，如下圖所示。2.2發(fā)電機(jī)末端突然發(fā)生三相短路的Simulink仿真參數(shù)設(shè)置2.2.1同步發(fā)電機(jī)模塊同步發(fā)電機(jī)電源設(shè)置200MVA，電壓13.8kV，頻率50Hz，電抗設(shè)置圖，d軸時間常數(shù)選擇“短電路”，q軸時間常數(shù)選擇“開電路”。固定阻力(p.u.)0.005、慣性系數(shù)3.2、摩擦系數(shù)0、極對數(shù)32、初始條件列由電源GUI模塊自動設(shè)置。參數(shù)設(shè)置如下圖所示。2.2.2變壓器模塊電源210MVA，頻率50Hz，接線方式y(tǒng)D1，二次中性點(diǎn)接地，繞組參數(shù)：一次側(cè)電壓13.8kV，二次側(cè)電壓230kV，電阻0.0027，電感

7、0.08，勵磁電阻500，勵磁電感500。參數(shù)設(shè)置如下圖所示。2.2.3 Powergui模塊初始化設(shè)置雙擊Powergui模塊以打開“功率流計算”和“初始化馬達(dá)”窗口，并將同步發(fā)電機(jī)設(shè)置為平衡節(jié)點(diǎn)“Swing bus”。初始化后，連接到同步發(fā)電機(jī)模塊輸入端口的兩個常量模塊Pm和Vf以及同步發(fā)電機(jī)模塊的“Init .Cond”將自動設(shè)置。數(shù)據(jù)如下圖所示。2.3發(fā)電機(jī)末端突然三相短路的Simulink仿真結(jié)果與分析選擇Ode15算法，模擬結(jié)束時間為1s。出現(xiàn)故障的模塊設(shè)置0.025s-1s上出現(xiàn)三相短路故障。開始模擬，發(fā)電機(jī)末端突然發(fā)生三相短路后，三相定子電流波形如下圖所示。其中a相定子電流的沖

8、擊電流標(biāo)準(zhǔn)或值為9.1048，理論計算值有0.95%的誤差。短路后定子電流的d軸和q軸分量Id、Iq和勵磁電流If的模擬波形如下圖所示。0.02025s現(xiàn)在發(fā)生BC兩相段落錯誤。發(fā)電機(jī)末端突然發(fā)生兩相短路后，三相定子電流模擬波形如下圖所示模擬。實(shí)驗(yàn)三小電流接地系統(tǒng)單相故障3.1小電流接地系統(tǒng)仿真模型的建立3.1.1中性非接地系統(tǒng)的仿真模型和計算使用Simulink構(gòu)建10kV中性非接地系統(tǒng)仿真模型，并添加以下模塊：(1)Three-Phase PI Section Line(2)信號接收模塊(From)(3)信號輸出模塊(Demux)(4)輸入加法器模塊(Sum)(5)三相序列元件模組(dis

9、crete 3-phase sequence analyzer)(6)萬用表模塊中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真模型如下圖所示建立。每個模塊參數(shù)設(shè)置如下：(1)三相電源模塊：電壓10.5kV，配線y連接，其他參數(shù)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)相同。(2)傳輸線模塊Line1至Line4:線路長度分別為130km、175km、1km、150km，其他參數(shù)設(shè)置相同。下圖顯示了Line1參數(shù)的設(shè)置。(3)電路負(fù)載模組：Load1至Load3分別設(shè)定1MW、0.2MW和2MW的作用中負(fù)載，其他參數(shù)相同。Load4設(shè)定為純電阻負(fù)載，作用中負(fù)載為1MW。下圖分別為Load1、Load4參數(shù)設(shè)定。(4)三相電壓電流測量模塊：選擇“使用標(biāo)簽

10、”以按回路設(shè)置標(biāo)簽序列號。下圖顯示了回路1測量模塊的參數(shù)設(shè)置。(5)故障模塊設(shè)置：選擇第三條引出線1km(即Line3和Line4之間)處的a相金屬單相接地。缺陷模塊的參數(shù)設(shè)置如下圖所示。系統(tǒng)的零序電壓3U0和每條線路開始處的零序電流3I0通過以下圖連接來測量。故障點(diǎn)的接地電流Id可以通過以下圖表測量。根據(jù)上面設(shè)置的參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)在第三個引出線路1km(即線路3和線路4之間)上發(fā)生a相金屬單相接地時，各線路起點(diǎn)的零序電流的有效值為線路1: 5.75a、線路2: 13.5a、接收位置的電流為20.18A。3.1.2中性消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真模型和計算基于上述實(shí)驗(yàn)，電感線圈添加到電源中性點(diǎn)，其他參數(shù)

11、保持不變。仿真模型如下圖所示。根據(jù)線路參數(shù)，要使接地點(diǎn)電流接近0，計算所需的補(bǔ)償電感必須為L=0.9566H，由于完全補(bǔ)償存在串聯(lián)諧振過電壓問題，實(shí)際工程一般使用補(bǔ)償方法獲得10%時，消弧線圈電感計算為L=0.8697H。消弧線圈參數(shù)設(shè)定如下圖所示。3.2小電流接地系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析在開始模擬之前，選擇0.2s的模擬結(jié)束時間、使用1 X10-5s的電源GUI模塊設(shè)置離散式，以及0.04s的系統(tǒng)a相金屬單相接地。3.2.1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)仿真結(jié)果分析如下圖所示，設(shè)置參數(shù)，運(yùn)行10kV中性點(diǎn)非接地仿真模型，獲得系統(tǒng)3相對電壓和線路電壓的波形。如圖所示，在系統(tǒng)于0.04s發(fā)生a相金屬單相接地后，a相

12、對電壓為零，BC相對電壓增加了一倍，但導(dǎo)線電壓仍然保持對稱，對負(fù)載沒有影響。系統(tǒng)的零序電壓3U0和線路起點(diǎn)的零序電流3I0，故障點(diǎn)的接地電流Id波形如下圖所示。使用有效接地電流Id(例如，第1行：5.83A、第2行：7.99A、第3行：13.86A、Id=20.64a)在每個模擬行的開始處生成0序列電流。仿真結(jié)果比理論計算值稍大，但誤差不大于3%。如上圖所示，在中性點(diǎn)不接地的方式中，弱場線路的零序電流超過零序電壓90。故障線路的零序電流是整個系統(tǒng)非惡作劇組件對接地電容電流的總和，零序電流滯后零序電壓90；故障線路的零序電流和非惡作劇線路的零序電流相位差為180。故障后的零序組件也可以使用下圖所

13、示的三相序列組件模塊方法獲得。以下圖像是故障線零序電流的幅相圖。在圖中，如果故障線路的零序電流的振幅為I0=6.52A，則3I0的有效值為13.83A，與上圖中測量為3的13.86A僅相差0.2%。3.2.2中性消弧線圈接地系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析設(shè)定參數(shù)，運(yùn)行10kv中性點(diǎn)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型，獲得系統(tǒng)3相對電壓和線路電壓的波形和非接地系統(tǒng)仿真圖。系統(tǒng)的零序電壓3U0和線路起點(diǎn)的零序電流3I0，消弧線圈電流IL，故障點(diǎn)的接地電流Id波形如下圖所示。如上圖所示，單相接地故障的瞬態(tài)過程結(jié)束后，故障點(diǎn)的接地電流Id的有效值遠(yuǎn)小于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的接地電流的2.9A，因此補(bǔ)償效果明顯。對于弱長線，零序

14、電流仍然是自身的電容器電流，零序電流超過零序電壓90，電容電流的實(shí)際方向是從與中性點(diǎn)非接地系統(tǒng)相同的母線流向線路的電流。但是，對于有缺陷的電路，零序電流大于其本身的電容電流，電容電流的實(shí)際方向也由總線流向電路。因此，在這種情況下，由于電流方向的差異無法判斷故障線，也很難通過零序電流的大小找到故障線。實(shí)驗(yàn)Simulink在變壓器微機(jī)繼電保護(hù)中的應(yīng)用實(shí)例4.1變壓器仿真模型的建立根據(jù)雙繞組變壓器的簡單電力系統(tǒng)接線圖，使用Simulink繪制仿真電路圖，如下所示：(1)電源模塊：電源EM和電源EN電位相位差10，其他設(shè)置相同，下圖顯示了電源EN參數(shù)設(shè)置：(2)變壓器模塊：為了選擇飽和核心并簡化模擬，

15、變壓器兩側(cè)的繞組線相同，電壓額定值相同，參數(shù)設(shè)置如下圖所示。(3)三相電壓電流測量模塊UM，UN將變壓器兩側(cè)測量的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為用作電壓、電流互感器的Simulink信號。UM模塊的參數(shù)設(shè)置如下圖所示，UN模塊參數(shù)設(shè)置與此類似，不同之處在于輸出信號分別為“Vabc_N”、“Iabc_N”。(4)三相斷路器模塊QF1和QF2分別用于控制變壓器輸入，故障模塊Fault1和Fault2用于模擬變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)域外故障?？蛰d合閘中4.2變壓器勵磁涌流的仿真設(shè)定三相斷路器模組QF1的切換時間為0s，模擬時間為0.5s，模擬演算法為Ode23t。三相斷路器模塊QF2、故障模塊Fault1和Fa

16、ult2在仿真中不起作用(設(shè)置為切換時間比仿真時間長)。為了觀察涌流，將示波器模塊添加到模擬中，參數(shù)如下圖所示設(shè)置。運(yùn)行仿真，以空載合閘獲得的三相涌流的波形如下圖所示。通過Powergui模塊的FFT Analysis諧波分析勵磁涌流波形，如下圖所示。為了比較閉路勵磁涌流和短路電流的大小，設(shè)置了故障模塊Fault1，運(yùn)行了模擬，在0.25-0.45s之間電路為三相短路，在此模擬中，a相空載合閘的勵磁涌流略小于短路電流，而b，c相空載合閘的勵磁涌流比短路電流大，如下圖所示。將變壓器的二次繞組變更為D11布線后，電源EM的a相初始相位仍設(shè)定為0，執(zhí)行模擬以取得由空載合閘引起的三相勵磁涌流的波形，如下圖所示。4.3變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)外故障率制動仿真添加運(yùn)算和示波器模塊，以模擬變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)外故障時電流的比例制動差動保護(hù)，如下