昆明學院電力系統(tǒng)分析課程設計

1、電力系統(tǒng)建模及仿真課程設計總結報告姓 名 學 號 院 系 自動控制與機械工程系班 級 指導教師 王荔芳 摘要本次課程設計是結合電力系統(tǒng)分析的理論教學進行的一個實踐課程。電力系統(tǒng)短路故障和電力系統(tǒng)潮流。在電力系統(tǒng)規(guī)劃設計和現(xiàn)有電力系統(tǒng)運行方式的研究中，都需要利用潮流計算來定量地分析比較供電方案或運行方式的合理性，可靠性和經濟性。運用Matlab電力系統(tǒng)仿真程序SimPowerSystems工具箱構建設計要求所給的電力系統(tǒng)模型，并在此基礎上對電力系統(tǒng)多中故障進行仿真，仿真波形與理論分析結果相符，說明用Matlab對電力系統(tǒng)故障分析的有效性。實際中無法對故障進行實驗，所以進行仿真實驗可達到效果。關鍵

2、詞：電力系統(tǒng)；短路故障；Matlab；SimPowerSystemsAbstract輸入文字或網(wǎng)址，即可翻譯本次課程設計是結合電力系統(tǒng)分析的理論教學進行的一個實踐課程。電力系統(tǒng)短路故障，故障電流中必定有零序分量存在，零序分量可以用來判斷故障的類型，故障的地點等，零序分量作為電力系統(tǒng)繼電保護的一個重要分析量。電力系統(tǒng)潮流，在電力系統(tǒng)規(guī)劃設計和現(xiàn)有電力系統(tǒng)運行方式的研究中，都需要利用潮流計算來定量地分析比較供電方案或運行方式的合理性，可靠性和經濟性。運用Matlab電力系統(tǒng)仿真程序SimPowerSystems工具箱構建設計要求所給的電力系統(tǒng)模型，并在此基礎上對電力系統(tǒng)多中故障進行仿真，仿真波形與

3、理論分析結果相符，說明用Matlab對電力系統(tǒng)故障分析的有效性。實際中無法對故障進行實驗，所以進行仿真實驗可達到效果。This curriculum design is a practical course of the theory teaching of "power system analysis". Power system fault and power system power flow. In the research of power system planning and design of the existing power system operat

4、ion mode, calculated using the trend to quantitative analysis and comparison of power supply scheme and operation mode of rationality, reliability and economy. Design requirements for the power system model is constructed by using MATLAB power system simulation programs SimPowerSystems toolbox, and

5、on the basis of power system in fault simulation, simulation waveform and theoretical analysis is consistent with the results that effectiveness of power system fault analysis with MATLAB. In practice, we can not carry out experiments, so the simulation experiment can achieve the effect.Keywords: po

6、wer system; Short circuit fault; Matlab; SimPowerSystems一、設計目的該課程設計是在完成電力系統(tǒng)分析的理論教學之后安排的一個實踐教學環(huán)節(jié)。其目的在于鞏固和加深對電力系統(tǒng)潮流和短路電流計算基本原理的理解，學習和掌握應用計算機進行電力系統(tǒng)設計和計算的方法，培養(yǎng)學生獨立分析和解決問題的能力。二、課程設計的基本要求（1）用Matlab中Simulink組件的SimPowerSystems工具箱構建設計要求所給的電力系統(tǒng)模型，在所給電力系統(tǒng)中K處選取不同故障類型（三相短路、單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路進行仿真，比較仿真結果，給出自己的結論。（

7、2）基于Matlab/Simulink，搭建電力網(wǎng)絡模型，并進行潮流計算。三、電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析3.1電力系統(tǒng)故障分析和潮流計算的原理3.1.1 電力系統(tǒng)故障分析的原理在電力系統(tǒng)的故障中，僅在一處發(fā)生不對稱短路或斷線的故障稱為簡單不對稱故障。它通常分為兩類,一類叫橫向不對稱故障，包括兩相短路，單相接地短路以及兩相接地短路三種類型。這種故障發(fā)生在系統(tǒng)中某一點的一些相之間或相與地之間，是處于網(wǎng)絡三相支路的橫向，故稱為橫向不對稱故障，其特點是由電力系統(tǒng)網(wǎng)絡中的某一點（節(jié)點）和公共參考點（地接點）之間構成故障端口。該端口一個是高電位點，另一個是零電位點。另一類故障時發(fā)生在網(wǎng)絡沿三相支路的縱向

8、，叫縱向不對稱故障，它包括一相斷相和兩相斷相兩種基本類型，其特點是由電力系統(tǒng)網(wǎng)絡中的兩個高電位之間構成故障端口。分析計算不對稱故障的方法很多，如對稱分量法、分量法以及在abc坐標系統(tǒng)中直接進行計算等。目前實際中用的最多的和最基本的方法仍是對稱分量法，現(xiàn)在就重點介紹這種方法，其他方法只做簡略的介紹。應用對稱分量法分析計算簡單不對稱故障時，對于各序分量的求解一般有兩種方法：一種是直接聯(lián)立求解三序的電動勢方程和三個邊界條件方程；另一種是借助于復合序網(wǎng)進行求解，即根據(jù)不同故障類型所確定的邊界條件，將三個序網(wǎng)絡進行適當?shù)逆溄樱M成一個復合序網(wǎng)，通過對復合序網(wǎng)的計算，求出電流、電壓的各序對稱分量。由于這種

9、方法比較簡單，又容易記憶，因此應用較廣。在所討論的各種不對稱故障的分析計算中，求出的各序電流、電壓對稱分量及各相電流、電壓值，一般都是指起始時或穩(wěn)態(tài)時的基頻分量。在工程計算中都假定發(fā)電機轉子是對稱的，也就是忽略了不對稱短路時的高次諧波分量。這種假定對穩(wěn)極發(fā)電機和d軸及q軸都裝有阻尼繞組的凸極發(fā)電機是比較切合實際的。 3.1.2電力系統(tǒng)潮流計算的原理電力系統(tǒng)故障分析的原理對于三相短路電流計算，分為無限大容量電源供電和非無限大容量電源供電兩種情況。對于無限大容量供電時短路計算主要計算短路沖擊電流、短路電流的最大有效值和短路功率。根據(jù)電流周期分量的標幺值等于回路總阻抗標幺值的倒數(shù)，計算出電流的周期分

10、量，而容量的標幺值等于電流周期分量的標幺值，計算出短路容量，取沖擊系數(shù)為1.8時，短路沖擊電流等于2.55倍的周期分量，短路電流的最大有效值等于1.52倍的周期分量。對于非無線大容量供電的三相短路計算，主要是計算三相短路電流的周期分量的有效值，該有效值是衰減的，分為兩方面計算：一方面計算短路瞬間短路電流周期分量的有效值；另一方面是考慮周期分量衰減時，在三相短路的暫態(tài)過程中不同時刻短路電流周期分量有效值的計算（運算曲線法）。對于兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路不對稱的短路分析采用對稱分量法，將其分為對稱的三相正序、負序、零序的和，列出故障時的邊界條件，并用序分量來表示邊界條件，畫出序網(wǎng)絡，求

11、出個序分量，最后求出故障處的各相電壓電流。不對稱短路的分析：    不對稱短路的各序等值網(wǎng)絡       基本序網(wǎng)方程： 再根據(jù)短路的類型寫出邊界條件，并用序分量表示，最后求出短路處各相電壓電流值。 3.1.2、電力系統(tǒng)潮流計算的原理電力系統(tǒng)的潮流計算就是計算其電壓降落與功率損耗，電力系統(tǒng)由發(fā)電機、變壓器、電力線路、負載組成。潮流計算主要計算電力線路和變壓器的功率損耗和電壓降落。主要有三種情況：（1） 已知末端負荷及末端電壓，求始端電壓及功率；（2）

12、60;已知末端負荷及始端電壓，求末端電壓及始端功率；（3） 已知始端負荷及電壓，求末端電壓與功率。以第一種情況來簡述潮流計算的原理     根據(jù)已知的末端電壓和等值電路求出導納支路的功率損耗                             &

13、#160;              電力線路的電壓降落：                                 

14、60;                    電壓降落橫分量                            &#

15、160;                       電壓降落縱分量        以上是已知末端電壓、功率計算始端電壓、功率的計算過程。對于已知末端負荷及始端電壓的潮流計算，先假設末端電壓和由給定的末端負荷，往始端推算出始端電壓和始端功率，再由給定始端電壓和計算的始端負荷，向末端推算出末

16、端電壓、末端功率然后再由給定末端負荷及計算得到的末端電壓往始端推算，以此推算，直至推出較滿意的電壓為止。對于已知始端電壓、功率的情況與第一種情況類似！其次變壓器阻抗的功率損耗與電壓降落與電力線路完全類似，通常情況下可將電壓降落的橫分量忽略，電力線路是用型等值電路而變壓器則使用葛型等值電路！ 3.2 電力系統(tǒng)故障的仿真與分析3.2.1 短路故障分析與計算的電力系統(tǒng)接線圖供電系統(tǒng)如圖，發(fā)電機G1：25kV，Y連接；輸電線路L1和L2長度均為100km，L2末端為中心點接地。系統(tǒng)仿真模型如下：3.2.2 仿真參數(shù)設置各元件參數(shù)設置如下：（1）發(fā)電機參數(shù)設置發(fā)電機額定電壓為25KV，額定頻率為50Hz

17、，Yg連接，其它采用默認值。 (2) 三相輸電線參數(shù)設置線路長L1=L2=100Km。(3) 故障模塊參數(shù)設置短路故障是用三相故障元件來模擬的，故障時間段可通過Transition Times來設置，設置為0.010.04秒。其元件的參數(shù)圖設置如下： 三相交流電源 母線，測量元件 線路模塊 三相未發(fā)生短路模塊 單相短路模塊 兩相短路模塊三相短路模塊3.3仿真結果分析：3.3.1（1）正常運行時發(fā)電機輸出端電壓波形：圖3.3.1（a）（2）正常運行時發(fā)電機輸出端電流波形圖3.3.1(b)分析：當電力系統(tǒng)還沒有發(fā)生短路故障時，發(fā)電機端的電壓和電流都是成正弦變化的，雖然三相交流電源的三相電壓和電流之

18、間相位不同，但是幅值的大小是相同的。3.3.2單相（A相）接地短路圖3.3.2(a) 電壓波形圖3.3.2(b) 電流波形圖3.3.2 (c) 故障電壓分析：當A相發(fā)生接地短路時故障點A相電壓突降為零，導致B,C兩項電壓上升，排除故障之后三相電壓恢復正常圖3.3.2 (d)故障點各相電壓分析: 當輸電線路發(fā)生A 相接地短路時,B、C 兩相電壓沒有變化。在正常狀態(tài)時,A相電壓不變. 在0. 01s 時, A 相接地短路,其短路電壓波形發(fā)生了劇烈的變化,電壓降為0.在0. 04s時故障被排除,此時故障點A 相電壓迅速恢復正常。圖3.3.2 (e) 故障點各相電流分析：當輸電線路發(fā)生A 相接地短路時

19、,B、C 兩相電流沒有變化,始終為0。在0. 01s 時,A 相接地短路,其短路電流波形發(fā)生了劇烈的變化,但大體上仍呈正弦規(guī)律變化.在0. 04s時,故障被排除,此時故障點A 相電流恢復正常。3.3.3兩相接地圖3.3.3(a) 電壓波形圖3.3.3(b) 電流波形圖3.3.3(c)分析：在A、B兩相發(fā)生短路故障時，非故障相C相電壓波形幅值改變，增大。A相和B相電壓降為0V。C相未發(fā)生故障,其短路電流為零.兩相短路時,短路故障點電流中沒有零序分量,而正序分量與負序分量大小相等但方向相反.圖3.3.3(c)故障點電流分析：在穩(wěn)態(tài)時，故障點A,B相電流由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而電

20、流幅值為0 A。在0.01s時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生A、B兩相短路，故障點A,B相電流發(fā)生變化，由于閉合時有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而波形下移，呈正弦波形變化。在0.04s時，三相電路短路故障發(fā)生器斷開，排除了故障。此時故障點A,B相電流迅速上升為0 A。由C沒有變化，可知對C相沒影響。圖3.3.3(d)故障點電壓分析: 在穩(wěn)態(tài)時，故障點A，B相電壓由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而電壓為正弦變化，C相電壓發(fā)生突變。在0.01s時，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時電路發(fā)生A、B兩相短路，故障點A,B相電壓發(fā)生變化，突變?yōu)?V。在0.04s時，三相電路短路故障發(fā)生

21、器斷開，排除故障。此時故障點A ,B相電壓波動恢復正弦波形。由此可知：由于C相為非故障相，其電壓波形僅在兩相短路期間波的幅值變大，但是波形不變。3.3.4三相接地圖3.3.4(a)電壓波形圖3.3.4(a)電流波形圖3.3.4(c)圖3.3.4(d)故障點電壓分析：在穩(wěn)態(tài)時,故障相各相電壓由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),因而電壓不為0. 在0. 01s 時,三相短路故障發(fā)生器閉合,此時電路發(fā)生三相短路,故障點各相電壓發(fā)生變化,故障點各相電壓都降為0. 在0. 04s 時,三相短路故障發(fā)生器打開,相當于排除故障,此時故障點各相電壓緩慢恢復.圖3.3.4(e)故障點電流分析：在穩(wěn)態(tài)時,故障相各

22、相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),因而電流為0. 在0. 01s 時,三相短路故障發(fā)生器閉合,此時電路發(fā)生三相短路,故障點各相電流發(fā)生變化,由于閉合時有初始輸入量和初始狀態(tài)量,因而故障點各相電流波形上升或者下降. 在0. 04s 時,三相短路故障發(fā)生器打開,相當于排除故障,此時故障點各相電流逐漸下降為0.3.4、電力網(wǎng)絡潮流計算 電力網(wǎng)潮流計算電氣接線圖潮流計算仿真圖取基準功率為SB=100MVA，基準電壓等于各級平均額定電壓。而在Simulink的發(fā)電機、變壓器等模型中都是以標幺值表示的（以自身的額定值為基準值）兩臺發(fā)電機分別為G1、G2，變壓器為T1、T2、線路分別為L1、L2、L

23、3，負載分別為Load1、Load2、Load3表示。發(fā)電機模型參數(shù)設置：由于變壓器變比為1：1.05，因此在設置發(fā)電機模塊G1、G2，額定功率為100MVA、額定電壓為10.5KV、額定頻率為50Hz，其他參數(shù)采用默認設置。發(fā)電機G2的參數(shù)設置過程與G1的一樣。如圖：圖3.4（a）G1圖3.4（b）G2變壓器模型參數(shù)設置：變壓器變比為1：1.05，因此設置變壓器模塊的低壓側額定電壓為10.5KV，高壓側額定電壓為121KV。變壓器T1的參數(shù)設置如下：T2漏抗值與T1不同，但是參數(shù)設置過程與T1相同， 圖3.4（c）T1圖3.4（d）T2負荷模型參數(shù)設置：當動態(tài)負荷的終端電壓高于設定的最小電壓

24、時，負荷的有功功率和無功功率按下式變化。Ps=P0(UU0)np(1+TP1S)(1+TP2S)Qs=Q0(UU0)np(1+Tq1S)(1+Tq2S)系統(tǒng)中負荷Load1、Load2、Load3所接母線均為PQ節(jié)點，要求負載有恒定功率的輸出（輸入），因此設置 P0 、Q0 為系統(tǒng)給出的有功功率和無功功率值，控制負荷性質的指數(shù)np，有功功率、無功功率動態(tài)特性的時間參數(shù) T P1 、T p2 、T q1 、 Tq2 均設置為0。如下圖所示圖3.4（e）Load1圖3.4（f）Load2圖3.4（g）Load3線路模型參數(shù)設置：無論是三相“II”形等值線路模塊還是三相串聯(lián)RLC支路模塊，其參數(shù)均為

25、有名值。以支路阻抗為R*+JX*=0.08+J0.30,對地導納Y*=j0.5的線路L1為例，其有名值的參數(shù)計算如下。電阻有名值：R=R*VB2SB=0.08×1152100=10.58電感有名值：L=X*VB2SB=0.3314×1152100H=0.1263H電容有名值：C=1/VB2Y*SB=13140.5×1152100F=1.2×10-5F線路的長度設置為1km,參數(shù)設置如下所示，模型中的零序參數(shù)采用默認值。L2、L3參數(shù)設置過程同L1。圖3.4（h）L1圖3.4（i）L2圖3.4（j）L3綜合參數(shù)設置：利用Powergui 模塊進行節(jié)點類型、

26、初始值等參數(shù)的綜合設置。雙擊Powergui模塊圖標，在主界面下打開“潮流計算和電機初始化”窗口。在電機顯示欄中選擇發(fā)電機G2，設置其為平衡節(jié)點“Swing bus”，輸出線電壓設置為11025V(對應的標幺值為1.05)，電機a 相電壓的相角為0，頻率為50Hz；選擇發(fā)電機G1，設置其為PV節(jié)點， 輸出線電壓設置為11025V(對應的標幺值為1.05)，有功功率為600MW；選擇Load1,設置有功功率為200MW,無功功率為100Mvar,頻率為50Hz；選擇Load2,設置有功功率為370MW,無功功率為130Mvar,頻率為50Hz；選擇Load3,設置有功功率為160MW,無功功率為

27、80Mvar,頻率為50Hz，如下圖所示。 圖3.4（k）圖3.4（l）更新潮流結果 圖3.4（m）穩(wěn)態(tài)電壓電流母線M1的潮流計算：A相電壓為68388.07V，相位角-4.47；電流為369.65A，相位角-68.61，所以M1的潮流為：P=3UI=3*68388.07*369.65cos(-4.47°+68.61°)=33MWQ=3UI=3*68388.07*369.65sin(-4.47°+68.61°)=68.24MVA  母線M2的潮流計算：A相電壓為71614.05V，相位角18.06°；電流為2411.70A，相位角2.42°，所