MATLABSimulink系統(tǒng)建模與仿真實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真實驗報告 姓名： * 專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級： * 學(xué)號：*實驗一 無窮大功率電源供電系統(tǒng)三相短路仿真1.1 無窮大功率電源供電系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建運(yùn)行MATLAB軟件，點擊Simulink模型構(gòu)建，根據(jù)電路原理圖，添加下列模塊：（1） 無窮大功率電源模塊（Three-phase source）（2） 三相并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊（Three-Phase Parallel RLC Load）（3） 三相串聯(lián)RLC支路模塊（Three-Phase Series RLC Branch）（4） 三相雙繞組變壓器模塊（Three-

2、Phase Transformer (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（Scope）（8） 電力系統(tǒng)圖形用戶界面（Powergui）按電路原理圖連接線路得到仿真圖如下：1.2 無窮大功率電源供電系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置 1.2.1 電源模塊設(shè)置三相電壓110kV，相角0，頻率50Hz，接線方式為中性點接地的Y形接法，電源電阻0.00529，電源電感0.H，參數(shù)設(shè)置如下圖： 1.2.2 變壓器模塊變壓器模塊參數(shù)采用標(biāo)幺值設(shè)置，功率20MVA，頻

3、率50Hz，一次測采用Y型連接，一次測電壓110kV，二次側(cè)采用Y型連接，二次側(cè)電壓11kV，經(jīng)過標(biāo)幺值折算后的繞組電阻為0.0033，繞組漏感為0.052，勵磁電阻為909.09，勵磁電感為106.3，參數(shù)設(shè)置如下圖： 1.2.3 輸電線路模塊根據(jù)給定參數(shù)計算輸電線路參數(shù)為：電阻8.5，電感0.064L，參數(shù)設(shè)置如下圖： 1.2.4 三相電壓電流測量模塊此模塊將在變壓器低壓側(cè)測量得到的電壓、電流信號轉(zhuǎn)變成Simulink信號，相當(dāng)于電壓、電流互感器的作用，勾選“使用標(biāo)簽（Use a label）”以便于示波器觀察波形，設(shè)置電壓標(biāo)簽“Vabc”，電流標(biāo)簽“Iabc”，參數(shù)設(shè)置如下圖： 1.2.

4、5 故障設(shè)置模塊勾選故障相A、B、C，設(shè)置短路電阻0.00001，設(shè)置0.02s0.2s發(fā)生短路故障，參數(shù)設(shè)置如下圖： 1.2.6 示波器模塊為了得到仿真結(jié)果準(zhǔn)確數(shù)值，可將示波器模塊的“Data History”欄設(shè)置為下圖所示：1.3 無窮大功率電源供電系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析得到以上的電力系統(tǒng)參數(shù)后，可以首先計算出在變壓器低壓母線發(fā)生三相短路故障時短路電流周期分量幅值和沖擊電流的大小，短路電流周期分量的幅值為Im=10.63kA，時間常數(shù)Ta=0.0211s，則短路沖擊電流為Iim=17.3kA。通過模型窗口菜單中的“Simulation-Configuration Parameters”命令打

5、開設(shè)置仿真參數(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0s，終止時間設(shè)置為0.2s，其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。在三相故障模塊設(shè)置在0.02s時刻變壓器低壓母線發(fā)生三相短路故障。運(yùn)行仿真，得到變壓器低壓側(cè)的三相短路電流波形如下圖所示：可見，短路電流周期分量的幅值為10.64kA，沖擊電流為17.39kA，與理論計算相比有差別，這是由于電源模塊的內(nèi)阻設(shè)置不同而造成的。 實驗二 同步發(fā)電機(jī)突然短路的暫態(tài)過程仿真2.1 發(fā)電機(jī)端突然發(fā)生三相短路的Simulink仿真模型構(gòu)建根據(jù)給出的發(fā)動機(jī)參數(shù)，添加下列模塊：（1） p.u.標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)電機(jī)模塊（Synchronous Machine p

6、u Standard）（2） 常數(shù)模塊（Constant）（3） 電壓測量模塊（Voltage Measurement ）（4） 放大器模塊（Gain）（5） 信號選擇模塊（Bus Selector）其他模塊選取與前相同，建立Simulink仿真模型如下圖所示：2.2 發(fā)電機(jī)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)模塊設(shè)置同步發(fā)電機(jī)功率為200MVA，電壓13.8kV，頻率50Hz，電抗設(shè)置如圖，d軸時間常數(shù)選擇“Short-circuit”，q軸時間常數(shù)選擇“Open-circuit”。時間常數(shù)設(shè)置如圖，定子電阻（p.u.）0.005，慣性系數(shù)3.2，摩擦系數(shù)

7、0，極對數(shù)32，初始條件欄將由Powergui模塊自動設(shè)定。參數(shù)設(shè)置如下圖： 2.2.2 變壓器模塊設(shè)置功率210MVA，頻率50Hz，接線方式為yD1，二次側(cè)中性點接地，繞組參數(shù)：一次側(cè)電壓13.8kV，二次側(cè)電壓230kV，電阻均為0.0027，電感均為0.08，勵磁電阻500，勵磁電感500。參數(shù)設(shè)置如下圖： 2.2.3 Powergui模塊初始化設(shè)置雙擊Powergui模塊，打開潮流計算和電機(jī)初始化窗口，設(shè)定同步發(fā)電機(jī)為平衡節(jié)點“Swing bus”。初始化后，與同步發(fā)電機(jī)模塊輸入端口相連的兩個常數(shù)模塊Pm和Vf以及同步發(fā)電機(jī)模塊中的“Init.Cond.”將會自動設(shè)置。數(shù)據(jù)如下圖所示

8、：2.3 發(fā)電機(jī)端突然發(fā)生三相短路的Simulink仿真結(jié)果及分析選擇Ode15算法，仿真結(jié)束時間取1s。設(shè)置故障模塊在0.02025s1s發(fā)生三相短路故障。開始仿真，得到發(fā)電機(jī)端突然三相短路后的三相定子電流波形圖如下圖所示：其中，A相定子電流的沖擊電流標(biāo)幺值為9.1048，和理論計算值存在0.95%的誤差。短路后定子電流的d軸和q軸分量Id、Iq以及勵磁電流If的仿真波形如下圖所示：現(xiàn)設(shè)置在0.02025s時發(fā)生BC兩相短路故障。開始仿真，得到發(fā)電機(jī)端突然兩相短路后的三相定子電流仿真波形如下圖：實驗三 小電流接地系統(tǒng)單相故障3.1 小電流接地系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建 3.1.1 中性點不接地系統(tǒng)的仿

9、真模型及計算利用Simulink建立一個10kV中性點不接地系統(tǒng)仿真模型，添加下列模塊：（1） 輸電線路模塊（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） 三相序分量模塊（Discrete 3-phase Sequence Analyzer）（6） 萬用表模塊（MultiMeter）建立中性點不接地系統(tǒng)仿真模型如下圖所示：各模塊參數(shù)設(shè)置如下：（1） 三相電源模塊：電壓10.5kV，接線方式Y(jié)形連接，其他參數(shù)設(shè)置與實驗一相同。（2） 輸電線路模塊Line1Line4：線路長度分別為

10、130km、175km、1km、150km，其他參數(shù)設(shè)置相同。下圖為Line1參數(shù)設(shè)置。（3）線路負(fù)荷模塊：Load1Load3設(shè)置其有功負(fù)荷分別為1MW、0.2MW、2MW，其它參數(shù)相同。Load4設(shè)置為純電阻負(fù)荷，有功負(fù)荷為1MW。下圖分別為Load1、Load4參數(shù)設(shè)置。（4）三相電壓電流測量模塊：勾選使用標(biāo)簽，按線路設(shè)置標(biāo)簽序號。下圖為線路一測量模塊的參數(shù)設(shè)置。 （5）故障模塊設(shè)置：選擇在第三條出線的1km處（即Line3與Line4之間）發(fā)生A相金屬性單相接地，故障模塊的參數(shù)設(shè)置如下圖所示：系統(tǒng)的零序電壓3U0及每條線路始端的零序電流3I0采用下圖連接方式測量得到：故障點的接地電流I

11、d可用下圖萬用表測量得到：根據(jù)以上設(shè)置的參數(shù)，可以通過計算得到系統(tǒng)在第三條出線的1km處（即Line3與Line4之間）發(fā)生A相金屬性單相接地時各線路始端的零序電流有效值為：線路1：5.75A，線路2：13.5A，接地點的電流為20.18A。 3.1.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真模型及計算在上實驗基礎(chǔ)上，在電源中性點添加一個電感線圈，其他參數(shù)不變。仿真模型如下圖所示：根據(jù)線路參數(shù)，如果要使接地點電流近似為0，計算得需要的補(bǔ)償電感應(yīng)為L=0.9566H，由于完全補(bǔ)償存在串聯(lián)諧振過電壓問題，因此實際工程常采用過補(bǔ)償方式，當(dāng)取過補(bǔ)償度為10%時，經(jīng)計算消弧線圈電感為L=0.8697H。消弧線圈

12、參數(shù)設(shè)置如下圖：3.2 小電流接地系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析 在仿真開始前，選擇離散算法，仿真結(jié)束時間取0.2s，利用Powergui模塊設(shè)置離散方式，時間為1x10-5s，系統(tǒng)在0.04s時發(fā)生A相金屬性單相接地。 3.2.1 中性點不接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析設(shè)置好參數(shù)，運(yùn)行10kV中性點不接地仿真模型，得到系統(tǒng)三相對地電壓和線電壓的波形，如下圖所示。 從圖中可見，系統(tǒng)在0.04s時發(fā)生A相金屬性單相接地后，A相對地電壓變?yōu)榱?，BC相對地電壓升高倍，但線電壓仍然保持對稱故對負(fù)荷沒有影響。系統(tǒng)的零序電壓3U0及線路一始端的零序電流3I0、故障點的接地電流Id波形如下圖所示：仿真得到的各線路始端零序電流，

13、接地電流Id的有效值為：線路一：5.83A，線路二：7.99A，線路三：13.86A，Id=20.64A。與理論計算值相比，仿真結(jié)果略大，但誤差不大于3%。從上圖中可以看出，在中性點不接地方式下，非故障線路的零序電流超前零序電壓90；故障線路的零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和，零序電流滯后零序電壓90；故障線路的零序電流和非故障線路的零序電流相位差為180。故障后的零序分量還可以采用下圖所示的“三相序分量模塊”方法來得到，下圖所示波形為故障線路零序電流的幅值和相位圖。 由圖中可得故障線路零序電流的幅值為I0=6.52A，則3I0的有效值為13.83A，與從上圖中線路三測量得到的13

14、.86A僅相差0.2%。 3.2.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析 設(shè)置好參數(shù)，運(yùn)行10kv中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)仿真模型，得到系統(tǒng)三相對地電壓和線電壓的波形與不接地系統(tǒng)仿真圖相同。系統(tǒng)的零序電壓3U0及線路一始端的零序電流3I0、消弧線圈電流IL、故障點的接地電流Id波形如下圖所示： 從上圖所知，當(dāng)單相接地故障的暫態(tài)過程結(jié)束后，故障點的接地電流Id的有效值在2.9A左右，遠(yuǎn)小于中性點不接地系統(tǒng)的接地電流，因此補(bǔ)償?shù)男Ч置黠@。 對于非故障線路來說，其零序電流仍是本身的電容電流，零序電流超前零序電壓90，電容電流的實際方向為由母線流向線路，這與中性點不接地系統(tǒng)是相同的。但是對于

15、故障路線路來說，其零序電流將大于本身的電容電流，并且電容電流的實際方向也是由母線流向線路。因此，在這種情況下無法用電流方向的差別來判斷故障線路，也很難用零序電流的大小來找出故障線路。實驗四 Simulink在變壓器微機(jī)繼電保護(hù)中的應(yīng)用舉例4.1 變壓器仿真模型構(gòu)建根據(jù)雙側(cè)電源的雙繞組變壓器的簡單電力系統(tǒng)接線圖，利用Simulink繪制仿真電路圖如下：（1） 電源模塊：電源EM與電源EN電勢相位差10，其他設(shè)置相同，下圖為電源EN參數(shù)設(shè)置：（2） 變壓器模塊：勾選“飽和鐵心（Saturable core）”，為了簡化仿真，變壓器兩側(cè)的繞組接線方式相同，電壓等級也相同，參數(shù)設(shè)置如下圖所示：（3）

16、三相電壓電流測量模塊UM、UN將在變壓器兩側(cè)測量到的電壓、電流信號轉(zhuǎn)變成Simulink信號，相當(dāng)于電壓、電流互感器的作用。UM模塊的參數(shù)設(shè)置如下圖所示，UN模塊參數(shù)設(shè)置與此相仿，只是輸出信號分別為“Vabc_N”，“Iabc_N”。（4） 三相斷路器模塊QF1和QF2分別來控制變壓器投入，故障模塊Fault1和Fault2分別用來仿真變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。4.2 變壓器空載合閘時勵磁涌流的仿真設(shè)置三相斷路器模塊QF1的切換時間為0s，仿真時間為0.5s，仿真算法Ode23t。三相斷路器模塊QF2、故障模塊Fault1、Fault2在仿真中均不動作（設(shè)置其切換時間大于仿真時間即可）。為

17、了觀察勵磁涌流，在仿真中添加下圖所示示波器模塊，參數(shù)設(shè)置如下圖：運(yùn)行仿真，得到空載合閘后的三相勵磁涌流的波形如下圖所示：通過Powergui模塊中的FFT Analysis對勵磁涌流波形進(jìn)行諧波分析，其界面如下圖所示：為了比較合閘時勵磁涌流與短路電流的大小，設(shè)置故障模塊Fault1，使電路在0.25-0.45s間發(fā)生三相短路，運(yùn)行仿真，結(jié)果如下圖所示，在本次仿真中，A相空載合閘時的勵磁涌流峰值比短路電流要稍小，而B、C相空載合閘時的勵磁涌流峰值要比短路電流大。將變壓器的二次繞組改為“D11”接線方式時，電源EM的A相初相位仍設(shè)為0，運(yùn)行仿真，得到空載合閘后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)、外故障時比率制動的仿真為了仿真比率制動式差動保護(hù)在變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)、外故障時電流的情況，增加運(yùn)算及示波器模塊如下圖所示：設(shè)置三相斷路器模塊QF1、QF2的切換時間均為0s，并設(shè)置故障模塊Fault1，使電路在0.3-0.5s間發(fā)生三相短路，故障模塊Fault2不動作，運(yùn)行仿真，得變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時的電流波形如下圖所示，從圖中可以明顯看出差動電流大于制動電流，保護(hù)能夠可靠動作。設(shè)置故障Fault2，使電路在0.3-0.5s間發(fā)生三相短路，故障模塊Fault1不動作，運(yùn)行仿真，得變壓器保護(hù)區(qū)外故障的電流波形如下圖所示，從圖中可以明顯看