基于MATLABsimulink同步發(fā)電機突然三相短路仿真

題目基于MATLAB/simulink同步發(fā)電機突然三相短路仿真學(xué)生姓名孫奔奔學(xué)號201405050316專業(yè)班級電氣1403設(shè)計內(nèi)容與要求1.設(shè)計要求掌握電力系統(tǒng)故障的類型，概念，類型及基本原理、方法；并熟悉Matlab/Simulink軟件在電力系統(tǒng)中的運用；并對同步電機短路過程進行分析和仿真。其目的在于加深學(xué)生對電力系統(tǒng)暫態(tài)分析中課程中基本概念和計算方法的理解，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析和解決問題的能力。2.內(nèi)容1）學(xué)習(xí)并掌握Matlab/Simulink，包括學(xué)習(xí)Simulink中元件的選取、初始化、參數(shù)給定、圖像顯示等；2）熟悉中性；3）掌握電力系統(tǒng)中各元件參數(shù)標(biāo)幺值的計算及電力系統(tǒng)的等值網(wǎng)絡(luò)的繪制；4）掌握電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中短路計算的方法，熟悉短路電流的波形；5）通過對比仿真圖形進行分析，得出結(jié)論；6）整理課程設(shè)計論文。起止時間2017年6月26日至2017年7月3日指導(dǎo)教師簽名2017年6月22日系（教研室）主任簽名2017年6月23日學(xué)生簽名2017年6月24日目錄TOC\o"1-2"\h\u第一章緒論 21.1超導(dǎo)體閉合回路磁鏈?zhǔn)睾阍硪约巴诫姍C電樞反應(yīng)原理: 31.2等效阻尼繞組的電流 31.3三相短路計算的簡化假設(shè) 41.4發(fā)生短路故障時可能產(chǎn)生以下后果： 5第二章Matlab簡介 52.1MATLAB 52.2SimPowerSystem介紹 6第三章同步發(fā)電機突然短路的暫態(tài)過程仿真 73.1同步發(fā)電機突然三相短路暫態(tài)過程簡介 73.2同步發(fā)電機突然三相短路的暫態(tài)過程的數(shù)值計算與仿真方法 9第四章有關(guān)暫態(tài)仿真實驗圖示 12第一章緒論在電源電壓的幅值和頻率保持恒定的情況下，三相電路發(fā)生三項短路的情形。實際上，發(fā)生短路時，作為電源的發(fā)電機的內(nèi)部也發(fā)生暫態(tài)過程，并不能保持其端電壓和頻率不變，一般講，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的慣性較大，在分析短路電流時可以近似地認(rèn)為轉(zhuǎn)子保持同步轉(zhuǎn)速，即頻率保持恒定，但通常應(yīng)計及發(fā)電機的電磁暫態(tài)過程。2002年我國220k故障線路統(tǒng)計表故障類型三相短路兩相短路兩相接地單相接地其他故障故障次數(shù)172891131932故障百分比1.14%1.88%6.12%88.7%2.16%三項短路雖然很少發(fā)生，但情況比較嚴(yán)重，且三相短路時電力系統(tǒng)仍是對稱的，稱為對稱故障，故本次分析三項短路故障。1.1超導(dǎo)體閉合回路磁鏈?zhǔn)睾阍硪约巴诫姍C電樞反應(yīng)原理:（1）電機轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上對直軸和交軸完全對稱，定子三相繞組完全對稱，在空間互差120°電角度。（2）定子電流在氣隙中產(chǎn)生正弦分布的磁動勢，轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組間的互感磁通也在氣隙中按正弦規(guī)律分布。（3）定子及轉(zhuǎn)子的槽和通風(fēng)溝不影響定子及轉(zhuǎn)子繞組的電感，即認(rèn)為電機的定子及轉(zhuǎn)子具有光滑的表面。此外，假設(shè):（1）在暫態(tài)過程期間同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子保持同步轉(zhuǎn)速，即只考慮電磁暫態(tài)過程，而不計機械暫態(tài)過程。（2）電機鐵芯部分的導(dǎo)磁系數(shù)為常數(shù)，忽略磁路飽和的影響，在分析中可以應(yīng)用疊加原理。（3）發(fā)生短路后勵磁電壓始終保持不變，不考慮短路后發(fā)電機端電壓降低引起的強行勵磁。（4）短路發(fā)生在發(fā)電機定子出線端口。如果短路發(fā)生在出線端外，可以把外電路的阻抗合并至定子繞組的電阻和漏抗上，只要定子總回路的電阻交電抗仍小得多，則短路后的物理過程和出線端口短路是一樣的。1.2等效阻尼繞組的電流凸級同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極上兩端短接的阻尼條和隱級機轉(zhuǎn)子整塊鐵芯中的渦流回路在穩(wěn)態(tài)運行時是沒有電流的，在暫態(tài)過程中會感生電流。為了分析簡便，一般將阻尼條構(gòu)成的回路和鐵芯中渦流回路等效地視作兩個繞組，一個與勵磁繞組同軸向（d軸），稱為直軸阻尼繞組D，另一個則為與q軸同向的交軸阻尼繞組Q。定子短路的等效的阻尼繞組D和Q中均無電流。不難理解，短路后D繞組中和勵磁繞組一樣為保持磁鏈?zhǔn)睾銜猩绷麟娏骱突l交流電流，而Q繞組中則只有基頻交流，而沒有直流電流，這是因為假設(shè)定子回路電阻為零，定子基頻交流電流合成的只有直軸方向的電樞反應(yīng)。（一）定子和轉(zhuǎn)子回路（勵磁和阻尼回路的統(tǒng)稱）電流分量的對應(yīng)關(guān)系和衰減在以上分析中，先討論定子短路電流分量，然后說明這些分量分別引起轉(zhuǎn)子回路對應(yīng)的電流分量，這是為了敘述的方便。實際上，短路后定子和轉(zhuǎn)子回路電流是同時出現(xiàn)的，各隊?wèi)?yīng)分量是相互依存、相互影響的。此外，前面是在假設(shè)各回路均為超導(dǎo)體，其磁鏈?zhǔn)睾愕那闆r下，分析得到各交流分量幅值也不變，各直流分量大小不變。但各繞組均有電阻，其磁鏈不可能永遠不變，相應(yīng)的電流分量也是會變化的。先看定子回路直流分量ia（含倍頻分量），它企圖維持三相繞組的磁鏈*，*，*不變，但直流分量是無源的自由分量，它流過電阻消耗能量，最后必然衰減至零。相應(yīng)地，與定子直流分量相對應(yīng)的轉(zhuǎn)子回路的交流分量也同樣衰減至零。顯然，定子直流分量的衰減時間常數(shù)Ta，主要取決與定子回路的電阻、電感。同樣，轉(zhuǎn)子回路感生的自由直流分量，即勵磁繞組中的ifa和阻尼繞組D中的iDx，均是無源的自有分量。當(dāng)他們流過轉(zhuǎn)子回路時，由于電阻的存在，他們也會最終衰減至零。與轉(zhuǎn)子回路直流分量相對應(yīng)的定子基頻交流分量也會衰減，不過不會衰減至零。因為勵磁電流if|0|始終存在，其產(chǎn)生的主磁通f在短路的三相定子回路中感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生三相穩(wěn)態(tài)短路電流（I無窮）。與前類似，轉(zhuǎn)子回路的自由直流分量的衰減時間常數(shù)主要取決于轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)。所不同的是轉(zhuǎn)子直軸有相互磁藕合的勵磁和阻尼回路D，故衰減過程有兩個時間常數(shù)，他們的大小與兩個回路的參數(shù)均有關(guān)。不過同步發(fā)電機的實際情況是，勵磁繞組的電感較等效阻尼繞組D的電感大得多。附錄C的推導(dǎo)表名，較小的時間常數(shù)Td主要與阻尼繞組D的參數(shù)有關(guān)，而較大的時間常數(shù)Td主要與勵磁繞組參數(shù)有關(guān)。因此，當(dāng)按Td變化的過程結(jié)束后，阻尼繞組D的作用就近似不從在了。定子回路穩(wěn)態(tài)短路電流基頻交流電流初始與穩(wěn)態(tài)值之差直流電流倍頻電流勵磁回路阻尼回路D阻尼回路Q勵磁電流直流電流直流電流基頻交流電流基頻交流電流基頻交流電流定子回路穩(wěn)態(tài)短路電流基頻交流電流初始與穩(wěn)態(tài)值之差直流電流倍頻電流衰減情況否衰減至零時間常數(shù)主要決定于轉(zhuǎn)子回路參數(shù)衰減至零時間常數(shù)主要決定于定子回路參數(shù)1.3三相短路計算的簡化假設(shè)1.不計入發(fā)電時間的搖擺現(xiàn)象和磁路飽和。2.假設(shè)發(fā)電機是對稱的，部隊發(fā)電機做過細的討論，只用次暫態(tài)電動勢和次暫態(tài)電抗來表示發(fā)電機。1.不計入發(fā)電時間的搖擺現(xiàn)象和磁路飽和。2.假設(shè)發(fā)電機是對稱的，部隊發(fā)電機做過細的討論，只用次暫態(tài)電動勢和次暫態(tài)電抗來表示發(fā)電機。3.因為短路電流很大，相比之下可以忽略變壓器的對地導(dǎo)納（即忽略其勵磁支路）4.忽略電力線路的對地電容，在高壓電網(wǎng)（110kv及110kv以上）忽略電力線路的電阻。1.4發(fā)生短路故障時可能產(chǎn)生以下后果：1.通過短路點的很大短路電流和所燃起的電弧使短路點的元件發(fā)生故障甚至損壞。2.短路電流通過非故障設(shè)備時，由于發(fā)熱河電動力的作用，引起他們使用壽命縮短甚至損壞。3.電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的電壓大大降低，使大量電力用戶的正常工作早到破壞。4.破壞電力系統(tǒng)個發(fā)電廠之間并行運行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)崩潰。第二章Matlab簡介2.1MATLABMATLAB是目前國際認(rèn)可的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。在大學(xué)里，它是用于初等和高等數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)工具；在工業(yè)界，它是一個高效的研究、開發(fā)和分析工具。隨著科技的發(fā)展，許多優(yōu)秀工程師不斷對MATLAB進行了完善，使其從一個簡單的矩陣分析軟件逐步發(fā)展成為一個具有極高通用性，并帶有眾多實用工具的運算操作平臺。由于電力系統(tǒng)的特殊性，對很多故障處理方法不可能進行現(xiàn)場的實際模擬運行分析，只能借助于計算機仿真手段。電力系統(tǒng)仿真可分為離線仿真和實時仿真。電力系統(tǒng)離線仿真是在數(shù)字計算機上為電力系統(tǒng)的物理過程建立數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)方法求解，已進行仿真研究的過程，其仿真速度與實際系統(tǒng)的動態(tài)過程不等。目前電力系統(tǒng)離線仿真可分為電磁暫態(tài)仿真、機電暫態(tài)過程仿真和中長期動態(tài)過程仿真。1984年,MATLAB由美國MathWorks軟件公司推向市場，通過不斷的改進，MATLAB逐步發(fā)展成為一個集數(shù)值處理、圖形處理、圖像處理、符號計算。文字處理、數(shù)學(xué)建模、實時控制、動態(tài)仿真、信號處理為一體的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件。現(xiàn)已成為國際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。該軟件有三大特點：一功能強大；二界面友好、語言自然；三開放性強，已成為應(yīng)用科學(xué)計算機輔助分析、設(shè)計、仿真、數(shù)學(xué)乃至科技文字處理不可缺少的基礎(chǔ)。1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具-Simulink，此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接。只需使用鼠標(biāo)將功能模塊拖放到模型編輯窗口，并將它們連接起來，就可以快速地建立動態(tài)系統(tǒng)仿真模型，然后利用該軟件提供的功能對系統(tǒng)進行直接仿真。Simulink是MATLAB提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，是基于框圖的仿真平臺。Simulink掛接在MATLAB環(huán)境上，以MATLAB的強大計算功能為基礎(chǔ)，利用直觀的模塊框圖進行仿真與計算。Simulink提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴展的、內(nèi)容豐富的模塊庫，為系統(tǒng)仿真提供了極大便利。在Simulink平臺上拖曳和連接典型模塊就可以繪制仿真對象的模塊框圖，并對模型進行仿真。Simulink是一個用來進行動態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的集成軟件包，它不僅支持線性系統(tǒng)仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，既可以進行連續(xù)系統(tǒng)仿真，也可以進行離散系統(tǒng)仿真或者二者的混合系統(tǒng)仿真，同時它還支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)仿真。Simulink比傳統(tǒng)的軟件包更直觀、方便和靈活，它充分地利用了圖形窗口技術(shù)，用戶可以很容易用鼠標(biāo)拖拉來創(chuàng)建線性的、離散的、連續(xù)的和混合模型，用它進行仿真和分析就好像是用筆在紙上繪圖一樣容易。同時Simulink還可以和其他軟硬件之間進行數(shù)據(jù)傳遞，從而很方便的完成仿真工作。[5]2.2SimPowerSystem介紹SimPowerSystem（電力電子系統(tǒng)建模和仿真工具）是在Simulink下面的一個專用模塊庫，該模塊庫包含電氣網(wǎng)絡(luò)中常見的元器件和設(shè)備，以直觀易用的圖形方式對電氣系統(tǒng)進行模型描述。模型可與其它Simulink模塊相連接，進行一體化的系統(tǒng)級動態(tài)分析。SimPowerSystem的出現(xiàn)為發(fā)電輸電系統(tǒng)和電力分配計算提供了強有力的解決方法。以前的電力系統(tǒng)數(shù)值仿真技術(shù),其效果的好壞與研究人員自身的建模與編程能力有關(guān)。MATLAB開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真工具箱,將電力系統(tǒng)研究人員從繁瑣的系統(tǒng)建模和程序編寫工作中解脫出來。MATLAB的電力系統(tǒng)仿真工具箱具有以下3個方面的優(yōu)點:(1)電力系統(tǒng)仿真工具箱內(nèi)部的元件庫提供了常用的各種電力元件數(shù)學(xué)模型,并且提供了可以自己編程的方式創(chuàng)建合適的元件模型。(2)電力系統(tǒng)仿真工具箱可以與其它工具箱接口,為經(jīng)過電力仿真后的數(shù)據(jù)處理提供了功能齊全的分析手段。(3)電力系統(tǒng)仿真工具箱的界面友好,使用方便,廣大電力系統(tǒng)研究人員能夠輕松簡單地掌握電力系統(tǒng)仿真工具箱。第三章同步發(fā)電機突然短路的暫態(tài)過程仿真同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最重要和最復(fù)雜的元件，它由多個有磁耦合關(guān)系的繞組構(gòu)成，定子繞組同轉(zhuǎn)子繞組之間還有相對運動，同步電機突然短路的暫態(tài)過程要比穩(wěn)態(tài)對稱運行時復(fù)雜得多。穩(wěn)態(tài)對稱運行時，電樞磁勢的大小不隨時間變化，而且在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，它同轉(zhuǎn)子沒有相對運動，因此不會在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流。突然短路時，電子電流在數(shù)值上發(fā)生急劇變化，電樞反應(yīng)磁通也隨著變化，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流又反過來影響定子電流的變化。定子和轉(zhuǎn)子繞組電流的相互影響是同步電機突然短路暫態(tài)過程的一個顯著特點。3.1同步發(fā)電機突然三相短路暫態(tài)過程簡介在分析同步發(fā)電機突然三相短路暫態(tài)過程中，可以利用疊加原理，這樣同步發(fā)電機端突然短路相當(dāng)于在發(fā)電機端口處突然加上了與電機短路前的端電壓大小相等單方向相反的三相電壓。在定子繞組上突然加以對稱的相電壓后，為了保持其無源閉合電路的磁鏈不變，在其定子繞組中將要引起相應(yīng)的瞬變電流，而且這些瞬變電流還要按照一定的時間常數(shù)逐步衰減至穩(wěn)態(tài)值。當(dāng)發(fā)電機突然短路時，定子各繞組電流將包含基頻分量，倍頻分量和直流分量。到達穩(wěn)態(tài)后，定子電流起始值中的直流分量和倍頻分量將由其起始值衰減到零，而基頻分量則由其起始值衰減為相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值。同樣，在轉(zhuǎn)子繞組中也包含直流分量和同頻率交流分量。引入衰減因子后，定子電流的d軸和q軸分量分別為經(jīng)過變化和整理，可得定子a相電流為：轉(zhuǎn)子繞組中的電流：短路電流近似表達式（一）基頻交流分量的近似表達式相應(yīng)的三相交流電流瞬時值:二）全電流的近似表達式如果忽略倍頻交流分量，則直流分量的起始值和基頻交流分量的初始瞬時值大小相等，方向相反。電路表達式為:3.2同步發(fā)電機突然三相短路的暫態(tài)過程的數(shù)值計算與仿真方法1.同步發(fā)電機突然三相短路的暫態(tài)過程的數(shù)值計算假設(shè)一臺有阻尼繞組同步發(fā)電機：,,,,,,,,,,,,,。若發(fā)電機空載，端電壓為額定電壓，端子突然發(fā)生三相短路，且，利用matlab對突然三相短路后的定子電流驚醒數(shù)值計算的基本步驟如下：1，首先計算各衰減的時間常數(shù)。根據(jù)參考文獻可知：由于空載時，,,,則利用公式可得a相定子電流表達式為：2，利用MATLAB對上式進行數(shù)值計算并繪圖的m文件程序清單如下：%%****************************************************N=48;t1=(0:0.02/N:1.00);fai=0*pi/180;Ia=-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)+4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180)+0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*2*pi*50*t1+fai);Ia1=-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai);>>Ia2=0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*2*pi*50*t1+fai);Iap=4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180);subplot(4,1,1);plot(t1,Ia);>>gridon;axis([01-1010]);ylabel('Ia(p.u.)');subplot(4,1,2);plot(t1,Ia1);>>gridon;axis([01-1010]);ylabel('Ia1(p.u.)');subplot(4,1,3);plot(t1,Ia2);gridon;axis([01-11]);ylabel('Ia2(p.u.)');subplot(4,1,4);plot(t1,Iap);gridon;axis([01-1010]);ylabel('Iap(p.u.)');xlabel('t/s');運行以上程序得到發(fā)電機端突然三相短路時的a相定子電流，以及基頻分量，倍頻分量和非周期分量的波形圖如圖5-12所示，并且短路后的沖擊電流標(biāo)幺值為9.1927第四章有關(guān)暫態(tài)仿真實驗圖示圖5-12發(fā)電機端突然發(fā)生三相短路時的a相定子電流波形圖當(dāng)發(fā)電機端突然發(fā)生三相短路時，定子電流中的倍頻分量是很小的，為了能夠在圖5-12中表示清楚，將其縱坐標(biāo)的值取為【-1,1】，波形相應(yīng)地被放大。發(fā)電機突然同步三相短路暫態(tài)過程的仿真方法針對以上的發(fā)電機參數(shù)，建立其Simulink仿真模型如圖5-13所示。圖5-13發(fā)電機端突然發(fā)生三相短路的Simulink仿真模型在圖5-13中，同步發(fā)電機采用p.u.標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)電機模塊，根據(jù)前面的計算，其參數(shù)設(shè)置如圖5-14所示。圖5-14同步發(fā)電機模塊的參數(shù)設(shè)置升壓變壓器T采用“Three-phrasetransformer(TwoWindings)”模型，其參數(shù)設(shè)置如圖5-15所示。圖5-15升壓變壓器模塊的參數(shù)設(shè)置由于同步發(fā)電機模塊為電流源輸出，因此在其端口并聯(lián)了一個有功功率為5MW的負(fù)荷模塊。仿真開始前，要利用Powergui模塊對電機進行初始化設(shè)置。單機Powergui模塊，打開潮流計算和電機初始化窗口，設(shè)置參數(shù)如圖5-16所示。圖中設(shè)定同步發(fā)電機為平衡節(jié)點“Swingbus”。初始化后，與同步電機模塊輸入端口相連的倆個常數(shù)模塊Pm和Vf以及圖5-14中的“Init.Cond.”將會自動設(shè)置。從圖5-16中還可以看出，a相電流滯后a相電壓4.43度，即電流與電壓波形的過零點相差0.25ms。因此在故障模塊中設(shè)置0.02025s時發(fā)生三相短路故障，其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。選擇Ode15s算法，仿真的結(jié)束時間取1s。開始仿真，得到發(fā)電機端突然三相短路后的三相定子電流波形圖如圖5-17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。如圖5-18所示為短路后定子電流的d軸和q軸分量id,iq以及勵磁電流if的仿真波形圖。圖5-16利用Powergui模塊的潮流計算和電機初始化窗口計算初始參數(shù)改變故障模塊中的短路類型，就可以仿真同步發(fā)電機發(fā)生各種不對稱短路時的故障情況。例如，設(shè)置在0.02025s時發(fā)生BC兩相短路故障