基于MATLAB的同步发电机突然短路设计

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1页共24页第1章绪论电力系统仿真是将电力系统的模型化、数学化来模拟实际的电力系统的运行，由于电力系统是个复杂的系统，运行方式也十分复杂，因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大，也不直观。随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大。在这种情况下，许多大型的电力科研试验很难进行，一是实际的条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的。因此，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具必不可少。而在众多的仿真工具中，MATLAB以其优越的运算能力、方便和完善的绘图功能脱颖而出。1.1设计目的让学生综合运用Matlab/Simulink仿真工具箱，建立电力系统仿真模型，对系统三相短路和单相短路等故障形式进行设计、仿真、分析，加深对供电和电力系统知识的了解，并进一步熟悉MATLAB电力系统这一仿真工具。1.2设计任务1.运用Simulink建立简单的单机-无穷大系统进行仿真，对系统运行出现短路情况时的仿真结果进行详细的分析。2.建立带励磁系统的发电机系统，通过仿真结果分析带上励磁系统时电压和电流的变化情况。1.3设计要求1.要求每个学生独立完成设计任务。2.针对每个仿真要给出详细的结果分析。3.完成实训任务书。4.要求提交成果：报告书一份。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第2页共24页第2章MATLAB语言的概述2.1MATLAB简介MATLAB是将计算、可视化、程序设计融合在一起的功能强大的平台，所具有的程序设计灵活，直观，图形功能强大的优点使其已经发展成为多学科，多平台的强大的大型软件。MATLAB提供的Simulink工具箱是一个在MATLAB环境下用于对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它提供了用方框图进行建模的接口，与传统的仿真建模相比，更加直观、灵活。Simulink的作用是在程序块间的互联基础上建立起一个系统。每个程序块由输入向量，输出向量以及表示状态变量的向量等3个要素组成。在计算前，需要初始化并赋初值，程序块按照需要更新的次序分类。然后用ODE计算程序通过数值积分来模拟系统。MATLAN含有大量的ODE计算程序，有固定步长的，有可变步长的为求解复杂的系统提供了方便。MATLAB在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块SimPowerSystem来完成的。由于电力系统是个复杂的系统，运行方式也十分复杂，因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大，也不直观。MATLAB的出现给电力系统仿真带来了新的方法和手段。通过MATLAB的SimPowerSystem的模块对电力系统中的应用进行仿真，从而说明其在电力系统仿真中的运用电力系统的仿真可以帮助人们通过计算机手段分析实际电力系统的各种运行情况，通过故障仿真得出了相关的电压稳定性方面的结论，从而证明了这种仿真的正确性和在分析应用中的可行性。2.2Simulink简介Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。由于Simulink可以很方便地创建和维护一个完整的模型，评估不同算法和结构并验证系统性能，另外Simulink还可以与MATLAB中的DSP工具箱、信号处理工具箱以及通讯工具箱等联合使用，进而实现软硬件的接口，从而成为实用的吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第3页共24页控制软件。在MATLAB命令窗口键入Simulink命令，或单击MATLAB工具栏中的Simulink图标，则可以打开Simulink模型库窗口。如图2-1所示。这一模型库包括以下各个子模型库:Sources(输入源)、Siuk(输出方式)、Discrete(离散时间模型)、Function&Tables(功能列表)、Math(数学方法)、Signals&System(信号或系统)、Linear(线性环节)、Nonlinear(非线性环节)、Connections(连接及接口)等。Simulink基本模块简介，有信号源模块库(Source)，输出模块库（Sinks），连续系统模块库（Continuous），离散系统模块库（Discrete），数学运算模块库（MathOperations）,通用模块库（commonlyusedblocks）,信号路径模块库（SignalRouting）,电源模块库（ElectricalSource）,电器元件库（Elements）,电机模块库（Machines）,电力电子模块库（PowerElectronics）,电力电子模块库（PowerElectronics）,测量模块库（measurements）等等。图2-1Simulink模块库浏览器吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第4页共24页第3章电力系统运行故障分析3.1短路的危害短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生系统通路的情况。电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。3.2故障原因（1）元件损坏例如绝缘材料的自然老化，设计，安装维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等；（2）气象条件恶化例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌；（3）违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等；（4）其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第5页共24页第4章基于MATLAB的单机-无穷大系统模型建立4.1系统模型的建立系统模型如图4-1所示：图4-1单机-无穷大系统4.2基于Simulink的模型建立Simulink模型建立主要包括以下元件：简化发电机、电压-电流测量元件、断路器、变压器、输电线路、负载、短路故障发生器等，搭建仿真模型如图4-2所示:图4-2单机-无穷大系统仿真图4.3模块选择以及参数设定吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第6页共24页(1)从电机元件库中选择简化的同步电机元件如图4-3，复制后粘贴在电路图中。设置参数如下：连接类型（connectiontype）：[3-wireY]电机额定参数（nominalpower,L-Lvoltandfreq）：[1000e6315e350]机械参数（mechanical）：[5629002]内部电阻（Internalimpedance）：[1.9845,263.15e-3]初始状态（Initialcondition）：[00000000]图4-3简化同步电机模型图设置施于简化的同步电机上的功率。该机械功率使用一个常数发生器来设置，如图4-4所示。双击常数发生器元件，在参数对话框中将数值设为700e6，作为机械功率值。电压幅值使用一个常数发生器来设置，如图3-4所示，将常数发生器数值改为156e3作为电压幅值。图4-4常数发生器元件图（2）从测量元件库中选择三相电压-电流测量（3-phaseV-IMeasurements）元件，复制后粘贴在电路图中，如图4-5所示，将三相电压-电流测量元件名称改为：发电机电压-电流值。图4-5三相电压-电流测量元件图双击三相电压-电流测量元件，在三相电压-电流测量元件参数对话框进行如下设置：电压测量选项中包括3个选项，分别是不测量电压（no）、测量相电压（phase-to-ground）和测量线电压（phase-to-phase）。电流测量选项中有测量和不测量选项，在本例中选择测量相电压和测量电流选项。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第7页共24页单击OK按钮完成对电压-电流测量元件的参数设置。（3）从线路元件库中选择三相电路短路故障发生器元件，复制后粘贴在电路图中，如图4-6所示。图4-6三相电路短路故障发生器参数设置如下：故障点电阻（FaultresistancesRon）：0.001故障点接地电阻（GroundresietancesRg）：0.001转换状态（Transitionstatus）：[10]转换时间（Transitiontimes）：[0.20.3]内部计时器的采样时间（SampletimeoftheTs）：0缓冲电阻（SnubberresistanceRp）：1e6缓冲电容（SnubberCapacitanceCp）：inf测量（Measurements）：选择不测量选项单击OK按钮完成对三相电路短路故障发生器的设置。（4）从线路元件库三相断路器元件，复制后粘贴在电路图中，如图4-7所示。图4-7三相断路器三相断路器的参数设置如下：初始状态（Initialstatusofbreakers）：故障相选择（SwitchingofA、B、C）：A、B、C三相都选择转换时间（Transitiontime）：[0.01]内部计时器的采样时间（SampletimeoftheTs）：0外部控制时间（Extarnalcontrolofswitchingtimes）：不选择断路器电阻（BreakersresistanceRon）：0.001迟滞电阻（SnubbersresistanceRp）：1e6迟滞电容（snubberscapacitanceCp）：inf测量（Measurements）：选择不测量选项吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第8页共24页单击OK按钮完成对三相短路器的设置。（5）从线路元件库中选择三相变压器元件，复制后粘贴在电路图中，如图4-8所示。图4-8三相变压器变压器参数设置如下：额定功率和频率（Nominalpowerandfrequency）：[250e650]原边绕组接法（winding1connaction）：Y原边绕组参数（windingparancters）：[424.35e3,0.002,0.08]副边绕组接法（winding2connaction）：Delta(D11)副边绕组参数（windingparancters）：[315e3,0.002,0.08]磁阻（MagnetirationresistanceRm）：500磁感（MagnetirationreactanceLm）：500测量（Measurements）：选择不测量选项单击OK按钮完成对三相变压器的设置。（6）从线路元件库中选择三相分布参数传输线元件，复制后粘贴在电路图中，如图4-9所示。图4-9分布参数传输线图参数设置如下：线路相数（NumberofphaseN）：3用于电阻、电感和电容的频率（Frequency）：50单位长度电阻（resistanceperunitlength）：[0.012730.3846]单位长度电感（Inductanceperunitlength）：[0.9337e-34.1264e-3]单位长度电容（Capacitanceperunitlength）：[12.74e-97.751e-9]线路长度（LineLength）：300测量（Meadurements）：选择不测量电气量吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第9页共24页单击OK按钮完成对三相分布参数传输线的设置。（7）从线路元件库中选择三相串联RLC负载元件，复制后粘贴在电路图中，如图4-10所示。图4-10三相串联RLC负荷元件三相串联RLC负载