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基于MATLAB的电力系统仿真
摘 要：目前，随着科学技术的发展和电能需求量的日益增长，电力系统规模越来越庞大，超
高压远距离输电、大容量发电机组、各种新型控制装置得到了广泛的应用，这对于合理利用能源，充分挖掘现有的输电潜力和保护环境都有重要意义。另一方面，随着国民经济的高速发展，以城市为中心的区域性用电增长越来越快，大电网负荷中心的用电容量越来越大，长距离重负荷输电的情况日益普遍，电力系统在人民的生活和工作中担任重要角色，电力系统的稳定运行直接影响的人们的日常生活。随着电力系统的飞速发展和电网的日益扩大以及自动化程度的不断提高，电力系统中许多计算和控制问题日益复杂，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，因此迫切要求运用电力仿真来解决这些问题。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，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,从而有效了解电力系统概况。
本文根据电力系统的特点，利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了含发电机、变压器、输电线路、无穷大电源等的系统的仿真模型，得到了在该系统主供电线路电源端发生三相短路接地故障并由故障器自动跳闸隔离故障的仿真结果，并分析了这一暂态过程。通过仿真结果说明MATIAB电力系统工具箱是分析电力系统的有效工具。
关键词：电力系统；三相短路；故障分析；matlab仿真
Electric Power System Simulation Base on MATLAB
Abstract： Now, with the development of science and techmology and the growing demand for eletrical energy, power systems get increasingly large and long-distance EHV power transmission, large capacity electric generating set, as well as the various new control devices widely used. This the other is rising more and more rapidly, power demand in large electric system’ laod centers is growing faster and faster, and long-distance and is more and more popular. Power system play an important part in people’s lives and work, power system and stable operation of a direct impact on the people’s daily life, with the rapid development of power systems and power grids is increasing with days and the degree of automation continuous improvement, many computing and control of the power system increasingly complex issues, it is impossioble to take a direct
This paper base on the characteristics of the power system, using the software MATAB simulink built with generators,transformers,power line,such as the infinite
power system simulation model, and result of three-phase short-circuit fault which in the main power-supply line and the fault automatic tripping isolation by the three-phase fault, and analysis of this transient. The simulation results show MATLAB power system toolbox of the power system is an effective tool.
Key words: Power system ；Three-phase short-circuit ；Fault analysis ；
MATLAB simulation
第一章 绪论
1.1 我国电力系统情况简介
电力系统是由发电厂、电力网和电力负荷组成的电能生产、传输和转化的系统。而电力负荷则是该系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率的总称，有时也包括将这些用电设备连接起来的配电网。目前，我国正处于经济快速发展的时期，电力系统也步入了大电网、超高压、大机组、远距离的时代，但由于目前的经济发展速度远远超出了国家的预期，导致近些年来出现全国范围内电力建设落后于国民经济发展水平的局面，电力系统运行在接近电网极限输送能力状态的几率大大增加，从而较大程度上存在着发生电压崩溃事故的威胁。
我国电力系统是随着我国电力工业的发展而逐步形成的。国民经济的迅速发展，我国的电力工业得到相应的增长，逐步形成以大型发电厂和中心城市为核心、以不同电压等级的输电线路为骨架的各大区、省级和地区的电力系统。目前，全国电网已经基本上形成了500 kV和 330 kV 的骨干网架。大电网已覆盖全部城市和大部分农村；以三峡为中心的全国联网工程开始启动，我国电网进入了远距离、超高压、跨大地区输电的新阶段。1987 年全国发电装机容量跃上了1 亿 kW的台阶；从 1978 年起到 1999年，我国装机容量平均每年增加近 10GW，1997 年年底全国装机容量达到了254GW的水平，年发电量也超过了1100TWh，成功地实现了持续高速增长。自1981年中国的第一条 500kV 输电线路投入运行以来，500kV的线路已逐步成为各大电力系统的骨架和跨省跨地区的联络线。
1.2 本课题研究的前景和意义
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实验很难进行，一是条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的；三是最初的一个新的设计构思、到通过软件进行实际情况的模拟、在应用到具体的工程中，其工作量往往消耗大量的财力物力和人力，其过程中稍有失误都有可能前功尽弃。考虑到以上情况，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十分重要，目前比较流行的电力系统仿真工具由以下几种：（1） 邦纳维尔电力局开发的BPA程序和EMTP程序；（2）曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的PSCADEMTDC程序；（3）德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC；（4）中国电力科学研究院
开发的电力系统分析综合程序PSASP；（5）MathWorks公司开发的科学与工程计算软件MTATLAB。本文主要采用MTALTB进行电力系统的仿真，MATLAB是有效的电力系统仿真工具,它提供了简洁的工具，通过电力系统电路图的绘制，MATLAB自动生成数学模型，可以节省建立电力系统数学模型的建立。 1.3 本文的目的及主要内容
1.3.1主要目的
目前电力系统实验技术尚未完善，通过运用MATLAB对电力系统进行仿真分析，分析结果证明仿真的有效性，从中得出仿真的方法和意义，从而将这种仿真运用到电力系统的各个方面。
1.3.2本文主要内容 1） 2） 3）
首先理论分析电力系统运行中短路的危害和发生短路时电气设备的状况及系统的状况，并建立发电机和变压器的数学模型。
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。
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。
第二章 电力系统理论分析
在电力系统的设计和运行中，都必须考虑到可能发生的故障和不正常运行情况，因为它们会破坏电气设备的正常工作和影响对用户的供电。运行经验指出，故障大多是由短路引起的。
电力系统中发生的短路有三相短路、两相短路、一相接地短路和两相接地短路等四种。短路后，系统中出现的短路电流比正常负荷电流大得多。在电力系统中，短路电流可达几万到几十万安，对系统产生极大的危害：
1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，使故障元件和短路电路中的其他元件受到损害和破坏。
2）短路时的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。
3）严重的短路影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。
由此可见，短路的后果十分严重，因此对于大容量电力系统发生三相短路的分析是必要的。
2.1 同步发电机发生短路的暂态过程分析
同步发电机在电力系统中处于重要的地位。用户与发电厂的距离越来越远，发电机三相突然短路的概率增大。由于同步发电机内部结构复杂，由多个具有电磁耦合关系的绕组构成。同步发电机突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几
倍 ,对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响 ,因此对同步发电机动态特性的研究历来是电力系统中的重要课题之一 。而同步电机的突然三相短路 ,是电力系统的最严重的故障，它是人们最为关心、研究最多的过渡过程，虽然短路过程所经历的时间是极短的（通常约为0. 1～0. 3 s ），但对电枢短路电流和转子电流的分析计算，却有着非常重要的意义。
2.1.1 同步发电机的数学模型
本文研究的是转极式的凸极同步发电机，除a、b、c 三相定子绕组外还有转子上的一个励磁绕组和两个阻尼绕组。在分析同步发电机的数学模型时，作如下假设：①发电机参数恒定；②磁饱和、磁滞、涡流影响忽略不计；③定子三相对称；④忽略磁场高次谐波；⑤不计涡流和磁滞损耗。发电机六个绕组存在相互的电磁耦合关系。同步发电机的d轴和q轴等值电路图如图2-1所示。
图2-1 同步发电机的d轴和q轴等值电路图
根据电路定律，发电机六个绕组可以建立六个回路电压平衡方程，如下：
根据六个绕组之间的磁链耦合关系，得到发电机模型dq0 坐标系中的磁链方程可表述为：
其中：
d、q——表示直轴和交轴分量； R、s——表示转子和定子分量； l、m——表示漏抗和激磁电抗； f、k——励磁绕组分量、阻尼绕组分量；
——表示轴定子绕组、轴定子绕组； —— 表示励磁绕组的磁链。
机械部分表达式如下：
t1???t??2H其中
??T0m?Te?dt?Kd???t?
——相对额定运行点的速度变化；
——转动惯量；
——机械转矩； ——电磁转矩； ——阻尼系数； ——转子机械角；
——额定运行点的速度（标幺值为1）。
2.1.2 同步发电机突然短路理论分析