1、摘 要在電力系統中，因運行環境、可操作性問題的限制，現場對同步發電機測試不太現實，因此，利用軟件仿真的方法對同步發電機進行仿真研究就顯得極其重要，此次設計的內容便是是同步發電機突然短路仿真，不僅要了解同步發電機短路情況，還要學會MATLAB的應用，MATLAB是現今在電路、信號與系統、數字信號處理、圖像處理和電力系統仿真上應用最廣泛的，本次設計我們用到MATLAB中的Simulink仿真工具進行同步發電機突然短路仿真，Simulink模塊庫為用戶提供了大量的系統模塊，我們用到其中的電力系統模塊庫，選擇好元器件進行參數設置后，然后通過MATLAB軟件中的Simulink建立同步發電機的仿真模型，

2、對所列出來的短路故障進行仿真，觀察示波器中的波形，更好地掌握同步發電機短路故障狀態下的各特性，對各短路故障進行了仿真實驗，從仿真結果可以更直觀地了解同步發電機短路故障狀態下的特性指標，盡量避免發生短路故障或及時對短路故障做出相應的正確措施，更合理選擇保護裝置。關鍵詞：Simulink；短路故障；仿真1 / 27ABSTRACT In the power system, the operation environment, the problem of synchronous generator testing is not realistic, therefore, simulation re

3、search on synchronous generator simulation is very important, the design of the synchronous generator sudden short-circuit simulation, not only to understand the synchronous generator short-circuit situation, MATLAB is the circuit, signal and system, digital signal processing, image processing and p

4、ower system simulation of sudden short circuit simulation, Simulink module library for users to provide a large number of system module library, select good components parameter settings, and then through the MATLAB software S software Simulink software, and then through the MATLAB software. In Imul

5、ink to establish the simulation model of synchronous generator, the short circuit faults are simulated, the oscilloscope waveform, better grasp the characteristics of the synchronous generator short-circuit fault state, the short-circuit fault simulation experiments, from the simulation results can

6、be more intuitive understanding of the characteristics of synchronous generator short-circuit fault condition, try to avoid short circuit faults or timely to make appropriate measures to short-circuit fault, a more reasonable choice of protection device.Keywords：Simulink；Short trouble; Simulation第1章

7、 緒論1.1 MATLAB的應用MATLAB在電路、信號與系統、數字信號處理、圖像處理和電力系統仿真上得到廣泛應用，在仿真技術領域發揮著重要作用，在眾多的計算機仿真工具中，MATLAB享有最高權威并且最為常用，此次設計課題同行發電機突然短路MATLAB仿真設計將通過在Simulink中建立相關實驗系統，從而獲取同步發電機突然短路時各項性能指標，以便及時對所發生的故障采取合理的預防措施，使得三相同步發電機正確使用、保護裝置的選取都十分重要。1.2 同步發電機的發展同步發電機是把機械能轉換為交流電能的轉換設備，自備電站過去的柴油發電機組同步發電機的勵磁，廣泛采用直流發電機提供勵磁電流來發電的。這種

8、勵磁方式，由于應用直流發電機，存在交流電變為直流電通過整流子進行變換，而勵磁電流又通過同步發電機的鋼環和炭刷向勵磁繞組提供，因此，對維護和保證安全運行方面都帶來很多問題。為了改進這種勵磁方式，20世紀60年代主要發展了帶靜止硅整流器的自勵恒壓同步發電機，這種發電機依然存在炭刷和滑環，仍需要經常維護，而且產生無限電磁干擾。為了從根本解決存在的問題，現代的同步發電機，通過改進和發，廣泛采用同軸交流無刷勵磁機和旋轉整流器的無刷同步發電機。第2章 同步發電機突然短路分析2.1 突然短路的原理短路是同步發電機的一種重要的瞬態現象，發電機發出的電能，要經過母線、升壓變壓器、輸電線路和降壓變壓器等環節才能送

9、達用戶，這其中任何一個環節或設備發生故障短路，即便有保護裝置，但由于其跳閘需要一定時間，所以也不能使同步發電機免遭短路電流的沖擊，突然短路過程雖然很短暫，但瞬態短路電流的峰值卻可能達到發電機額定電流的二十幾倍，所產生的巨大電磁力可能破壞繞組端部絕緣或使轉軸、機座產生有害變形。因此，必須對突然短路過程有深入的了解，以便在設計、制造同步發電機時考慮它的影響。同步電機短路時，由于定子繞組中周期分量電流突變將對轉子產生電樞反應，該反應產生交鏈勵磁繞組的磁鏈。為了維持勵磁繞組在短路瞬間總磁鏈不變，勵磁繞組內將產生直流電流分量，其方向與原有的勵磁電流方向相同，它產生的磁通也有一部分要穿過定子繞組，從而使定

10、子繞組的周期分量電流增大。因此在有限容量系統突然發生三相短路時，短路電流的初值將大大超過穩態短路電流，最終衰減為穩態短路電流。2.2 發電機突然短路的特點1.穩態短路時，由于同步電抗較大，因而其穩態短路電流并不大，而突然短路時，由于限制其電流的超瞬變電抗很小，而且含有直流分量，因而突然短路電流很大，其峰值可以達到額定電流的十多倍。2.隨著這一沖擊電流的出現，電機的繞組將受到很大的沖擊電磁力的作用，可能使繞組變形，甚至繞組的絕緣受損。3.突然短路過程中，電機受到強大的短路轉矩的作用，可有發生振動。4.電機的定轉子繞組出現過電壓現象。2.3 理想中的同步發電機同步電機的主要特點是：定子有三相交流繞

11、組，轉子為直流勵磁。將電機結構簡化后，電機內部的磁場分布和相應的感應電勢的變化規律仍相當復雜，如步采取一定的假設，仍難以對它們的運行方式作定量分析。這些假設是：電機鐵芯不飽和。這一假設不僅意味磁場和各繞組電流間有線形關系，也使在確定空氣隙合成磁場時有可能運用疊加原理。電機有完全對稱的磁路和繞組。這一假設包含以下幾方面：定子三相繞組完全相同，空間位置彼此相隔電弧度；轉子每極的勵磁繞組完全相同；阻尼條的設置對稱于正、交軸。定子三相繞組的自感磁場，定子與轉子繞組間的互感磁場，沿空氣隙按正弦律分布。這一假設表示略去所有的諧波磁勢、諧波磁通和相應的諧波電勢，也略去諧波磁場產生的電磁轉矩。滿足上列假設條件

12、的同步電機，稱為理想同步電機。第3章 仿真過程3.1 Simulink概述Simulink是用于仿真建模及分析動態系統的一組程序包，它支持線形和非線性系統，能在連續時間，離散時間或兩者的復合情況下建模。系統也能采用復合速率，也就是用不同的部分用不同的速率來采樣和更新。Simulink提供一個圖形化用戶界面用于建模，用鼠標拖拉塊狀圖表即可完成建模。在此界面下能像用鉛筆在紙上一樣畫模型。相對于以前的仿真需要用語言和程序來表明不同的方程式而言有了極大的進步。Simulink擁有全面的庫，如接收器，信號源，線形及非線形組塊和連接器。同時也能自己定義和建立自己的塊。模塊有等級之分，因此可以由頂層往下的步

13、驟也可以選擇從底層往上建模。可以在高層上統觀系統，然后雙擊模塊來觀看下一層的模型細節。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊之間的相互作用。在定義了一個模型后，就可以進行仿真了，用綜合方法的選擇或用Simulink的菜單或MATLAB命令窗口的命令鍵入。菜單的獨特性便于交互式工作，當然命令行對于運行仿真的分支是很有用的。使用SCOPES或其他顯示模塊就可在模擬運行時看到模擬結果。進一步，可以改變其中的參數同時可以立即看到結果的改變，仿真結果可以放到MATLAB工作空間來做后處理和可視化。模型分析工具包括線性化工具和微調工具，它們可以從MATLAB命令行直接訪問，同時還有很多MATLAB的TOOL

14、BOXES中的工具。因為MATLAB和Simulink是一體的，所以可以仿真，分析，修改模型在兩者中的任一環境中進行。3.2 以simulink為基礎的電力系統模塊電力系統工具箱（powersys）提供了電力傳輸和拖動中用到的各種子系統模型。它包含以下7大類庫，含有數十種模塊模型。1.電源包括交流電流源、交流電壓源、直流源、可控電流源、可控電壓源等。2.元件包括斷路器、變壓器、飽和變壓器、串聯rlc電路、并聯rlc電路、浪涌吸收器等。3.電機同步電機、異步電機、永磁同步電機、水力渦輪調速機等另外包含可單獨提取這些電機運轉參數的各測量分路器。4.電力電子閘流管、二極管、理想開關等。5.測量電流測

15、量、電壓測量、功率測量等。 6.其他控制模塊、三相子庫、直流電機、定時器等。3.3 各元件選取及參數設置 1.所需其他仿真元件，如放大器、示波器、各類積分微分元件可在指令窗口中輸入Simulink，回車，彈出仿真元件庫對話框。從中選擇所需模塊。 圖3-1 示波器元件圖2.SM的機械功率使用一個常數發生器設置，這個常數發生器名稱改為PM，數值設為700E6，如圖3-2。 SM的電壓幅值也使用常數發生器設置，這個常數發生器名稱改為VLLRMS，數值設為156E3，如圖3-3。圖3-2 電壓示波器參數設置圖圖3-3 電流示波器參數設置圖3.從（MACHINES）元件庫中選擇簡化的同步電機元件及同步電

16、機參數設置。 圖3-4 同步發電機圖圖3-5 同步發電機參數設置圖4.從測量庫中選擇三相電壓-電流測量元件(TREE-PHASE V-I MEASUREMENT)，進行參數設置。圖3-6 三相電壓-電流測量元件圖圖3-7 三相電壓-電流測量元件參數設置圖5.從線路元件庫中選擇三相電路短路故障發生器（Three-Phase Fault），并進行參數設置。圖3-8 三相線路故障發生器圖圖3-9 三相線路故障發生器參數設置圖6.從線路元件庫中選擇三相并聯RLC負載元件（3Phase Parallel RLC Load），并進行參數設置。圖3-10 三相并聯RLC負載元件圖圖3-11 三相并聯RLC負

17、載元件參數設置圖7.選擇選擇器元件（selector），選擇A相電流進行觀察，并進行參數設置。圖3-12 信號輸入選擇器圖圖3-13 信號輸入選擇器參數設置圖8.將選擇器改成三相序分量分析器(3-Phase Sequence analyzer），并進行參數設置。 圖3-14 三相序分量分析器圖圖3-15 三相序分量分析器參數設置圖3.4 各元器件布局及連線1.當元件為輸入信號選擇器時的布局連線。圖3-16 同步發電機運行電路圖2.將輸入信號選擇器改成三相序分量分析器時的布局連線。 圖3-17 同步發電機運行電路圖第4章 仿真結果4.1三相短路仿真結果1.根據電路圖和仿真參數進行電路仿真，在三相

18、線路故障發生器中選擇A、B、C三相，在輸入信號選擇器中輸入1代表故障點A相，然后點擊仿真按鈕觀察示波器中故障點A相電流波形。圖4-1 故障A相電流波形圖由上圖可以得出以下結論：在穩態時，故障點A相電流由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，因而電流為正弦變化，幅值為1000A，在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生三相短路，故障點A相電流發生變化，故障點A相電流波形上移，最大幅值為1900A左右，然后逐步下移。在0.4s時，三相短路過載發生器打開，相當于排除故障，此時故障點A相電流恢復穩態運行。2.在三相線路故障發生器中選擇A、B、C三相，在輸入信號選擇器中輸入2代表故障點B相，然后點

19、擊仿真按鈕觀察示波器中故障點B相電流波形。圖4-2 故障B相電流波形圖由上圖可以得出結論：在0.05s之前，故障點B相電流由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，此時處于穩態，因而電流為余弦變化，幅值為1000A，在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生三相短路，故障點B相電流發生變化，故障點B相電流波形下移，最大幅值為-1900A左右，然后逐步上移，在0.4s時，三相短路過載發生器打開，相當于排除故障，此時故障點B相電流恢復穩態運行。3.在三相線路故障發生器中選擇A、B、C三相，在輸入信號選擇器中輸入3代表故障點C相，然后點擊仿真按鈕觀察示波器中故障點C相電流波形。 圖4-3 故障C相

20、電流波形圖由上圖可以得出結論：在0.05s之前，故障點C相電流由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，此時穩態，因而電流為余弦變化，幅值為1000A，在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生三相短路，故障點C相電流發生變化，最大幅值為1300A左右，在0.4s時，三相短路過載發生器打開，相當于排除故障。此時故障點C相電流恢復穩態運行。4.在三相線路故障發生器中選擇A、B、C三相，在輸入信號選擇器中輸入1、2、3代表故障點A、B、C相，然后點擊仿真按鈕觀察示波器中故障點三相電流波形。圖4-4 故障點三相電流波形圖由圖可知當輸入信號選擇器為三相時與單相波形一樣。5. 在三相線路故障發生器中選

21、擇A、B、C三相，在輸入信號選擇器中輸入1、2、3代表故障點A、B、C相，然后點擊仿真按鈕觀察示波器中故障點三相電壓波形。圖4-5 故障點三相電壓波形圖由上圖可以得出結論：同步發電機在0.05s之前三相線路故障發生器是斷開的，處于穩態，電壓峰值基本在左右，在0.05s時三相線路故障發生器是閉合的其各相電壓為0V，在0.4s時，三相短路過載發生器打開，相當于排除故障，故障消除后恢復為穩態運行。6.將選擇器改成三相序分量分析器(3-Phase Sequence analyzer),根據電路圖和仿真參數進行電路仿真，激活仿真按鈕查看仿真的波形,故障點A相基頻電流各序分量幅值和相角。圖4-6 故障點A

22、相基頻電流各序分量幅值和相角圖由上圖可以得出以下結論： 正序電流在0.05s之前，由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，故障點A相電流正序分量的幅值從0上升為1000A，相角在0到-60之間平穩變化。在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生三相短路，故障點A相電流的正序分量發生變化，最大幅值達到1300A左右，后續不斷衰減，相角在180到-180之間線性變化。在0.4s時三相短路過載發生器打開，相當于排除故障。此時故障點A相電流正序分量的幅值變化在1000A左右，而且相角變化不發生改變。負序電流在0.05s之前，由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，故障點A相電流正序分量的幅值從200左

23、右變化到接近于0A，相角周期變化，在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生三相短路，故障點A相電流的負序分量發生變化，最大幅值達到200A并快速衰減到10A左右，相角周期變化，在0.4s時三相短路過載發生器打開，相當于排除故障，此時故障點A相電流負序分量的幅值變化到10A，相角周期變化。4.2兩相短路仿真結果1.將三相線路故障發生器中的故障相選為B相和C相，在輸入信號選擇器中輸入1代表故障點A相，點擊仿真按鈕進行相間短路仿真，BC兩相短路時A相電流波形。圖4-7 A相電流波形圖由上圖可以得出以下結論：在0.05s之前，故障點A相電流由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，因而電流為正弦變

24、化，幅值為1000A，在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生兩相短路，A相為非故障相，電流不變。在0.4s時，三相短路過載發生器打開，相當于故障排除，此時A相電流恢復穩態運行。2.將三相線路故障發生器中的故障相選為B相和C相，在輸入信號選擇器中輸入2代表故障點B相，點擊仿真按鈕進行相間短路仿真，BC兩相短路時B相電流波形。圖4-8 B相電流波形圖由上圖可以得出以下結論：在0.05s之前，故障點B相電流由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，因而電流為余弦變化，幅值為1000A，在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生兩相短路，B相為故障相，電流發生變化，故障點B相電流幅值增大

25、，最大幅值為-1800A左右，然后逐步上移。在0.4s時，三相短路過載發生器打開，相當于故障排除，此時B相電流恢復穩態運行。3.將三相線路故障發生器中的故障相選為B相和C相，在輸入信號選擇器中輸入3代表故障點C相，點擊仿真按鈕進行相間短路仿真，BC兩相短路時C相電流波形。圖4-9 C相電流波形圖由上圖可以得出以下結論：在0.05s之前，故障點C相電流由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，因而電流為余弦變化，幅值為1000A。在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生兩相短路，C相為故障相，電流發生變化，故障點C相電流波形上移，最大幅值為1300A左右，然后逐步下移。在0.4s時，三相短路

26、過載發生器打開，相當于故障排除，此時C相電流恢復穩態運行。4.將三相線路故障發生器中的故障相選為B相和C相，在輸入信號選擇器中輸入1、2、3代表故障點A、B、C三相，點擊仿真按鈕進行相間短路仿真，BC相短路時三相電壓波形。圖4-10 三相電壓波形圖5.只將輸入信號選擇器改成三相序分量分析器(3-Phase Sequence analyzer)，BC短路時A相電流基頻序分量波形。圖4-11 A相電流基頻序分量波形圖由上圖可以得出以下結論： 正序電流在0.05s之前，由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，故障點A相電流正序分量的幅值從0上升為1000A，相角在0到-60之間平穩變化。在0.05s時三

27、相線路故障發生器閉合，此時電路發生BC相間短路，故障點A相電流的正序分量發生變化，最大幅值達到1200A左右，后續不斷衰減，相角在180到-180之間變化。在0.4s時三相短路過載發生器打開，相當于排除故障。此時故障點A相電流正序分量的幅值變化在1000A左右，而且相角變化不發生改變。負序電流在0.05s之前，由于三相線路故障發生器處于斷開狀態，故障點A相電流正序分量的幅值從200A左右變化到10A，相角周期變化，在0.05s時三相線路故障發生器閉合，此時電路發生兩相短路，故障點A相電流的負序分量發生變化，最大幅值達到200A左右，相角在180到-180之間變化，在0.4s時三相短路過載發生器

28、打開，相當于排除故障，此時故障點A相電流負序分量的幅值變化到10A，相角周期變化。結 論此次設計同步發電機突然短路MATLAB仿真設計應用到我們剛學的MATLAB中的Simulink仿真工具，我們現在Simulink中打開電力系統模塊庫（SimPowerSystems),找到此次設計電路圖中的元器件，然后進行參數設置設置,設置完后在仿真之前必須進行時間設置，選擇(Simulation-Configuration Parameters)命令設置時間,完事后點擊仿真按鈕，觀察示波器中的每相波形變化，改變一次參數就得從新點擊一次仿真按鈕，依次完成所有狀態下的仿真情況，這次的設計主要難在元器件的選擇和仿真參數改變，有時候參數相序沒設置對就會發現完事后的波形對不上，通過這次的設計讓我更加掌握MATLAB這門課的知識，也明白同步發電機的短路情況。通