1、MATLAB/Simulink電力系統建模與仿真實驗報告 姓名： * 專業：電氣工程及其自動化 班級： * 學號：*實驗一 無窮大功率電源供電系統三相短路仿真1.1 無窮大功率電源供電系統仿真模型構建運行MATLAB軟件，點擊Simulink模型構建，根據電路原理圖，添加下列模塊：（1） 無窮大功率電源模塊（Three-phase source）（2） 三相并聯RLC負荷模塊（Three-Phase Parallel RLC Load）（3） 三相串聯RLC支路模塊（Three-Phase Series RLC Branch）（4） 三相雙繞組變壓器模塊（Three-Phase Transfo

2、rmer (Two Windings)）（5） 三相電壓電流測量模塊（Three-Phase V-I Measurement）（6） 三相故障設置模塊（Three-Phase Fault）（7） 示波器模塊（Scope）（8） 電力系統圖形用戶界面（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仿真參數設置 1.2.1 電源模塊設置三相電壓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0.000140H，參數設置如下圖： 1.2.2 變壓器模塊變壓器模塊參數采用標幺值設置，功率20MVA，頻率

3、50Hz，一次測采用Y型連接，一次測電壓110kV，二次側采用Y型連接，二次側電壓11kV，經過標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106.3，參數設置如下圖： 1.2.3 輸電線路模塊根據給定參數計算輸電線路參數為：電阻8.5，電感0.064L，參數設置如下圖： 1.2.4 三相電壓電流測量模塊此模塊將在變壓器低壓側測量得到的電壓、電流信號轉變成Simulink信號，相當于電壓、電流互感器的作用，勾選“使用標簽（Use a label）”以便于示波器觀察波形，設置電壓標簽“Vabc”，電流標簽“Iabc”，參數設置如下圖： 1.2.5

4、 故障設置模塊勾選故障相A、B、C，設置短路電阻0.00001，設置0.02s0.2s發生短路故障，參數設置如下圖： 1.2.6 示波器模塊為了得到仿真結果準確數值，可將示波器模塊的“Data History”欄設置為下圖所示：1.3 無窮大功率電源供電系統仿真結果及分析得到以上的電力系統參數后，可以首先計算出在變壓器低壓母線發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”命令打開

5、設置仿真參數的對話框，選擇可變步長的ode23t算法，仿真起始時間設置為0s，終止時間設置為0.2s，其他參數采用默認設置。在三相故障模塊設置在0.02s時刻變壓器低壓母線發生三相短路故障。運行仿真，得到變壓器低壓側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阻設置不同而造成的。 實驗二 同步發電機突然短路的暫態過程仿真2.1 發電機端突然發生三相短路的Simulink仿真模型構建根據給出的發動機參數，添加下列模塊：（1） p.u.標準同步發電機模塊（Synchronous Machine pu

6、 Standard）（2） 常數模塊（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 發電機端突然發生三相短路的Simulink仿真參數設置 2.2.1 同步發電機模塊設置同步發電機功率為200MVA，電壓13.8kV，頻率50Hz，電抗設置如圖，d軸時間常數選擇“Short-circuit”，q軸時間常數選擇“Open-circuit”。時間常數設置如圖，定子電阻（p.u.）0.005，慣性系數3.2，摩擦系數0

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

8、2.3 發電機端突然發生三相短路的Simulink仿真結果及分析選擇Ode15算法，仿真結束時間取1s。設置故障模塊在0.02025s1s發生三相短路故障。開始仿真，得到發電機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：現設置在0.02025s時發生BC兩相短路故障。開始仿真，得到發電機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 小電流接地系統單相故障3.1 小電流接地系統仿真模型構建 3.1.1 中性點不接地系統的仿真

9、模型及計算利用Simulink建立一個10kV中性點不接地系統仿真模型，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仿真模型如下圖所示：各模塊參數設置如下：（1） 三相電源模塊：電壓10.5kV，接線方式Y形連接，其他參數設置與實驗一相同。（2） 輸電線路模塊Line1Line4：線路長度分別為1

10、30km、175km、1km、150km，其他參數設置相同。下圖為Line1參數設置。（3）線路負荷模塊：Load1Load3設置其有功負荷分別為1MW、0.2MW、2MW，其它參數相同。Load4設置為純電阻負荷，有功負荷為1MW。下圖分別為Load1、Load4參數設置。（4）三相電壓電流測量模塊：勾選使用標簽，按線路設置標簽序號。下圖為線路一測量模塊的參數設置。 （5）故障模塊設置：選擇在第三條出線的1km處（即Line3與Line4之間）發生A相金屬性單相接地，故障模塊的參數設置如下圖所示：系統的零序電壓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Id

11、可用下圖萬用表測量得到：根據以上設置的參數，可以通過計算得到系統在第三條出線的1km處（即Line3與Line4之間）發生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 中性點經消弧線圈接地系統的仿真模型及計算在上實驗基礎上，在電源中性點添加一個電感線圈，其他參數不變。仿真模型如下圖所示：根據線路參數，如果要使接地點電流近似為0，計算得需要的補償電感應為L=0.9566H，由于完全補償存在串聯諧振過電壓問題，因此實際工程常采用過補償方式，當取過補償度為10%時，經計算消弧線圈電感為L=0.8697H。消弧線圈參

12、數設置如下圖：3.2 小電流接地系統仿真結果及分析 在仿真開始前，選擇離散算法，仿真結束時間取0.2s，利用Powergui模塊設置離散方式，時間為1x10-5s，系統在0.04s時發生A相金屬性單相接地。 3.2.1 中性點不接地系統的仿真結果分析設置好參數，運行10kV中性點不接地仿真模型，得到系統三相對地電壓和線電壓的波形，如下圖所示。 從圖中可見，系統在0.04s時發生A相金屬性單相接地后，A相對地電壓變為零，BC相對地電壓升高倍，但線電壓仍然保持對稱故對負荷沒有影響。系統的零序電壓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，接

13、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13.83

14、A，與從上圖中線路三測量得到的13.86A僅相差0.2%。 3.2.2 中性點經消弧線圈接地系統的仿真結果及分析 設置好參數，運行10kv中性點經消弧線圈接地系統仿真模型，得到系統三相對地電壓和線電壓的波形與不接地系統仿真圖相同。系統的零序電壓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，當單相接地故障的暫態過程結束后，故障點的接地電流Id的有效值在2.9A左右，遠小于中性點不接地系統的接地電流，因此補償的效果十分明顯。 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

15、向線路，這與中性點不接地系統是相同的。但是對于故障路線路來說，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在變壓器微機繼電保護中的應用舉例4.1 變壓器仿真模型構建根據雙側電源的雙繞組變壓器的簡單電力系統接線圖，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°，其他設置相同，下圖為電源EN參數設置：（2） 變壓器模塊：勾選“飽和鐵心（Saturable core）”，為了簡化仿真，變壓器兩側的繞組

16、接線方式相同，電壓等級也相同，參數設置如下圖所示：（3） 三相電壓電流測量模塊UM、UN將在變壓器兩側測量到的電壓、電流信號轉變成Simulink信號，相當于電壓、電流互感器的作用。UM模塊的參數設置如下圖所示，UN模塊參數設置與此相仿，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區內故障和區外故障。4.2 變壓器空載合閘時勵磁涌流的仿真設置三相斷路器模塊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、Faul

17、t2在仿真中均不動作（設置其切換時間大于仿真時間即可）。為了觀察勵磁涌流，在仿真中添加下圖所示示波器模塊，參數設置如下圖：運行仿真，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，設置故障模塊Fault1，使電路在0.25-0.45s間發生三相短路，運行仿真，結果如下圖所示，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相初相位仍設為0

18、76;，運行仿真，得到空載合閘后的三相勵磁涌流的波形如下圖所示：4.3 變壓器保護區內、外故障時比率制動的仿真為了仿真比率制動式差動保護在變壓器保護區內、外故障時電流的情況，增加運算及示波器模塊如下圖所示：設置三相斷路器模塊QF1、QF2的切換時間均為0s，并設置故障模塊Fault1，使電路在0.3-0.5s間發生三相短路，故障模塊Fault2不動作，運行仿真，得變壓器保護區內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，保護能夠可靠動作。設置故障Fault2，使電路在0.3-0.5s間發生三相短路，故障模塊Fault1不動作，運行仿真，得變壓器保護區外故障的電流波形如下圖所