題目基于MATLAB/simulink同步發電機突然三相短路仿真學生姓名孫奔奔學號201405050316專業班級電氣1403設計內容與要求1.設計要求掌握電力系統故障的類型，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。其目的在于加深學生對電力系統暫態分析中課程中基本概念和計算方法的理解，培養學生運用所學知識分析和解決問題的能力。2.內容1）學習并掌握Matlab/Simulink，包括學習Simulink中元件的選取、初始化、參數給定、圖像顯示等；2）熟悉中性；3）掌握電力系統中各元件參數標幺值的計算及電力系統的等值網絡的繪制；4）掌握電力系統網絡中短路計算的方法，熟悉短路電流的波形；5）通過對比仿真圖形進行分析，得出結論；6）整理課程設計論文。起止時間2017年6月26日至2017年7月3日指導教師簽名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超導體閉合回路磁鏈守恒原理以及同步電機電樞反應原理: 31.2等效阻尼繞組的電流 31.3三相短路計算的簡化假設 41.4發生短路故障時可能產生以下后果： 5第二章Matlab簡介 52.1MATLAB 52.2SimPowerSystem介紹 6第三章同步發電機突然短路的暫態過程仿真 73.1同步發電機突然三相短路暫態過程簡介 73.2同步發電機突然三相短路的暫態過程的數值計算與仿真方法 9第四章有關暫態仿真實驗圖示 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，三相電路發生三項短路的情形。實際上，發生短路時，作為電源的發電機的內部也發生暫態過程，并不能保持其端電壓和頻率不變，一般講，由于發電機轉子的慣性較大，在分析短路電流時可以近似地認為轉子保持同步轉速，即頻率保持恒定，但通常應計及發電機的電磁暫態過程。2002年我國220k故障線路統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生，但情況比較嚴重，且三相短路時電力系統仍是對稱的，稱為對稱故障，故本次分析三項短路故障。1.1超導體閉合回路磁鏈守恒原理以及同步電機電樞反應原理:（1）電機轉子在結構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生正弦分布的磁動勢，轉子繞組和定子繞組間的互感磁通也在氣隙中按正弦規律分布。（3）定子及轉子的槽和通風溝不影響定子及轉子繞組的電感，即認為電機的定子及轉子具有光滑的表面。此外，假設:（1）在暫態過程期間同步發電機轉子保持同步轉速，即只考慮電磁暫態過程，而不計機械暫態過程。（2）電機鐵芯部分的導磁系數為常數，忽略磁路飽和的影響，在分析中可以應用疊加原理。（3）發生短路后勵磁電壓始終保持不變，不考慮短路后發電機端電壓降低引起的強行勵磁。（4）短路發生在發電機定子出線端口。如果短路發生在出線端外，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電機轉子磁極上兩端短接的阻尼條和隱級機轉子整塊鐵芯中的渦流回路在穩態運行時是沒有電流的，在暫態過程中會感生電流。為了分析簡便，一般將阻尼條構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守恒會感生直流電流和基頻交流電流，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。（一）定子和轉子回路（勵磁和阻尼回路的統稱）電流分量的對應關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子回路對應的電流分量，這是為了敘述的方便。實際上，短路后定子和轉子回路電流是同時出現的，各隊應分量是相互依存、相互影響的。此外，前面是在假設各回路均為超導體，其磁鏈守恒的情況下，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。相應地，與定子直流分量相對應的轉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Ta，主要取決與定子回路的電阻、電感。同樣，轉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。當他們流過轉子回路時，由于電阻的存在，他們也會最終衰減至零。與轉子回路直流分量相對應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，其產生的主磁通f在短路的三相定子回路中感應電動勢，產生三相穩態短路電流（I無窮）。與前類似，轉子回路的自由直流分量的衰減時間常數主要取決于轉子回路的參數。所不同的是轉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，他們的大小與兩個回路的參數均有關。不過同步發電機的實際情況是，勵磁繞組的電感較等效阻尼繞組D的電感大得多。附錄C的推導表名，較小的時間常數Td主要與阻尼繞組D的參數有關，而較大的時間常數Td主要與勵磁繞組參數有關。因此，當按Td變化的過程結束后，阻尼繞組D的作用就近似不從在了。定子回路穩態短路電流基頻交流電流初始與穩態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態短路電流基頻交流電流初始與穩態值之差直流電流倍頻電流衰減情況否衰減至零時間常數主要決定于轉子回路參數衰減至零時間常數主要決定于定子回路參數1.3三相短路計算的簡化假設1.不計入發電時間的搖擺現象和磁路飽和。2.假設發電機是對稱的，部隊發電機做過細的討論，只用次暫態電動勢和次暫態電抗來表示發電機。1.不計入發電時間的搖擺現象和磁路飽和。2.假設發電機是對稱的，部隊發電機做過細的討論，只用次暫態電動勢和次暫態電抗來表示發電機。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（110kv及110kv以上）忽略電力線路的電阻。1.4發生短路故障時可能產生以下后果：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生故障甚至損壞。2.短路電流通過非故障設備時，由于發熱河電動力的作用，引起他們使用壽命縮短甚至損壞。3.電力系統中部分地區的電壓大大降低，使大量電力用戶的正常工作早到破壞。4.破壞電力系統個發電廠之間并行運行的穩定性，引起系統振蕩甚至使系統崩潰。第二章Matlab簡介2.1MATLABMATLAB是目前國際認可的最優秀的科技應用軟件之一。在大學里，它是用于初等和高等數學、自然科學和工程學的標準數學工具；在工業界，它是一個高效的研究、開發和分析工具。隨著科技的發展，許多優秀工程師不斷對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。由于電力系統的特殊性，對很多故障處理方法不可能進行現場的實際模擬運行分析，只能借助于計算機仿真手段。電力系統仿真可分為離線仿真和實時仿真。電力系統離線仿真是在數字計算機上為電力系統的物理過程建立數學模型，用數學方法求解，已進行仿真研究的過程，其仿真速度與實際系統的動態過程不等。目前電力系統離線仿真可分為電磁暫態仿真、機電暫態過程仿真和中長期動態過程仿真。1984年,MATLAB由美國MathWorks軟件公司推向市場，通過不斷的改進，MATLAB逐步發展成為一個集數值處理、圖形處理、圖像處理、符號計算。文字處理、數學建模、實時控制、動態仿真、信號處理為一體的數學應用軟件?，F已成為國際公認的最優秀的科技應用軟件之一。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，已成為應用科學計算機輔助分析、設計、仿真、數學乃至科技文字處理不可缺少的基礎。1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統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系統仿真模型，然后利用該軟件提供的功能對系統進行直接仿真。Simulink是MATLAB提供的實現動態系統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環境上，以MATLAB的強大計算功能為基礎，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、內容豐富的模塊庫，為系統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系統仿真、建模和分析的集成軟件包，它不僅支持線性系統仿真，也支持非線性系統仿真，既可以進行連續系統仿真，也可以進行離散系統仿真或者二者的混合系統仿真，同時它還支持具有多種采樣速率的系統仿真。Simulink比傳統的軟件包更直觀、方便和靈活，它充分地利用了圖形窗口技術，用戶可以很容易用鼠標拖拉來創建線性的、離散的、連續的和混合模型，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據傳遞，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絡中常見的元器件和設備，以直觀易用的圖形方式對電氣系統進行模型描述。模型可與其它Simulink模塊相連接，進行一體化的系統級動態分析。SimPowerSystem的出現為發電輸電系統和電力分配計算提供了強有力的解決方法。以前的電力系統數值仿真技術,其效果的好壞與研究人員自身的建模與編程能力有關。MATLAB開發的電力系統仿真工具箱,將電力系統研究人員從繁瑣的系統建模和程序編寫工作中解脫出來。MATLAB的電力系統仿真工具箱具有以下3個方面的優點:(1)電力系統仿真工具箱內部的元件庫提供了常用的各種電力元件數學模型,并且提供了可以自己編程的方式創建合適的元件模型。(2)電力系統仿真工具箱可以與其它工具箱接口,為經過電力仿真后的數據處理提供了功能齊全的分析手段。(3)電力系統仿真工具箱的界面友好,使用方便,廣大電力系統研究人員能夠輕松簡單地掌握電力系統仿真工具箱。第三章同步發電機突然短路的暫態過程仿真同步發電機是電力系統中最重要和最復雜的元件，它由多個有磁耦合關系的繞組構成，定子繞組同轉子繞組之間還有相對運動，同步電機突然短路的暫態過程要比穩態對稱運行時復雜得多。穩態對稱運行時，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，它同轉子沒有相對運動，因此不會在轉子繞組中感應電流。突然短路時，電子電流在數值上發生急劇變化，電樞反應磁通也隨著變化，并在轉子繞組中產生感應電流，這種電流又反過來影響定子電流的變化。定子和轉子繞組電流的相互影響是同步電機突然短路暫態過程的一個顯著特點。3.1同步發電機突然三相短路暫態過程簡介在分析同步發電機突然三相短路暫態過程中，可以利用疊加原理，這樣同步發電機端突然短路相當于在發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的瞬變電流，而且這些瞬變電流還要按照一定的時間常數逐步衰減至穩態值。當發電機突然短路時，定子各繞組電流將包含基頻分量，倍頻分量和直流分量。到達穩態后，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的穩態值。同樣，在轉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軸分量分別為經過變化和整理，可得定子a相電流為：轉子繞組中的電流：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同步發電機突然三相短路的暫態過程的數值計算與仿真方法1.同步發電機突然三相短路的暫態過程的數值計算假設一臺有阻尼繞組同步發電機：,,,,,,,,,,,,,。若發電機空載，端電壓為額定電壓，端子突然發生三相短路，且，利用matlab對突然三相短路后的定子電流驚醒數值計算的基本步驟如下：1，首先計算各衰減的時間常數。根據參考文獻可知：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幺值為9.1927第四章有關暫態仿真實驗圖示圖5-12發電機端突然發生三相短路時的a相定子電流波形圖當發電機端突然發生三相短路時，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，將其縱坐標的值取為【-1,1】，波形相應地被放大。發電機突然同步三相短路暫態過程的仿真方法針對以上的發電機參數，建立其Simulink仿真模型如圖5-13所示。圖5-13發電機端突然發生三相短路的Simulink仿真模型在圖5-13中，同步發電機采用p.u.標準同步發電機模塊，根據前面的計算，其參數設置如圖5-14所示。圖5-14同步發電機模塊的參數設置升壓變壓器T采用“Three-phrasetransformer(TwoWindings)”模型，其參數設置如圖5-15所示。圖5-15升壓變壓器模塊的參數設置由于同步發電機模塊為電流源輸出，因此在其端口并聯了一個有功功率為5MW的負荷模塊。仿真開始前，要利用Powergui模塊對電機進行初始化設置。單機Powergui模塊，打開潮流計算和電機初始化窗口，設置參數如圖5-16所示。圖中設定同步發電機為平衡節點“Swingbus”。初始化后，與同步電機模塊輸入端口相連的倆個常數模塊Pm和Vf以及圖5-14中的“Init.Cond.”將會自動設置。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置0.02025s時發生三相短路故障，其他參數采用默認設置。選擇Ode15s算法，仿真的結束時間取1s。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圖5-17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。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改變故障模塊中的短路類型，就可以仿真同步發電機發生各種不對稱短路時的故障情況。例如，設置在0.02025s時發生BC兩相短路故障