基于MATLAB同步发电机突然短路设计

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。

第2章MATLAB语言的概述

2.1 MATLAB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。

2.2 Simulink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（Math Operations）,通用模块库（commonly used blocks）,信号路径模块库（Signal Routing）,电源模块库（Electrical Source）,电器元件库（Elements）,电机模块库（Machines）,电力电子模块库（Power Electronics）,电力电子模块库（Power Electronics）,测量模块库（measurements）等等。

图2-1 Simulink模块库浏览器

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。

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S imulink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

(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（connection type）：[3-wire Y]

电机额定参数（nominal power,L-Lvolt and freq）：[1000e6 315e3 50] 机械参数（mechanical）：[56290 0 2]

内部电阻（Internal impedance）：[1.9845, 263.15e-3]

初始状态（Initial condition）：[ 0 0 0 0 0 0 0 0 ]

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-phase V-I Measurements）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。

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（Fault resistances Ron）：0.001

故障点接地电阻（Ground resietances Rg）：0.001

转换状态（Transition status）：[ 1 0 ]

转换时间（Transition times）：[0.2 0.3]

内部计时器的采样时间（Sample time of the Ts）：0

缓冲电阻（Snubber resistance Rp）：1e6

缓冲电容（Snubber Capacitance Cp）：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（Initial status of breakers）：

故障相选择（Switching of A、B、C）：A、B、C三相都选择

转换时间（Transition time）：[0.01]

内部计时器的采样时间（Sample time of the Ts）：0

外部控制时间（Extarnal control of switching times）：不选择

断路器电阻（Breakers resistance Ron）：0.001

迟滞电阻（Snubbers resistance Rp）：1e6

迟滞电容（snubbers capacitance Cp）：inf

测量（Measurements）：选择不测量选项

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（Nominal power and frequency）：[250e6 50]

原边绕组接法（winding1 connaction）：Y

原边绕组参数（winding parancters）：[ 424.35e3,0.002,0.08 ]

副边绕组接法（winding2 connaction）：Delta(D11)

副边绕组参数（winding parancters）：[ 315e3,0.002,0.08]

磁阻（Magnetiration resistance Rm）：500

磁感（Magnetiration reactance Lm）：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（Number of phase N）：3

用于电阻、电感和电容的频率（Frequency）：50

单位长度电阻（resistance per unit length）：[ 0.01273 0.3846]

单位长度电感（Inductance per unit length）：[ 0.9337e-3 4.1264e-3 ] 单位长度电容（Capacitance per unit length）：[ 12.74e-9 7.751e-9 ] 线路长度（Line Length）：300

测量（Meadurements）：选择不测量电气量

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负载元件参数设置如下：

额定相电压（Nominal phase-phase voltage）：500e3

额定频率（Nominal frequency）：50

三相有功功率（Three-phase active power P）：50e6

三相感性无功功率（Three-phase inductive reactive power Ql）：0

三相容性无功功率（Three-phase capacitive reactive power Qc）：0

单击OK按钮完成对三相串联RLC负载元件参数的设置。

4.4仿真参数设置

当电路图设计完成后，对其进行仿真，以达到观察系统稳定运行及发生短路时的状态变化情况。在仿真的菜单选项中，选择仿真菜单，激活仿真参数命令，弹出仿真参数对话框。

根据暂态过程时间的估算，对仿真参数进行如下设置：

开始时间（Start time）：0.0

停止时间（Stop time）：0.5

求解程序类型（Type）选项：可变步长（Variable--step），ode23tb(dtiff/TR-BDF2)

最大步长（Max step size）选项：自动（auto）

最小步长（Min step size）选项：自动（auto）

初始步长（Intial step size）选项：自动（auto）

相对容差（Relative tolerance）选项：1e-3

绝对容差（Absolute tolerance）选项：自动（auto）

4.5仿真结果分析

将三相电路短路故障发生器的故障相选择中三相故障都选择，并选择故障相接地选项。

设置完电路图和仿真参数后，下面进行电路仿真。激活仿真按钮，查看仿真波形。

（1）故障点的电流波形图

在发电机故障器中的测量选项中选择故障电压和电流选项，对故障点的电压和电流进行测量。其它两个故障器均选择不测量选项。在万用表元件中选择故障点A相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流波形图如图4-11 所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，所以电流为0A。在0.2S时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流发生变化，电流波形上移。在0.3s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时，故障点的电压迅速变为0A。

图4-11 故障点 A 相电流波形图

在万用表元件中选择故障点B相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点B相电流波形图如图4-12所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点B相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，所以电流为0A。在0.2S时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相

电流发生变化，电流波形下降。在0.3s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时，故障点的电压迅速变为0A。

图4-12 故障点B相电流波形图

在万用表元件中选择故障点C相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点C相电流波形图如图4-13所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，所以电流为0A。在0.2S时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点C相电流发生变化，电流波形上移。在0.3s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时，故障点的电压迅速变为0A。

图4-13 故障点C相电流波形图

在万用表元件中选择故障点A相、B相、C相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相、B相、C相电流波形图如图4-14所示。

图4-14故障点三相电流波形图

（2）故障点的电压波形图

在万用表元件中选择故障点A相、B相和C相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相、B相和C相电压波形图如图4-15所示。由图形可以得出以下结论: 在稳态时，故障点三相电压由于三相短路故障发生器处于断开状态，其实际电压为发电机出口母线上的电压。在0.2s时，三相短路故障发生器闭合，此时发生三相短路，故障点三相电压由于发生三相接地短路，因而各相电压为0V。在0.3s时，三相短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时三相实

际电压为母线电压，发生暂态波动。

图4-15 故障点三相电压波形图

(3)变压器端短路电流和短路电压波形

在万用表元件中选择变压器三相电流作为测量电气量，则得变压器电流波形如图4-16所示，由图形可得：在稳态时，变压器电流呈正弦变化，在0.2s时，发电机端发生三相短路，受到冲击电流的影响，变压器电流迅速上升，由于变压器存在磁感应，电流慢慢趋于零，在0.3s时，三相短路故障发生器断开，相当

于排除故障，此时，变压器电流恢复正弦变化，发生暂态过程。

图4-16 变压器三相电压波形图

在万用表元件中选择变压器三相电压作为测量电气量，则变压器电压波形如图4-17所示，由波形得出：在稳态时，变压器电压波形呈正玄变化，在0.2s 时，发生三相短路，由于变压器存在磁势，电压不能突变为零，而是趋于减小，最后变为零。在0.3s时，三相短路故障器断开，排除故障，此时变压器电压恢

复正常的正弦变化。

图4-17 变压器三相电压波形图

(4)线路末端发生短路

在万用表元件中选择故障点的故障电流作为测量电气量，则得出故障点短路电流波形如图4-18所示，由图得：在稳态时，故障点电流为0A，在0.9s时，发生三相接地短路，故障点有电流通过，此时电流很大，然后逐步下降，在1.0s

时三相短路故障发生器打开，排除故障，此时故障点电流立刻恢复为0A。

图4-18 故障点三相电流波形图

在万用表元件中选择故障点电压作为测量电气量，则故障点电压波形如图4-19所示，由图可得：在稳态时，故障点的电压为线路上的电压，波形呈正玄变化，在0.9s时发生短路，故障点电压迅速变为0V。在1.0s时，故障排除，但由波形可以看出电压无法恢复正常，系统受到破坏。

图4-19 故障点三相电压波形图

第5章带励磁系统的电力系统分析

5.1基于 Simulink 的基本模型建立

Simulink 模型建立包括以下元件：发电机、水轮机调节器、励磁系统、电机测量元件、断路器、变压器、负载、输电线路、短路故障器、无穷大电源等。如图5-1所示。

图5-1带励磁的系统仿真模型

5.2模块选择以及参数设定

(1)从电机元件库中选择基本的同步电机（Synchronous Machine Pu

Standard）元件，复制后粘贴在电路图中，如图 5-2 所示。

图5-2 发电机元件

发电机元件参数设置如下：

转子类型（Rotor type）：凸极式

额定参数（Nominal power,volt and freq）：[ 186e6 10.5e3 50 1037 ] 定子参数（stator）：[ 2.907e-3 3.089e-4 3.216e-3 9.715e-4 ]

励磁绕组（field）：[ 5.9013e-4 3.07e-4 ]

阻尼绕组（Dampers）：[ 1.19e-2 4.9e-4 2.00e-2 1.036e-3 ]

机械特性参数（Mechanical）：[ 3.895e6 0 15 ]

初始状态（Initial conditions）：[ 0 0 0 0 0 0 0 0 61 ]

单击OK按钮完成发电机元件参数的设置。

（2）从电机元件库中选择电机测量（Meachine Measurement）元件,复制后粘贴在电路图中，如图5-3所示。电机测量元件参数设置如下：在对话框中选择定子电流（Stator currents），转子电压（Stator voltage ），转速（Rotor Speed），转速偏差（Rotor Speed deviation）和功率（Output active power）选项。单击OK完成对发电机测量元件参数设置。

图5-3 电机测量元件

(3)从电机元件库中选择励磁系统（Excitation system）元件,复制后粘贴在

电路图中，如图 5-4 所示。

图5-4 发电机励磁系统

参数设置如下：

滤波器的时间常数（Low-pass filter time constant）：20e-3

增益和时间常数（Regulator gain and time constant）：[ 300 0.001 ]

励磁（Exciter）：[ 1 0 ]

瞬态增益减少（Transient gain reduction ）：[ 0.0 0.0 ]

阻尼滤波器的增益和时间常数（Damping filter gian and time constant）：[ 0.01 0.011 ]

调节器的输出和增益（Regulator output limits and gain）：[ -11 11 0 ]

初始电压和励磁电压（Regulator values of terminal voltage and fidls voltage）：[ 1 1.28 ]

单击OK完成对励磁系统元件参数设置。

（4）从电机元件库中选择水轮机调节系统（HTG）元件,复制后粘贴在电路图中，如图5-5所示。

图5-5 水轮机调节系统

双击水轮机调节器，在其参数对话框中进行如下设置：

电机参数（Servo-motor）：[ 10 0.01 ]

导叶开度（Gate opening limits）: [ 0.01 0.9715 -0.1 0.1 ]

参数下降及调节（Permanent droop and regulator）：[ 0.05 1.1630.105 00.01 ]

水轮机参数（Hydraulic turbine）：[ 0 2.67 ]

下降参数（Droop reference）：0

初始功率（Initial mechanical）：1

设置施于水轮机上的参考速度。该参考速度使用一个常数发生器来设置，如图5-6所示。设置参考功率。参考功率值使用常数发生器来设置，如图5-6所示。双击常数发生器元件对话框，如图5-6所示。将常数数值改为1（为标幺值），

作为参考功率值。

图5-6 常数发生器元件图

（5）从测量元件库中选择三相电压—电流测量（3-phase VI Measurement）元件，复制后粘贴在电路图中，如图 5-7 所示。

图5-7 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设置参数如下：电压测量（Voltage measurement）包括3个选项，分别是不测量电压（no），测量相电压（phase-to-phase）和测量线电压（phase-to-ground），选择测量线电压选项，用来测量发电机突然短路后三相电压的变化。电流测量（Current measurement）选择测量（yes）选项。

单击OK按钮完成对三相电压-电流测量元件参数的设置。

（6）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