昆明学院电力系统分析课程设计

1、电力系统建模及仿真课程设计总结报告姓 名 学 号 院 系 自动控制与机械工程系班 级 指导教师 王荔芳 摘要本次课程设计是结合电力系统分析的理论教学进行的一个实践课程。电力系统短路故障和电力系统潮流。在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用潮流计算来定量地分析比较供电方案或运行方式的合理性，可靠性和经济性。运用Matlab电力系统仿真程序SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，并在此基础上对电力系统多中故障进行仿真，仿真波形与理论分析结果相符，说明用Matlab对电力系统故障分析的有效性。实际中无法对故障进行实验，所以进行仿真实验可达到效果。关键

2、词：电力系统；短路故障；Matlab；SimPowerSystemsAbstract输入文字或网址，即可翻译本次课程设计是结合电力系统分析的理论教学进行的一个实践课程。电力系统短路故障，故障电流中必定有零序分量存在，零序分量可以用来判断故障的类型，故障的地点等，零序分量作为电力系统继电保护的一个重要分析量。电力系统潮流，在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用潮流计算来定量地分析比较供电方案或运行方式的合理性，可靠性和经济性。运用Matlab电力系统仿真程序SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，并在此基础上对电力系统多中故障进行仿真，仿真波形与

3、理论分析结果相符，说明用Matlab对电力系统故障分析的有效性。实际中无法对故障进行实验，所以进行仿真实验可达到效果。This curriculum design is a practical course of the theory teaching of "power system analysis". Power system fault and power system power flow. In the research of power system planning and design of the existing power system operat

4、ion mode, calculated using the trend to quantitative analysis and comparison of power supply scheme and operation mode of rationality, reliability and economy. Design requirements for the power system model is constructed by using MATLAB power system simulation programs SimPowerSystems toolbox, and

5、on the basis of power system in fault simulation, simulation waveform and theoretical analysis is consistent with the results that effectiveness of power system fault analysis with MATLAB. In practice, we can not carry out experiments, so the simulation experiment can achieve the effect.Keywords: po

6、wer system; Short circuit fault; Matlab; SimPowerSystems一、设计目的该课程设计是在完成电力系统分析的理论教学之后安排的一个实践教学环节。其目的在于巩固和加深对电力系统潮流和短路电流计算基本原理的理解，学习和掌握应用计算机进行电力系统设计和计算的方法，培养学生独立分析和解决问题的能力。二、课程设计的基本要求（1）用Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，在所给电力系统中K处选取不同故障类型（三相短路、单相接地短路、两相短路、两相接地短路进行仿真，比较仿真结果，给出自己的结论。（

7、2）基于Matlab/Simulink，搭建电力网络模型，并进行潮流计算。三、电力系统仿真模型的建立与分析3.1电力系统故障分析和潮流计算的原理3.1.1 电力系统故障分析的原理在电力系统的故障中，仅在一处发生不对称短路或断线的故障称为简单不对称故障。它通常分为两类,一类叫横向不对称故障，包括两相短路，单相接地短路以及两相接地短路三种类型。这种故障发生在系统中某一点的一些相之间或相与地之间，是处于网络三相支路的横向，故称为横向不对称故障，其特点是由电力系统网络中的某一点（节点）和公共参考点（地接点）之间构成故障端口。该端口一个是高电位点，另一个是零电位点。另一类故障时发生在网络沿三相支路的纵向

8、，叫纵向不对称故障，它包括一相断相和两相断相两种基本类型，其特点是由电力系统网络中的两个高电位之间构成故障端口。分析计算不对称故障的方法很多，如对称分量法、分量法以及在abc坐标系统中直接进行计算等。目前实际中用的最多的和最基本的方法仍是对称分量法，现在就重点介绍这种方法，其他方法只做简略的介绍。应用对称分量法分析计算简单不对称故障时，对于各序分量的求解一般有两种方法：一种是直接联立求解三序的电动势方程和三个边界条件方程；另一种是借助于复合序网进行求解，即根据不同故障类型所确定的边界条件，将三个序网络进行适当的链接，组成一个复合序网，通过对复合序网的计算，求出电流、电压的各序对称分量。由于这种

9、方法比较简单，又容易记忆，因此应用较广。在所讨论的各种不对称故障的分析计算中，求出的各序电流、电压对称分量及各相电流、电压值，一般都是指起始时或稳态时的基频分量。在工程计算中都假定发电机转子是对称的，也就是忽略了不对称短路时的高次谐波分量。这种假定对稳极发电机和d轴及q轴都装有阻尼绕组的凸极发电机是比较切合实际的。 3.1.2电力系统潮流计算的原理电力系统故障分析的原理对于三相短路电流计算，分为无限大容量电源供电和非无限大容量电源供电两种情况。对于无限大容量供电时短路计算主要计算短路冲击电流、短路电流的最大有效值和短路功率。根据电流周期分量的标幺值等于回路总阻抗标幺值的倒数，计算出电流的周期分

10、量，而容量的标幺值等于电流周期分量的标幺值，计算出短路容量，取冲击系数为1.8时，短路冲击电流等于2.55倍的周期分量，短路电流的最大有效值等于1.52倍的周期分量。对于非无线大容量供电的三相短路计算，主要是计算三相短路电流的周期分量的有效值，该有效值是衰减的，分为两方面计算：一方面计算短路瞬间短路电流周期分量的有效值；另一方面是考虑周期分量衰减时，在三相短路的暂态过程中不同时刻短路电流周期分量有效值的计算（运算曲线法）。对于两相短路、两相接地短路、单相接地短路不对称的短路分析采用对称分量法，将其分为对称的三相正序、负序、零序的和，列出故障时的边界条件，并用序分量来表示边界条件，画出序网络，求

11、出个序分量，最后求出故障处的各相电压电流。不对称短路的分析：    不对称短路的各序等值网络       基本序网方程： 再根据短路的类型写出边界条件，并用序分量表示，最后求出短路处各相电压电流值。 3.1.2、电力系统潮流计算的原理电力系统的潮流计算就是计算其电压降落与功率损耗，电力系统由发电机、变压器、电力线路、负载组成。潮流计算主要计算电力线路和变压器的功率损耗和电压降落。主要有三种情况：（1） 已知末端负荷及末端电压，求始端电压及功率；（2）

12、60;已知末端负荷及始端电压，求末端电压及始端功率；（3） 已知始端负荷及电压，求末端电压与功率。以第一种情况来简述潮流计算的原理     根据已知的末端电压和等值电路求出导纳支路的功率损耗                             &

13、#160;              电力线路的电压降落：                                 

14、60;                    电压降落横分量                            &#

15、160;                       电压降落纵分量        以上是已知末端电压、功率计算始端电压、功率的计算过程。对于已知末端负荷及始端电压的潮流计算，先假设末端电压和由给定的末端负荷，往始端推算出始端电压和始端功率，再由给定始端电压和计算的始端负荷，向末端推算出末

16、端电压、末端功率然后再由给定末端负荷及计算得到的末端电压往始端推算，以此推算，直至推出较满意的电压为止。对于已知始端电压、功率的情况与第一种情况类似！其次变压器阻抗的功率损耗与电压降落与电力线路完全类似，通常情况下可将电压降落的横分量忽略，电力线路是用型等值电路而变压器则使用葛型等值电路！ 3.2 电力系统故障的仿真与分析3.2.1 短路故障分析与计算的电力系统接线图供电系统如图，发电机G1：25kV，Y连接；输电线路L1和L2长度均为100km，L2末端为中心点接地。系统仿真模型如下：3.2.2 仿真参数设置各元件参数设置如下：（1）发电机参数设置发电机额定电压为25KV，额定频率为50Hz

17、，Yg连接，其它采用默认值。 (2) 三相输电线参数设置线路长L1=L2=100Km。(3) 故障模块参数设置短路故障是用三相故障元件来模拟的，故障时间段可通过Transition Times来设置，设置为0.010.04秒。其元件的参数图设置如下： 三相交流电源 母线，测量元件 线路模块 三相未发生短路模块 单相短路模块 两相短路模块三相短路模块3.3仿真结果分析：3.3.1（1）正常运行时发电机输出端电压波形：图3.3.1（a）（2）正常运行时发电机输出端电流波形图3.3.1(b)分析：当电力系统还没有发生短路故障时，发电机端的电压和电流都是成正弦变化的，虽然三相交流电源的三相电压和电流之

18、间相位不同，但是幅值的大小是相同的。3.3.2单相（A相）接地短路图3.3.2(a) 电压波形图3.3.2(b) 电流波形图3.3.2 (c) 故障电压分析：当A相发生接地短路时故障点A相电压突降为零，导致B,C两项电压上升，排除故障之后三相电压恢复正常图3.3.2 (d)故障点各相电压分析: 当输电线路发生A 相接地短路时,B、C 两相电压没有变化。在正常状态时,A相电压不变. 在0. 01s 时, A 相接地短路,其短路电压波形发生了剧烈的变化,电压降为0.在0. 04s时故障被排除,此时故障点A 相电压迅速恢复正常。图3.3.2 (e) 故障点各相电流分析：当输电线路发生A 相接地短路时

19、,B、C 两相电流没有变化,始终为0。在0. 01s 时,A 相接地短路,其短路电流波形发生了剧烈的变化,但大体上仍呈正弦规律变化.在0. 04s时,故障被排除,此时故障点A 相电流恢复正常。3.3.3两相接地图3.3.3(a) 电压波形图3.3.3(b) 电流波形图3.3.3(c)分析：在A、B两相发生短路故障时，非故障相C相电压波形幅值改变，增大。A相和B相电压降为0V。C相未发生故障,其短路电流为零.两相短路时,短路故障点电流中没有零序分量,而正序分量与负序分量大小相等但方向相反.图3.3.3(c)故障点电流分析：在稳态时，故障点A,B相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电

20、流幅值为0 A。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、B两相短路，故障点A,B相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而波形下移，呈正弦波形变化。在0.04s时，三相电路短路故障发生器断开，排除了故障。此时故障点A,B相电流迅速上升为0 A。由C没有变化，可知对C相没影响。图3.3.3(d)故障点电压分析: 在稳态时，故障点A，B相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压为正弦变化，C相电压发生突变。在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、B两相短路，故障点A,B相电压发生变化，突变为0V。在0.04s时，三相电路短路故障发生

21、器断开，排除故障。此时故障点A ,B相电压波动恢复正弦波形。由此可知：由于C相为非故障相，其电压波形仅在两相短路期间波的幅值变大，但是波形不变。3.3.4三相接地图3.3.4(a)电压波形图3.3.4(a)电流波形图3.3.4(c)图3.3.4(d)故障点电压分析：在稳态时,故障相各相电压由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电压不为0. 在0. 01s 时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短路,故障点各相电压发生变化,故障点各相电压都降为0. 在0. 04s 时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点各相电压缓慢恢复.图3.3.4(e)故障点电流分析：在稳态时,故障相各

22、相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电流为0. 在0. 01s 时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短路,故障点各相电流发生变化,由于闭合时有初始输入量和初始状态量,因而故障点各相电流波形上升或者下降. 在0. 04s 时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点各相电流逐渐下降为0.3.4、电力网络潮流计算 电力网潮流计算电气接线图潮流计算仿真图取基准功率为SB=100MVA，基准电压等于各级平均额定电压。而在Simulink的发电机、变压器等模型中都是以标幺值表示的（以自身的额定值为基准值）两台发电机分别为G1、G2，变压器为T1、T2、线路分别为L1、L2、L

23、3，负载分别为Load1、Load2、Load3表示。发电机模型参数设置：由于变压器变比为1：1.05，因此在设置发电机模块G1、G2，额定功率为100MVA、额定电压为10.5KV、额定频率为50Hz，其他参数采用默认设置。发电机G2的参数设置过程与G1的一样。如图：图3.4（a）G1图3.4（b）G2变压器模型参数设置：变压器变比为1：1.05，因此设置变压器模块的低压侧额定电压为10.5KV，高压侧额定电压为121KV。变压器T1的参数设置如下：T2漏抗值与T1不同，但是参数设置过程与T1相同， 图3.4（c）T1图3.4（d）T2负荷模型参数设置：当动态负荷的终端电压高于设定的最小电压

24、时，负荷的有功功率和无功功率按下式变化。Ps=P0(UU0)np(1+TP1S)(1+TP2S)Qs=Q0(UU0)np(1+Tq1S)(1+Tq2S)系统中负荷Load1、Load2、Load3所接母线均为PQ节点，要求负载有恒定功率的输出（输入），因此设置 P0 、Q0 为系统给出的有功功率和无功功率值，控制负荷性质的指数np，有功功率、无功功率动态特性的时间参数 T P1 、T p2 、T q1 、 Tq2 均设置为0。如下图所示图3.4（e）Load1图3.4（f）Load2图3.4（g）Load3线路模型参数设置：无论是三相“II”形等值线路模块还是三相串联RLC支路模块，其参数均为

25、有名值。以支路阻抗为R*+JX*=0.08+J0.30,对地导纳Y*=j0.5的线路L1为例，其有名值的参数计算如下。电阻有名值：R=R*VB2SB=0.08×1152100=10.58电感有名值：L=X*VB2SB=0.3314×1152100H=0.1263H电容有名值：C=1/VB2Y*SB=13140.5×1152100F=1.2×10-5F线路的长度设置为1km,参数设置如下所示，模型中的零序参数采用默认值。L2、L3参数设置过程同L1。图3.4（h）L1图3.4（i）L2图3.4（j）L3综合参数设置：利用Powergui 模块进行节点类型、

26、初始值等参数的综合设置。双击Powergui模块图标，在主界面下打开“潮流计算和电机初始化”窗口。在电机显示栏中选择发电机G2，设置其为平衡节点“Swing bus”，输出线电压设置为11025V(对应的标幺值为1.05)，电机a 相电压的相角为0，频率为50Hz；选择发电机G1，设置其为PV节点， 输出线电压设置为11025V(对应的标幺值为1.05)，有功功率为600MW；选择Load1,设置有功功率为200MW,无功功率为100Mvar,频率为50Hz；选择Load2,设置有功功率为370MW,无功功率为130Mvar,频率为50Hz；选择Load3,设置有功功率为160MW,无功功率为

27、80Mvar,频率为50Hz，如下图所示。 图3.4（k）图3.4（l）更新潮流结果 图3.4（m）稳态电压电流母线M1的潮流计算：A相电压为68388.07V，相位角-4.47；电流为369.65A，相位角-68.61，所以M1的潮流为：P=3UI=3*68388.07*369.65cos(-4.47°+68.61°)=33MWQ=3UI=3*68388.07*369.65sin(-4.47°+68.61°)=68.24MVA  母线M2的潮流计算：A相电压为71614.05V，相位角18.06°；电流为2411.70A，相位角2.42°，所