应用MATLAB软件对电力系统稳态运行和振荡分析

1、山东大学电气工程学院毕业设计论文目录目录I摘要II第一章 绪论1第二章 简单电力网络的稳态运行及振荡32.1 常见简单故障分析32.2 振荡分析52.2.1 电力系统振荡的概念52.2.2 电力系统振荡时电流、电压的变化规律5第三章 MATLAB及其仿真工具simulink简介83.1 MATLAB简介83.2 MATLAB的主要组成部分83.3 Simulink简介93.4 simpowersys 模块介绍113.4.1特点113.4.2强大功能123.4.3 与 Simulink 和 MATLAB集成在一起123.4.4 交互式参数设定133.4.5 仿真和分析133.4.6 完善的文档和

2、示例14第四章 简单电力网络建模与仿真154.1 仿真模型的建立和参数设定154.2 仿真波形及分析194.2.1 正常状况下各点波形194.2.2电力系统网络发生故障时波形分析214.2.3网络发生振荡时波形分析22结论24谢辞25参考文献26附录28附录一 译文:2823摘要这篇文章首先介绍了电力系统稳态运行的原理以及MATLAB的组成和功能。然后，利用MATLAB中的SIMULINK模块建立了电力系统的模型。通过在不同的地点设置观测点，观测正常情况下稳态运行以及简单故障、震荡时各点的各相波形，从而验证课本上的稳态运行理论。本文以IEEE5节点模型为例，制作了界面有好的图形界面窗口，可以方

3、便的选择观测点以及模拟振荡情况，并将各相的波形显示在图形窗口之上，有利于教师在课堂上演示稳态运行的各种特点，增加教学的趣味性。通过对不同参数下线路稳态运行及振荡情况的计算机模拟，可以提高课程教学的直观效果，使同学们对稳态运行及振荡时各点电气量的变化情况有一个形象的认识。关键词 simulink 电力系统 稳态运行 振荡 仿真AbstractFirst of all,the principles of power system steady-state operation and the blocks of MATLAB was introduced in this paper.then, us

4、e the simulink software of MATLAB to construct the model of the power system.set observation points in different places,and observe the figure in the normal situation and the oscillation is happened,in this way ,we can prove the principles of the textbook.whats more,we use the IEEE5 model as an exam

5、ple to make a GUI software which is more friendly to us,we can select the observation points and simulate the oscillations conveniently,and display the figure of the sequences in the GUI.this is good for the teacher to demonstrate all kinds of steady-state operation in the class and make the lesson

6、more interesting.Simulating the transmission line steady-state operation and oscillation in different parameters by computer,we can make the lesson more interesting and let the students have a detail impression on the steady-state operation and oscillation.Keywords: simulink power system steady-stat

7、e operation oscillation simulation第1章 绪论我们经常讨论电力系统的稳定性问题。所谓电力系统稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动之后能否继续保持发电机间同步运行的问题。根据扰动大小所确定的稳定问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。所谓电力系统暂态稳定性，一般是指电力系统在正常运行时，受到一个大的扰动后，能从原来的运行状态，不失去同步地过渡到新的运行状态，并在新的运行状态下稳定地运行。但当系统的运行将经历剧烈的变化，所趋于的状态，或者使其运行参数大大偏离正常值，以致电能质量严重变坏；或者更为严重，导致电力系统对用户的正常供电局部地甚至全部地遭到破坏，总之，不采

8、取特别措施，系统就很难恢复正常运行，这就是电力系统运行的事故状态。并列运行的系统或发电厂失去同步，破坏了稳定运行，于是出现了振荡。这是最为严重的一类系统事故。它可能发展为电网大停电的起因，也可能是发展为大停电事故过程中的一个环节。为了避免由于系统稳定破坏，最根本的前提是要有一个合理的电网运行结构。在设计电力系统过程中要充分考虑电力系统的稳定性问题。统计分析表明, 通过适当的仿真能够发现电力系统在产品实现过程中50 %的设计错误, 因此仿真在产品设计和生产中, 起着很重要的作用, 可以缩短生产周期, 降低生产成本。越是较复杂的仿真工具, 越能更实际的反映电路系统, 发现的设计错误也越多, 对电路

9、设计就越有帮助。MATLAB 是美国Math Work公司自1984 年开始推出的一种使用简便的工程计算语言, 它是以矩阵运算为基础, 把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中。它不但具有以矩阵计算为基础的强大数学计算和分析功能，而且还具有丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力。在这里可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序开发等功能。此外，MATLAB的应用领域极为广泛，除数学计算和分析外，还被广泛地应用于自动控制，系统仿真，数字信号处理，图形图像分析，数理统计，人工智能，虚拟现实技术，通信工程，金融系统等领域。SIMULINK是在

10、MATLAB环境下用于动态建模和仿真应用最广泛的软件包之一。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统, 也支持具有多种采样速率的多速率系统。此外，SIMULINK还能为实现动态系统建模和仿真分析提供集成环境，其主要的功能是对动态系统进行仿真和分析,预先模拟实际系统的特性和响应,根据设计和使用的要求,对系统进行修改和优化,以提高系统的性能,实现高效开发系统的目标。SIMULINK还提供业内领先的工具箱算法，这极大的扩展了 MATLAB 的应用领域，例如信号处理、数字图像处理、数据分析和统计以及算法建模和仿真等。MATLAB 的工具箱都是业内的专家、工程师结合多年来的经验和专业知识，专门开发的

11、用户处理特殊数学计算、分析和图形可视化的功能函数集合。对于建模，SIMULINK提供了一个图形化的用户界面（GUI）,可以用鼠标点击和拖拉模块的图标建模。通过图形界面，可以像用铅笔在纸上画图一样画模型图。这是以前需要用编程语言明确地用公式表达微分方程的仿真软件包所远远不能相比的。SIMULINK还包括一个复杂的由接受器，信号源，线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，可以仿真线性或非线性系统，并能够创建连续时间，离散时间或二者混合的系统。此外，SIMULINK还支持多采样频率系统，即不同的系统能够以不同的采样频率进行组合，可以仿真较大较复杂的系统。模型创建完成后，可以启动系统的仿真功能分析系统

12、的动态特性。SIMULINK内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、需求平衡点等，仿真结果可以以图形的方式显示在示波器窗口，以便于用户观察系统的输出结果。SIMULINK的输出结果可以以变量的形式保存起来，并输入到MATLAB中以完成进一步分析。现在, SIMULINK的版本已经发展到6.0 , 功能更加强大, 使用也越来越方便, 尤其是从2.0 版本开始增加了电力系统模块(PSB) , 在电力系统的仿真中显示了巨大的优越性。PSB 采用变步长积分法, 可以对非线性、刚性和非连续系统进行非常精确的仿真, 能够很精确地检测出断点和开关发生的时刻, 所以说PSB 是对电路包括电力电子装置进行仿

13、真的非常方便的工具。PSB是与MATLAB和SIMULINK兼容的,用户能够很容易的在PSB中建立一个图表, 利用SIMULINK中的模块进行组装控制系统,也可以利用MATLAB中提供的数字设计和分析工具。第二章 简单电力网络的稳态运行及振荡电力系统的稳态运行受到很多因素的影响，当电力系统发生某种事故，如高压电网发生短路或是发电机被切除等故障，以及发生振荡时，都会影响到电力系统的稳态运行，本文将主要分析电力系统在正常运行时各状态量的情况，并与发生故障及振荡时的情况进行分析对比，从而验证课本上关于电力系统稳态运行的理论为了便于研究，将电力系统的稳定分为静态稳定和暂态稳定两类；电力系统静态稳定性是

14、指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力；所谓电力系统暂态稳定性，一般是指电力系统在正常运行时，受到一个大的扰动后，能从原来的运行状态，不失去同步地过渡到新的运行状态，并在新的运行状态下稳定地运行。在双端电源输入的电力系统网络中，当两端电源的频率不一致时，电力系统就会发生振荡，对电力系统的稳态运行产生影响，本文也对此进行分析。2.1 常见简单故障分析单相接地短路（A相） 图 2-1-1 单相接地短路时系统接线图（1） 故障边界条件： 转换为对称分量： 基本特点如下：1) 短路点各序电流大小相等,方向相同。2) 短路点正序电流大小与短路点原正序网络上增加一个附加阻抗 而

15、发生三相短路时的电流相等。3) 短路点故障相电压等于零。4) 若两相故障相电压的幅值总相等，相位差的大小决定于 。当有2.2 振荡分析2.2.1 电力系统振荡的概念并联运行的电力系统或发电厂之间出现功率角大范围周期性变化的现象，称为电力系统振荡（Power Swing）。电力系统振荡时，系统两侧等效电动势间的夹角可能在0°360°范围内周期变化，从而使系统中各点的电压、线路电流、功率大小和方向都呈现周期性变化。这样，在电力系统出现严重的失步振荡时，功角在0°360°之间变化。电力系统的失步振荡属于严重的不正常运行状态，而不是故障状态，大多数情况下能够通过

16、自动装置的调节自行恢复同步。2.2.2 电力系统振荡时电流、电压的变化规律现以图2-2-2所示的双侧电源的电力系统为例，分析系统震荡时电流、电压的变化规律。振荡时电气量变化的特点（1）电流作大幅度变化图2-2-2双侧电源的电力系统设系统两端等效电动势和的幅值相等，相位角（即功角）为，等效电源之间的阻抗为,其中为M侧系统的等值阻抗， 为N侧系统的等值阻抗，为联络线路的阻抗。以为参考相量，当在0°360°之间变化时，相当于相量在0°360°范围内旋转。电势差的有效值为所以负荷电流为：系统振荡时，设超前的相位为，两侧电动势相等，系统中各元件阻抗角相等，振荡电流

17、为：振荡电流滞后电势差角为：由上式可知，系统M、N点的电压为：图2-2-3系统振荡时的相量图如上图2-2-3所示，当称为系统振荡中心特点： 正常运行时负荷电流幅值保持不变，振荡电力幅值作周期变化。（2）全相振荡时，系统保持对称性，系统中不含负序、零序分量，只有正序分量。短路时，一般将出现负序分量或零序分量。（3）系统电压作大幅度变化令，则 其中，有，M母线电压最高。当时，当m=0.5时，M母线电压为零；M越趋近0.5，变化幅度越大。（4）振荡时电气量变化速度与短路故障时不同，短路故障时电气量变化是突变的。（5）短路与振荡流过被保护线路两侧电流方向、大小是不相同的。第三章 MATLAB及其仿真工

18、具simulink简介3.1 MATLAB简介MATLAB是功能强大的科学及工程计算软件，它不但具有以矩阵计算为基础的强大数学计算和分析功能，而且还具有丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力。MATLAB的应用领域极为广泛，除数学计算和分析外，还被广泛地应用于自动控制，系统仿真，数字信号处理，图形图像分析，数理统计，人工智能，虚拟现实技术，通信工程，金融系统等领域。因此，MATLAB是面向21世纪的计算机程序设计及科学计算语言。1998年mathworks公司推出MATLAB Version 5.2，它增加的power system block是针对电力系统而设计的仿真软件模块，它的元件

19、模型比较多，功能也比较全面，目前许多电力系统的研究工作已开始用它作为仿真分析软件。MATLAB 具有较强的开放性，用户可以利用它设计全新的元件(包括元件的图形显示、所需参数、内部算法等)。本文主要介绍利用MATLAB建立电力系统网络的仿真模型，然后利用三相故障元件设置不同故障从而观察故障时电气量的特点。MATLAB环境能够完成算法开发、数据分析和可视化、高性能数据分析等工作，相对于传统的C、C+或者FORTRAN语言，在MATLAB中完成这些工作所消耗的时间仅仅是传统手段的极小一部分。开放性的MATLAB软件和开发语言M语言，能够快速实现用户好的想法和概念。3.2 MATLAB的主要组成部分M

20、ATLAB系统包括5个主要部分:(1) 开发环境MATLAB开发环境由一组工具和组件组成，这些工具是图形化的用户界面包括MATLAB桌面和命令窗口，命令历史窗口，帮助信息浏览器，工作空间浏览器，文件和搜索路径浏览器。(2) MATLAB数学函数库MATLAB集成了丰富的数学函数库，其强大的计算能力覆盖了从基本函数（如求和，正弦，余弦和复数运算函数等）到高级函数（如矩阵求逆，矩阵特征值，贝塞尔函数和快速傅立叶变换等）的范围。(3)MATLAB语言MATLAB语言是一种以矩阵运算为基础的高级语言，包括控制流的描述，函数，数据结构，输入输出及面向对象的编程环境，即可以编制快速使用小程序，又可以编制大

21、型复杂的应用程序。(4)图形功能MATLAB提供了功能强大的图形系统，即可以用高级命令完成二维和三维数据的可视化，图像处理，动画和图形表达等功能，也可以通过使用图形句柄完成复杂的图形功能，实现对所有图形对象的操作。(5)应用程序接口(API)MATLAB还提供了应用程序接口库函数，允许用户使C或FORTRAN语言编写程序与MATLAB连接,功能包括与MATLAB的动态连接，调用MATLAB作为运算引擎，读写MAT文件等。3.3 Simulink简介Simulink是实现动态系统建模和仿真分析的集成环境，其主要的功能是对动态系统进行仿真和分析,预先模拟实际系统的特性和响应,根据设计和使用的要求,

22、对系统进行修改和优化,以提高系统的性能,实现高效开发系统的目标。采用传统的方法实现系统的模拟和仿真，需要将系统的模块函数转化为微分或差分方程，再用某种程序设计语言（如C语言等）编程进行仿真运算。Simulink提供了图形化的用户界面，用户只需要点击鼠标，就可以轻松的完成模型的构建、调试和仿真工作，这样就大大降低了仿真的难度，用户不需要为了完成仿真工作而去学习某种程序设计语言。Simulink提供业内领先的工具箱算法，这极大的扩展了 MATLAB 的应用领域，例如信号处理、数字图像处理、数据分析和统计以及算法建模和仿真等。 MATLAB 的工具箱都是业内的专家、工程师结合多年来的经验和专业知识，

23、专门开发的用户处理特殊数学计算、分析和图形可视化的功能函数集合。对于建模，Simulink提供了一个图形化的用户界面（GUI）,可以用鼠标点击和拖拉模块的图标建模。通过图形界面，可以像用铅笔在纸上画图一样画模型图。这是以前需要用编程语言明确地用公式表达微分方程的仿真软件包所远远不能相比的。Simulink包括一个复杂的由接受器，信号源，线性和非线性组件以及连接件组成的模块库。Simulink提供了大量的系统模块，包括了信号，运算，显示和系统等多方面的功能，可以创建各种类型的仿真系统，实现丰富的仿真功能。用户也可以定义自己的模型，进一步扩展模型的范围和功能，以满足不同的需求。模型创建完成后，可以

24、启动系统的仿真功能分析系统的动态特性。Simulink内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、需求平衡点等，仿真结果可以以图形的方式显示在示波器窗口，以便于用户观察系统的输出结果。Simulink的输出结果可以以变量的形式保存起来，并输入到MATLAB中以完成进一步分析。Simulink可以仿真线性或非线性系统，并能够创建连续时间，离散时间或二者混合的系统。Simulink还支持多采样频率系统，即不同的系统能够以不同的采样频率进行组合，可以仿真较大较复杂的系统。模型的创建与定义、模型的分析以及修正是使用Simulink的三大步骤。图2-1显示了典型的Simulink工作框图。模型建构和定义

25、+模型的分析显示修正 图3-1 Simulink操作框图定义完一个模型以后，就可以通过Simulink的菜单或者在MATLAB的命令窗口输入命令对它进行仿真。菜单对于交互式工作非常方便，而命令行方式对于处理成批的仿真比较有用。使用scopes或者其他的显示模块，可以在运行仿真时观察到仿真的结果。另外，还可以在仿真时改变参数并且立即就可以看到有什么变化。3.4 simpowersys 模块介绍SimPowerSystem是在Simulink®环境下进行电力电子系统建模和仿真先进工具。它为发电输变电系统和电力分配计算方面提供了强有力的解决方法，尤其是当设计开发内容涉及控制系统设计时，优势

26、更为突出。对于具有复杂自给型供电装置，如汽车上、飞机上、制造设备上的电气系统和普通用电装置，用SimPowerSystem进行分析和设计非常理想。SimPowerSystem是Simulink下面的一个专用模块集，由电气仿真专家 TEQSIM International最初开发。该模块集包含电气网络中常见的元器件和设备，以直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述。模型可与其它Simulink 模块的相连接，进行一体化的系统级动态分析。3.4.1特点1) 使用标准电气符号进行电力系统的拓扑图形建模和仿真； 2) 标准的AC和DC电机模型模块；变压器；传输线；信号和脉冲发生器；HVDC控制；IGB

27、T模块和大量设备模型，有断路器，二极管，IGBT，GTO ，MOSFET和晶闸管； 3) 使用Simulink强有力的变步长积分器和零点穿越检测功能，给出高度精确的电力系统仿真计算结果 4) 为快速仿真和实时仿真提供了模型离散化方法； 5) 提供多种分析方法，可以- 计算电路的状态空间表达- 计算电流和电压的稳态解- 设定或恢复初始电流 / 电压状态- 电力机械的潮流计算 6) 提供了扩展的电气系统网络设备模块，如电力机械，功率电子元件，控制测量模块和3相元器件； 7) 提供36个功能演示模型，可直接运行仿真； 8) 提供详细的文档，完整的描述了各个模块和使用方法，另外提供了5个详细的研究案例

28、和一个7节课时的指南课程。 3.4.2强大功能SimPowerSystem中的模块SimPowerSystem中模块的数学模型基于成熟的电磁和机电方程，用标准的电气符号表示。它们可以同标准的Simulink模块一起使用建立包含电气系统和控制回路的模型。连接通过与SimPowerSystem提供的测量模块实现。SimPowerSystem拥有近100个模块，分别位于7个子模块库中。这些库模块涵盖了以下应用范围：1) 电气网络RLC支路和负载，型传输线，线性和饱和变压器，浪涌保护，电路分离器，互感，分布参数传输线，3相变压器（2个和3个绕组）,AC和DC电压源，受控电压源和受控电流源。 2) 电力

29、机械完整或是简化形式的异步电动机，同步电动机，永磁同步电动机，直流电动机，激磁系统和水轮机涡轮机/调速系统模型。 3) 电力电子二极管，简化/复杂晶闸管，GTO，开关，MOSFET，IGBT和通用型桥接管模型。 4) 控制和测量模块电压、电流和电抗测量，RMS测量，有功和无功功率计算，计时器，万用表，傅立叶分析，HVDC控制，总谐波失真，abc到dq0和dq0到abc轴系变换，3相V-I测量，3相脉冲和信号发生，3相序列分析，3相PLL和连续/离散同步6-，12-脉冲发生器。 5) 三相网络元器件3相RLC负载和支路，3相断路器，3相，3相电抗，型传输线，AC电压源，6-脉冲二极管和晶闸桥管，

30、整流二极管，Y-/Y-/Y-/Y-Y-可配置3相变压器。 3.4.3 与 Simulink 和 MATLAB集成在一起SimPowerSystem与Simulink和MATLAB是无逢结合在一起的。仿真仍可使用 Simulink强大的的变步长积分器其中有一些专为刚性系统求解而设计来精确的计算电气系统模型。另外， Simulink的零点穿越检测功能，能以机器数据精度水平计算检测并求解不连续过程。MATLAB及其工具箱所提供的功能同样可以用来分析仿真结果，将其可视化，并进一步做整个完整系统的建摸，仿真和优化设计。3.4.4 交互式参数设定使用SimPowerSystem提供的Powergui模块，

31、用户可以修改模型的初始状态，从任何起始条件开始仿真分析。Powergui交互式工具模块提供的工具可以：- 显示稳态电压和电流- 显示并修改初始状态量- 计算潮流和初始化机电摸块- 当模型中存在电抗测量模块时可显示电抗相对频率的变化。- 可使用控制系统工具箱的LTI Viewer工具，进行系统的时域、频域响应分析- 生成稳态计算分析报告3.4.5 仿真和分析通过SimPowerSystem的测量模块可以将电气系统模型信号转变为Simulink模型信号，并在示波器中显示。电动机和电力电子模块的测量输出端也可以直接输出Simulink 模型信号。除了使用连续仿真求解器，SimPowerSystem

32、还可以使用离散化模块将模型离散化，利用定步长梯形积分法进行离散仿真计算。这一特性能够显著提高 仿真计算的速度 尤其是那些带有电力电子设备的模型。另外，由于模型被离散化了，这时还可以用Real-Time Workshop?生成模型的代码，进一步提高仿真的速度。SimPowerSystem以M文件形式提供了power2sys函数，可用于在仿真过程之外获得电路的状态空间模型表达。该函数分析电网络拓扑结构，并计算出等价状态空间模型。在这个函数所提供信息的帮助下，可以使用诸如控制系统工具箱进行更进一步的分析。3.4.6 完善的文档和示例除了产品使用的基本信息，SimPowerSystem提供的文档还覆盖

33、了更多高级主题，如积分算法的选择、如何提高仿真速度和定制模块。文档同样包括了所有模块的描述信息，5个详细的案例研究和一个7节课程使用教学。随SimPowerSystem发布的还有36个可以直接运行的演示模型。其中有一些展示了对某些有一定使用经验的用户而言层次更高的建模概念。演示模型包括6、12脉冲HVDC 传输系统，3相整流，MOSFET变换，汽轮机/调速系统和一个说明定步长梯形法计算的电流饱和变压器模型。这些都为SimPowerSystem的学习和使用建立了良好的起来。第四章 简单电力网络建模与仿真本章对大三下学期所做的电力系统稳态课程设计中的复杂环形网络进行了建模和仿真，分析的模型为经典的

34、IEEE5节点模型，利用Simulink搭建了该系统的模型，并在不同地点设置了多个观测点，且对单相接地故障和振荡进行了仿真分析。该网络如下图所示，为一典型的双端电源环网结构；因此，该网络包含的我们所学的环网的情况，能够全面的反应较复杂网络结构情况下的稳态运行及振荡特点，具有典型意义。4.1 仿真模型的建立和参数设定(1) 网络拓扑结构及参数图4-1-1为待仿真环形网络的系统接线图图 4-1-1 系统接线图文中所用的IEEE5节点模型的网络拓扑结构如下：网络中两侧发电机额定电压均为10.5kv，经变比为10.5/121的变压器T1、T2升压后送入网络，线路L1长度为60km，L2长度为30km，

35、L3长度亦为30km。负荷F1P=10MW,Q=5Mvar，F2 p=10MW，Q=5Mvar。F3 p=50MW,Q=25Mvar.。(2)仿真模型的建立图4-1-2为利用Simulink建立的模型：图4-1-2利用Simulink建立的双端电源模型(3) 各元件参数的设定各组成元件名称及参数设定如下图：G1、G2发电机，元件及参数设定如图4-1-3所示 图4-1-3 发电机参数设定 图4-1-4 发电机模型T1、T2升压变压器，变比为10.5/121，参数设定如图4-1-5所示： 图 4-1-5 变压器参数设定 图4-1-6 变压器模型L1、L2、L3线路参数设定如图4-1-7所示： 图4

36、-1-7 线路参数设定 图4-1-8 分布参数线路模型负荷参数设定如图4-1-9所示： 图 4-1-9 负荷参数设定 图 4-1-10 负荷模型根据以上的网络结构模型和线路参数，我们就可以利用MATLAB中的simulink对该网络进行仿4.2 仿真波形及分析仿真模型建立完成之后，检查连接是否正确，并通过运行检测是否存在错误，如果没有错误，通过示波器观察各检测点的三相电压、电流波形。本文中主要观测发电机出口处电压、电流波形，故障点电压、电流波形以及振荡波形。文中主要设置了以下几种情况：正常运行、单相接地故障以及振荡。 4.2.1 正常状况下各点波形 （1）正常状态下发电机出口处的电流、电压波形

37、，波形如图4-2-1，图4-2-2所示： 图4-2-1 正常工作状态发电机出口处电压波形 图4-2-2 正常工作状态发电机出口处电流波形（1） 下图显示的为正常工作状态下线路L1的电压电流波形，如图4-2-3、图4-2-4所示： 图4-2-3 正常工作状态下线路L电压波形 图4-2-4 正常工作状态下线路L1电流波形4.2.2电力系统网络发生故障时波形分析 本小节分析环网某一节点发生单相接地（A相）短路故障时的波形。（1）当在A出发生单相接地短路时，故障点波形可见下图：A相接地故障，故障阻抗为0.1 ohms，接地阻抗为0.001 ohms，仿真时间为0.1秒，频率为50Hz.。所得故障处电流

38、波形如图4-2-5所示：图4-2-5 单相接地故障时故障点电流波形图形分析：A相发生接地短路，A相电流迅速增大为正常时的数倍大小，非故障相电流正常所得故障处电压波形如图4-2-6所示：图4-2-6 故障1处A相接地故障电压波形图形分析：接地相A相电压为零，非故障相电压略微增大，但是波形保持不变4.2.3网络发生振荡时波形分析 （1）正常工作状态下各点波形图4-2-7 正常工作状态下电压波形图4-2-8 正常工作状态时电流波形（2）发生振荡时波形，如下图4-2-9所示图4-2-9振荡状态时波形结论本次课程设计通过运用MATLAB中的SIMULINK软件对电力系统中的环网和辐射网进行仿真，并观察稳

39、态运行、故障及振荡下的波形，从而与课本上所学进行验证，加深对各种运行状态的理解。由本次设计可以得出一下结论：（1）Simulink能够对规模较小的简单电力网络进行较好的仿真。仿真情况比较接近系统真实情况。电压等级及潮流分布比较正确。对于较大的电力网络，由于参数设置不易，以及存在较多的非线性元件，仿真图形不是很好，但是可以定性的进行分析。（2）由于发电机、变压器的存在，其运行过程中都会产生毛刺，因此整个系统网络中会存在不同程度的波形畸变，从而变得不光滑。从这一点我们可以看到，在实际电力系统中，应用相关反而电力器件以抵消或减少系统中的谐波是非常重要的。过多的谐波会影响系统的稳定性，甚至不能正常工作

40、。（3）Simulink能够对各种形式的电力网络进行较好的仿真，从而得到理想的仿真结果。Simulink仿真出来的结果通过波形图表示出来，比较直观，适用于科研以及平时的教学辅助。通过系统仿真可以使电力系统潮流分布的抽象问题具体化，仿真出来的结果通过波形图表示出来，比较直观，适用于科研以及平时的教学辅助。（4）在Simulink仿真过程中，由于部分参数的设定过于简单，导致仿真系统与实际系统的运行状况存在一定的差距，因此需要进一步优化参数的设定，使仿真结果更接近实际运行系统。谢辞在本学位论文完成之际，我要向所有曾经帮助过我、关心过我的老师、同学们表达我深深的谢意。首先感谢导师张荣老师，本文的全部工

41、作都是在张荣老师的悉心指导下完成的。张老师在工作、学习、生活等诸多方面给予了作者很大的帮助，他渊博的知识，严谨的治学态度和对学生的关心，是作者终身效仿的楷模。在此向他致以崇高的敬意和衷心的感谢。 在课题的设计和本文的写作过程中，周围的老师和同学也给了我的大力支持和帮助，在此对他们一并表示衷心的感谢！最后，祝愿各位老师及我亲爱的同学们在以后的学习工作中一切顺利！身体健康，万事如意！最后，再次向一直关心我爱护作者的朋友表示衷心的感谢！ 参考文献1. 东南大学，陈珩。电力系统稳态分析。（第二版），北京：中国电力出版社 1995.112. 李海涛，邓樱 。MATLAB程序设计教程 。北京：高等教育出版

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45、set for use with Simulink” The Mathworks Inc., Natick, MA, 2001.18. Karl Schoder, Amer Hasanovie, Ali Feliachi, and AzraHasanovie, "PAT: A Power Analysis Toolbox for MATLAB/Simulink," IEEE Transactions on PowerSystems, vol. 18, no. 1 pp. 42-47, Feb. 2003.19 M.G.Rabbani, A.B.M.Nasiruzzaman,

46、 R.I.Sheikh, Md.Shamim Anower，MATLAB BASED FAULT ANALYSIS TOOLBOX FOR ELECTRICAL POWER SYSTEM,4th International Conference on Electrical and Computer Engineering ICECE 2006, 19-21 December 2006, Dhaka, Bangladesh20 PSS/E, "Power System Simulator for Engineering",Power Technologies Inc, Sch

47、enectady, NY, 2001.26附录附录一 译文:基于MATLAB/Simulink仿真的复合电力系统暂态稳定性分析Ramnarayan Patel, T. S. Bhatti and D. P. Kothari能源研究中心， 印度理工学院， Hauz Khas, 新德里， 印度E-mail: ramnarayan_patel; tsbces.iitd.ernet.in; dkotharices.iitd.ernet.in文摘： Simulink软件是由MathWorks有限公司研发的先进的软件, 在很多研究领域，它作为研究的基本组成部分得到越来越多应用。因此，在电力系统仿真研究领域

48、它也拥有巨大的潜力。在本文中，我们运用了一个复合多机电力系统的例子来展示基于Simulink模型的暂态稳定分析的应用范围及特点。已经给出了一个自给自足模型的所有完整细节，它可以用作一个电力系统详尽研究的基本构架。关键词： MATLAB; 电力系统模型; Simulink仿真； 暂态稳定性; 在系统运行中，电力系统的稳定性一直是并且今后仍将是最需要关注的问题。由于电力网络互联性的日益发展、大型机组安装以及特高压输电线路等原因，现代电力系统已经成长为一个大而复杂的系统。暂态稳定性是指当受到严重的瞬时干扰,例如传输设施发生故障,发电机突然缺失或损失一个大的负荷时电力系统保持同步的能力。系统对这些干扰

49、包括发电转子角的大幅度偏移、功率潮流、端电压和其他系统变量等做出反应。暂态稳定性是在运行情况以及干扰情况下均作用的函数，而稳态稳定性是一个只存在于运行情况下的函数, 这点是很重要的，这使得暂态稳定性的分析变得相当的复杂。对需要考虑的不同的干扰情况要加以反复分析。在电力系统暂态稳定性的研究中,需要被频繁考虑的扰动因素是不同类型的短路，除了这些，通常情况下发电机母线的三相短路是最严重的类型，因为它能导致相连的机器发生最大情况的加速。从历史上看，与电力系统相关的暂态现象模拟仿真已经利用电磁暂态程序(EMTP)3或它的一个变体进行了研究,例如可以选择暂态程序(ATP)或直流电磁暂态(EMTDC)，他们

50、均基于梯形集成规则及节点方法。SPICE是由加州大学伯克利分校编写的一种多用途的线路仿真程序, 它包含了基本的电路模型元素（R,L、C、独立源和受控源、变压器、输电线路），开关和最常见的半导体设备：二极管、双极晶体管(BJTs)，结场效应晶体管(JFETs), MESFETs 和MOSFETs。SPICE主要用于模拟电子和电气回路的不同分析,包括直流、交流、暂态、零点、失真、灵敏度和噪音。SPICE采用应用variable-time-step集成算法的节点办法, 所以它能够正确模拟开关电力电子电路。PSPICE A/D（由MicroSim持有的SPICE商业版）控制系统的仿真利用模拟行为模型(

51、ABM)数据块加以发展。但是，还没有具体模式为电力系统和驱动器，例如电机、断路器、避雷器产品，硅可控整流器等所应用。为了模仿电力系统,用户必须建立使用SPICE基元或者基本元素建立所需要的模型，所以仿真设置非常费时。Simulink仿真是一种为建模、分析、模拟各种各样的动态系统二设立的交互式的环境。Simulink提供一个用“拖拽”操作进行模型构建框图的图形用户界面。一个系统根据标准组件数据库中所显示的框图来进行配置。用框图表示法表示的系统很容易建立并且仿真结果能很快显示出来。仿真算法和参数可以在显示直观结果的模型的中间被改变，因此为用户提供了一个可以用来模拟在现实生活中所现的许多操作问题 的

52、ready-access学习工具。Simulink在研究系统行为的非线性影响方面是特别有用的，同样地,这也是一种理想的研究工具。Simulink仿真的关键特征是:有实时显示的的交互模拟器；一个用来创建线性、非线性、离散的或混合多输入/输出系统的综合图块数据库；为固定步长，可变步长和稳固系统设立的七集成法；无限的层次模型结构；标量与向量连接；建立自定义块和图块函数库的模块设备；用户也可以从电力系统模块库(PSB)中得到许多装置和内置组件。PSB自身可以提供机器模型以及其他组成部分的详细的三相显示。考虑到一个PSB所必需的完整三相显示装置的整体复杂性和数据的要求（它在很多情况下可能不适用），在我们

53、目前的研究中，我们考虑到将它的源软件Simulink仿真作为基本研究工具。当需要的时候，励磁系统，汽轮机以及PSB中的滑轮调速器可以很容易与Simulink数据块一起使用。用户同时获得了众多由MATLAB程序及其工具箱所提供的设计分析工具。在研究项目的很多领域以及电力系统领域中，Simulink仿真的应用正在迅速增长。在本文中,用 Simulink作为工具，我们已经展示了一个简单但同时又省时有效的方法来研究了一个实际电力系统的暂态稳定性能。我们希望这个尝试将增添更多的实用信息在这个重要而未尽的领域。系统案例说明我们来考虑目前流行的西方系统协调委员会(WSCC)型3-机器,9-母线系统，如图1.

54、11所示。这也是出现在参考文献12 和 13以及广泛用于其它论文中的系统。基准MVA是100，系统频率为60HZ。附件1给出了系统的数据。该系统已经对发电机的经典模型进行了数值模拟，暂态启动的干扰是发生在线路57末端，靠近母线7端的三相故障，通过断开线路57清除故障。这个系统尽管很小，但是发生异常时足够大，因此可以解释说明一些有关稳定性的概念和结果。系统建模在一个单一的整体模型中，整个系统由Simulink数据库所代表。下面给出的数学模型是不证自明的。Simulink仿真模型最重要的功能之一是它的巨大的互动能力，它使显示信号在任何时候随叫随到，所有需要做的就是增加一个范围数据块或一个输出接口，

55、它给出一个反馈信号就像画线一样容易。任何数据块中的一个参数都可以被一个MATLAB的命令行或者通过m-file计划对它进行控制。在电力系统配置相异之前、配置过程中以及故障后，它对暂态稳定性的研究是非常有用的。加载条件和控制措施也可以实施相应的解决方法。数学建模：每一个网络条件（故障前、故障中、故障后）下的Y矩阵一旦被计算出来，除了内部的发电机节点和为了减少网络而增加的Y矩阵外，我们可以消除所有的节点。消除节点可以通过矩阵操作来实现，在矩阵操作中要记住除了内部发电机节点，所有节点的注入电流都为零的事实。在一个有n个发电机的电力系统中，节点方程可以写成：下标n用来表示发电机节点，下标r是用于其余节点。扩大载荷(1)：In = YnnVn + YnrVr , 0 = YrnVn + YrrVr 从中我们消除Vr发现In = (Ynn - YnrYr-r1Yrn )Vn （2）因此预期矩阵可以写成如下所示：YR = (Ynn - YnrYr-r1Yrn ) （3）它的阶数为n×n，其中n为发电机的个数。需要注意的是由方程式(1)-(3)所展示的网络简化理论是一种很方便的分析技术，且只有在负载被视为连续脉波的情况下适用。对电力系统研究而言，被消除的矩阵也需要计算。附录II给出了故障前、故障时、故障后的合成矩阵。注入网络节点i中的功率，