基于MATLAB的电力系统仿真设计

1、 PAGE67 / NUMPAGES67基于MATLAB的电力系统仿真摘 要：目前，随着科学技术的发展和电能需求量的日益增长，电力系统规模越来越庞大，超高压远距离输电、大容量发电机组、各种新型控制装置得到了广泛的应用，这对于合理利用能源，充分挖掘现有的输电潜力和保护环境都有重要意义。另一方面，随着国民经济的高速发展，以城市为中心的区域性用电增长越来越快，大电网负荷中心的用电容量越来越大，长距离重负荷输电的情况日益普遍，电力系统在人民的生活和工作中担任重要角色，电力系统的稳定运行直接影响的人们的日常生活。随着电力系统的飞速发展和电网的日益扩大以与自动化程度的不断提高，电力系统中许多计算和控制问题

2、日益复杂，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，因此迫切要求运用电力仿真来解决这些问题。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，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,从而有效了解电力系统概况。本文根据电力系统的特点，利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了含发电机、变压器、输电线路、无穷大电源等的系统的仿真模型，得到了在该系统主供电线路电源端发生三相短路接地故障并由故障器自动跳闸隔离故障的仿真结果，并分析了这一暂态过程。通过仿真结果说明MATIAB电力系统工具箱是分析电力系统的有效工具。关键词：电力系统；三相短路；故障分析；m

3、atlab仿真Electric Power System Simulation Base on MATLABAbstract： Now, with the development of science and techmology and the growing demand for eletrical energy, power systems get increasingly large and long-distance EHV power transmission, large capacity electric generating set, as well as the vario

4、us new control devices have been widely used. This has important significance to rationally utilizing energy resources, making full use of the existing electric systems delivery potential and protecting the environment. On the other hand, with the fast growth of the national economy, city-centered r

5、egional power consumption is rising more and more rapidly, power demand in large electric system laod centers is growing faster and faster, and long-distance and heavy-duty power transmission is more and more popular. Power system play an important part in peoples lives and work, power system and st

6、able operation of a direct impact on the peoples daily life, with the rapid development of power systems and power grids is increasing with days and the degree of automation continuous improvement, many computing and control of the power system increasingly complex issues, it is impossioble to take

7、a direct This paper base on the characteristics of the power system, using the software MATAB simulink built with generators,transformers,power line,such as the infinite power system simulation model, and has a simulation result of three-phase short-circuit fault which happen in the main power-suppl

8、y line and the fault automatic tripping isolation by the three-phase fault, and analysis of this transient. The simulation results show MATLAB power system toolbox of the power system is an effective tool.Key words: Power system ；Three-phase short-circuit ；Fault analysis ；MATLAB simulation第一章 绪论1.1

9、我国电力系统情况简介电力系统是由发电厂、电力网和电力负荷组成的电能生产、传输和转化的系统。而电力负荷则是该系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率的总称，有时也包括将这些用电设备连接起来的配电网。目前，我国正处于经济快速发展的时期，电力系统也步入了大电网、超高压、大机组、远距离的时代，但由于目前的经济发展速度远远超出了国家的预期，导致近些年来出现全国围电力建设落后于国民经济发展水平的局面，电力系统运行在接近电网极限输送能力状态的几率大大增加，从而较大程度上存在着发生电压崩溃事故的威胁。我国电力系统是随着我国电力工业的发展而逐步形成的。国民经济的迅速发展，我国的电力工业得到相应的增长，逐步形成

10、以大型发电厂和中心城市为核心、以不同电压等级的输电线路为骨架的各大区、省级和地区的电力系统。目前，全国电网已经基本上形成了500 kV和 330 kV 的骨干网架。大电网已覆盖全部城市和大部分农村；以三峡为中心的全国联网工程开始启动，我国电网进入了远距离、超高压、跨区输电的新阶段。1987 年全国发电装机容量跃上了1 亿 kW的台阶；从 1978 年起到 1999年，我国装机容量平均每年增加近 10GW，1997 年年底全国装机容量达到了254GW的水平，年发电量也超过了1100TWh，成功地实现了持续高速增长。自1981年中国的第一条 500kV 输电线路投入运行以来，500kV的线路已逐步

11、成为各大电力系统的骨架和跨省跨地区的联络线。1.2 本课题研究的前景和意义 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实验很难进行，一是条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的；三是最初的一个新的设计构思、到通过软件进行实际情况的模拟、在应用到具体的工程中，其工作量往往消耗大量的财力物力和人力，其过程中稍有失误都有可能前功尽弃。考虑到以上情况，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十分重要，目前比较流行的电力系统仿真工具由以下几种：（1） 邦纳维尔电力局开发的BPA程序和EMTP程序；（2）曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的PSC

12、AD/EMTDC程序；（3）德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC；（4）中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序PSASP；（5）MathWorks公司开发的科学与工程计算软件MTATLAB。本文主要采用MTALTB进行电力系统的仿真，MATLAB是有效的电力系统仿真工具,它提供了简洁的工具，通过电力系统电路图的绘制，MATLAB自动生成数学模型，可以节省建立电力系统数学模型的建立。1.3 本文的目的与主要容1.3.1主要目的目前电力系统实验技术尚未完善，通过运用MATLAB对电力系统进行仿真分析，分析结果证明仿真的有效性，从中得出仿真的方法和意义，从而将这种仿真运用到电力系

13、统的各个方面。1.3.2本文主要容首先理论分析电力系统运行中短路的危害和发生短路时电气设备的状况与系统的状况，并建立发电机和变压器的数学模型。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。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。第二章 电力系统理论分析在电力系统的设计和运行中，都必须考虑到可能发生的故障和不正常运行情况，因为它们会破坏电气设备的正常工作和影响对用户的供电。运行经验指出，故障大多是由短路引起的。电力系统中发生的短路有三相短路、两相短路、一相接地短路和两相接地短路等四种。短路后，系统

14、中出现的短路电流比正常负荷电流大得多。在电力系统中，短路电流可达几万到几十万安，对系统产生极大的危害：1）短路时要产生很大的电动力和很高的温度，使故障元件和短路电路中的其他元件受到损害和破坏。2）短路时的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。3）严重的短路影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。由此可见，短路的后果十分严重，因此对于大容量电力系统发生三相短路的分析是必要的。2.1 同步发电机发生短路的暂态过程分析同步发电机在电力系统中处于重要的地位。用户与发电厂的距离越来越远，发电机三相突然短路的概率增大。由于同步发电机部结构复杂，由多个具有电磁耦合关系的绕组构

15、成。同步发电机突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍 ,对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响 ,因此对同步发电机动态特性的研究历来是电力系统中的重要课题之一 。而同步电机的突然三相短路 ,是电力系统的最严重的故障，它是人们最为关心、研究最多的过渡过程，虽然短路过程所经历的时间是极短的（通常约为0. 10. 3 s ），但对电枢短路电流和转子电流的分析计算，却有着非常重要的意义。2.1.1 同步发电机的数学模型本文研究的是转极式的凸极同步发电机，除a、b、c 三相定子绕组外还有转子上的一个励磁绕组和两个阻尼绕组。在分析同步发电机的数学模型时，作如下假设：发电机参数恒

16、定；磁饱和、磁滞、涡流影响忽略不计；定子三相对称；忽略磁场高次谐波；不计涡流和磁滞损耗。发电机六个绕组存在相互的电磁耦合关系。同步发电机的d轴和q轴等值电路图如图2-1所示。图2-1 同步发电机的d轴和q轴等值电路图根据电路定律，发电机六个绕组可以建立六个回路电压平衡方程，如下：根据六个绕组之间的磁链耦合关系，得到发电机模型dq0 坐标系中的磁链方程可表述为：其中：d、q表示直轴和交轴分量； R、s表示转子和定子分量；l、m表示漏抗和激磁电抗；f、k励磁绕组分量、阻尼绕组分量；表示轴定子绕组、轴定子绕组； 表示励磁绕组的磁链。机械部分表达式如下：其中相对额定运行点的速度变化；转动惯量；机械转矩

17、；电磁转矩；阻尼系数；转子机械角；额定运行点的速度（标幺值为1）。2.1.2 同步发电机突然短路理论分析1. 定子电流的计算在分析突然三相短路时，可以利用叠加原理，认为不是发生了突然短路，而是在电机的端头上突然加上了与叠加突然短路前的端电压大小相等但方向相反的三相电压。这样考虑时，同步电机的突然三相短路问题就变成了下述两种工作情况的综合问题了，即：与短路前一样的稳态运行状态；突然在电机端头上加上与突然短路前的端电压大小相等但方向相反的三相电压。将电机突然三相短路后的定子电流分为两部分来计算。将它们合并后，即得同步发电机突然三相短路后的实际电流为：其中 d、q轴同步电抗；同步发电机的功角；纵轴超

18、瞬变电流衰减的时间常数；纵轴瞬变电流衰减的时间常数；定子非周期电流衰减的时间常数；同步发电机机端的相电压有效值。转子电流的计算突然三相短路后,电机转子中的电流,也象计算定子电流一样，可以分成两部分来计算，即：原来稳态三相对称运行时的转子电流。突然在电机端头上加上与突然短路前的端电压大小相等但方向相反的三相电压所引起的转子电流。将电机突然三相短路后的转子电流分为两部分来计算，将它们合并后，即得同步发电机突然三相短路后的实际电流为：当转子上没有阻尼绕组时，则：当转子上有阻尼绕组时，则：阻尼绕组中的实际电流，在短路前，即稳态对称运行时，阻尼绕组的电流为零，因此，突然三相短路后的阻尼绕组的实际电流为：

19、其中d、q轴电枢反应电抗；励磁绕组电阻；励磁绕组电抗；d、q轴阻尼绕组电抗。2.2变压器短路分析电力变压器是电力系统的核心设备之一 ，其稳定、可靠运行对电力系统安全起到非常重要的作用。然而，由于设计制造技术、工艺以与运行维护水平的限制 ,变压器的故障还是时有发生 ，尤其是近年来逐步引起人们重视的变压器近区或出口短路故障，大大影响了电力系统的安全稳定运行。统计资料表明，在变压器损坏的原因中 ，70%以上是由于变压器发生了出口短路的大电流冲击导致低压绕组变形造成的。因此，采取切实有效措施提高低压绕组强度，对确保变压器的安全稳定运行有重要的意义。电力变压器在发生出口短路时的电动力和机械力的作用下，绕

20、组的尺寸或形状发生不可逆的变化，产生绕组变形。绕组变形包括轴向和径向尺寸的变化，器身位移，绕组扭曲、匝间短路等，是电力系统安全运行的一大隐患。变压器绕组经受短路故障后，有的虽未立即发生损坏，但对变压器造成的潜在危害值得引起重视：1)绕组机械性能发生变化。由于短路的累积效应作用，当再次遭受短路电流冲击时，将可能使绕组承受不住巨大电动力的作用而失稳。2)绝缘强度下降。一旦遭受过电压，有可能发生绕组短路，致使变压器绝缘被击穿；或在正常运行工况下，因局部放电的持续作用，使已有的绝缘损伤逐渐加重，从而导致变压器绝缘被击穿。3) 累积效应。运行经验表明，运行变压器一旦发生绕组变形，将导致累积效应，出现恶性

21、循环。从计算分析和生产实践可知，一至二次电流峰值的冲击就导致变压器损坏事故的几率是很小的，但遭受过短路电流冲击的变压器已经存在一定的安全隐患。对绕组已产生变形但仍在运行的变压器而言，虽然并不一定会立即发生绝缘击穿事故，但当再遭受也许并不大的过电流或过电压，甚至在正常运行的电磁动作用下，也可能导致变压器绝缘击穿。影响系统的稳定运行。2.2.1 变压器数学模型建立电力系统中的变压器通常是三相的，而三相变压器的磁路结构型式、绕组接线方式（主要包括Y型和 D型）、中点接地与否等多种因素对励磁涌流、每相输出电流有着较大影响。首先描述单相双组变压器数学模型，然后根据绕组接线方式推导出三相之的连接关系方程，

22、建立三相变压器数学模型。1. 单相变压器的数学模型1） 磁链方程 假定单相变压器一、二次绕组匝数分别为和，考虑绕组漏磁通，一、二次绕组的磁通表示为：式中 主磁通；分别是一、二次绕组的漏磁通。由磁链定义，一次绕组的磁链为：式中： 漏磁通，由一次绕组的磁动势建立；漏磁通路径磁导率；主磁通，由一、二次绕组的总磁势建立；互磁通路径磁导率。方程（3）的右端另作表示：类似地，二次绕组磁链为：则一、二次绕组关于绕组感应的表达式为：式中： 分别一、二次绕组自感；分别为一、二次绕组互感。其中 电压方程用替换，用替换，一次绕组感应电压可以写为：式中： 为二次侧电流折合到一次侧的折算值。绕组端电压为感应电压和阻抗压

23、降之和，对于一次绕组，即类似地，二次绕组端电压可以写为：3） 连接关系方程变压器等效电路如图2-2所示，一次侧三相绕组相电压可直接由输入交流电压计算得到：式中： 每相输入交流电压。图2-2 变压器等效电路图二次绕组中点接地，接地点为G，二次侧三相绕组线电压为：式中： 中点对地电压，；接地阻抗；、分别为每相对地电压。其中，一次侧三相绕组线电流：式中： 、分别为一次侧三相绕组的输出电流。2.2.2 变压器短路分析 电力变压器短路故障主要是指副边输电线路上的短路。假定电网的容量很大，短路电流不至于引起电力电网电压下降，忽略空载电流，突发短路时一次侧电路的微分方程为：解此常系数微分方程有式中：突发短路

24、电流稳态分量的瞬时值，；突发短路电流稳态分量的幅值，；与的相位差，；突发短路电流暂态分量的瞬时值，；暂态电流衰减的时间常数，；积分常数，由初始条件决定。 变压器短路时，由于负载电流比短路电流小得多，可以忽略，认为是空载情况下发生，即t=0时，。可得突发短路电流为：突发短路电流最大值为：式中：突发短路电流最大值与稳态短路电流最大值的比值，中小型电力变压器=1.21.4，大型电力变压器=1.71.8。由此可见，短路产生的冲击电流最大值可达额定电流的1020倍。第3章 基于MATLAB的单机-无穷大系统模型建立3.1 MATLAB简介MATLAB 是由美国Mathworks公司开发的一套高性能的数值

25、计算和可视化大型软件 ，它是以矩阵运算为基础 ，把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境中 ，在此环境中可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等，其在科学计算、工程设计和系统仿真中运用很广泛。在MATLAB中包括了两大部分 ，数学计算和工程仿真 ，其中在工程仿真方面 ，MATLAB 提供的软件支持涉与到各个工程领域 ，并且在不断完善。MATLAB 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

26、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 ，输出向量以与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。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，电力系统仿真是将电力系统

27、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。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。3.2 Simulink中电力系统模块库简介Simulink是一种用来实现计算机仿真的软件工具。它是MATL

28、AB的一个附加组件，可用于实现各种动态系统（括连续系统、离散系统和混合系统）的建模、分析和仿真。Simulink对仿真的实现可以应用于动力系统、信息控制、通信设计、金融财会与生物医学等各个领域的研究中。Simulink实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，并且凭借MATLAB在科学计算上的天然优势，建立了从设计构思到最终要求的可视化桥梁，大大弥补了传统设计和开发工具的不足。它可以使系统的输入变得相当容易且直观，同时可以容易地改变输入信号的形式，对仿真算法和仿真参数的选择以与对输出结果的处理上也更加灵活自由。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

29、和结构并验证系统性能，另外Simulink还可以与MATLAB中的DSP工具箱、信号处理工具箱以与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3-1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

30、节)、Connections(连接与接口)等。图3-1 simulink模型库在MATLAB命令窗口中键入powerlib命令，则打开电力系统模块库，如图3-2所示。还可以从Simulink模块浏览窗口直接启动。该模块库中有很多模块组，主要有电源元件（Electricial sources）、线路元件(Elements)、电力电子元件(Power Electronics)、电机元件(Machines)、连接器元件（Connectors）、电路测量仪器（Measurements）、附加元件（Extras）、演示(Demos)、电力图形用户接口（Powergui）等，双击每一个图标都可以打开一个模

31、块组。图3-2 电力系统模块库1) 电源模块电源元件库中包含7种电源元件，如图3-3所示，分别是直流电压源（DC Voltage Soures）元件、交流电压源（AC Voltage Soures）元件、交流电流源（AC Current Soures）元件、受控电压源（Controlled Voltage Soures）元件、受控电流源（Controlled Current Soures）元件、三相电源（3-phase Soures）元件和三相可编程电压源（3-phase Programmable Voltage Soures）元件。图3-3 电源元件库2) 线路元件模块 线路元件库中包含了各

32、种线性网络电路元件和非线性网络电路元件。双击线路元件库图标，弹出线路元件库对话框，如图3-4所示，图中包含了4类线路元件，分别是支路（Elements）元件、输配电线路（Lines）元件、断路器（Circult Breakers）元件和变压器（Transformers）元件。图3-4 线路元件库3 ) 电力电子元件库电力电子模块库包括理想开关（Ideal Switch）、二极管（Diode）、晶闸管（Thyristor）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘门极晶体管（IGBT）等模块，此外还有2个附加的控制模块组和一个整流桥，如图3-5所示。图3-5 电力电子元件4 )

33、 电机元件库电机元件库包括同步电机（Synchronous Machines）、异步电机（Asynchronous Machines）、直流电机（DC Machines）、调节器（Prime Movers and Regulators）和电机输出测量分配器（Machines Measurements）等。如图3-6所示。图3-6 电机元件库5) 连接器元件连接器模块库包括10个常用的连接器模块，如图3-7所示。图3-7 连接器元件6) 测量元件测量元件库包含电压表、电流表、万用表和各种附加的子模块等，如图3-8所示。 图3-8 测量元件库7） 附加和演示模块 附加模块包括了上述各元件库中的附加

34、元件，演示模块主要提供一些演示实例。8） 电力系统分析元件 电力系统分析元件模型是用来分析电路和电力系统的工具。MATLAB软件提供的电力系统分析元件是一种功能强大的电力系统分析工具，如图3-9所示，使用电力系统分析工具可以进行稳态和暂态的频域分析，主要包括：图3-9 电力系统分析元件 Powergui 模块可以显示系统稳定状态的电流和电压与电路所有的状态变量值； 为了执行仿真，Powergui 模块允许修改初始状态； Powergui 可以执行负载潮流的计算，并且为了从稳态时开始仿真可以初始化包括三相电机在的三相网络，三相电机的类型为简化的同步电机、同步电机或异步电机模块； 当电路中出现阻抗

35、测量模块时，Powergui也可以显示阻抗随频率变化的波形； 如果用户拥有控制工具箱，Powergui模块可以产生用户自己系统的空间模块，自动打开 LTI 相对于时域和频域的观测器接口； Powergui 可以产生扩展名为 .rep 的结果报告文件，这个文件包含测量模块、电源、非线性模块等系统的稳定状态值。3.3 系统模型的建立系统模型如图3-10所示。图3-10 单机-无穷大系统3.4 基于simulink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3-11所示。图3-11 单机-无穷大

36、系统仿真图3.5设计流程3.5.1 模块选择1）从电机元件库中选择简化的同步电机元件，复制后粘贴在电路图中，如图3-12所示。 步骤一：将简化的同步电机元件名称改为：简化发电机。 步骤二：双击简化的同步电机元件，在简化的同步电机（Simplified Synchronous Machine SI Unit）元件参数对话框中进行设置，如图所示。图3-12 简化同步电机模型与其参数对话框设置参数如下： 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（mechanic

37、al）：56290 0 2 部电阻（Internal impedance）：1.9845, 263.15e-3 初始状态（Initial condition）： 0 0 0 0 0 0 0 0 步骤三：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3-13所示 将常数发生器元件名称改为：机械功率。 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。步骤四：设置电压幅值 电压幅值使用一个常数发生器来设置，如图3-13所示，将常数发生器的名称改为：电压幅值。 将常数发生器数值改为156e3作为电压幅值。图3-13 常数发生器元件与参数对话框2）从测

38、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3-14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3-14 三相电压-电流测量元件与参数对话框双击三相电压-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

39、短路故障发生器元件，复制后粘贴在电路图中，如图3-15所示。步骤一：双击三相电路短路故障发生器元件，在三相电路短路故障发生器元件参数对话框中进行设置，如图3-15所示。三相电路短路故障发生器元件参数对话框中包括10各选项，分别是故障相选择（Phase Fault）、故障点电阻（Fault resistances Ron）、故障相接地（Ground Fault）、外部控制（Exeternal contorl of fault）、转换状态（Transition status）、转换时间（Transition times）、部计时器的采样时间（Sample time of the Ts）、缓冲电阻（

40、Snubber resistance Rp）、缓冲电容（Snubber Capacitance Cp）和测量（Measurements）。图3-15三相电路短路故障发生器与参数对话框参数设置如下：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（Snu

41、bber 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。步骤二：同样的方法设置其他两个三相电路短路故障发生器。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3-16所示。双击三相短路器元件，在三相短路器元件参数对话框中进行设置，如图3-16所示。三相短路器元件参数对话框包含以下选项：初始状态（Initial status of breakers）；故障相选择（Switching of A、B、C）；转换时间（Transition time）；部计时器的采样时间（Sample time of t

42、he Ts）；外部控制时间（Extarnal control of switching times）；断路器电阻（Breakers resistance Ron）；迟滞电阻（Snubbers resistance Rp）；迟滞电容（snubbers capacitance Cp）和测量（Measurements）。图3-16 三相断路器与参数对话框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部计时器的采样时间（Sample

43、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3-17所示。步骤一：将变压器的名称改为：变压器。步骤二：双击三相变压器元件，在变压器元件参数对话框中进行设置，如图3

44、-17所示。变压器元件参数对话框包含以下选项：图3-17 三相变压器与参数对话框额定功率和频率（Nominal power and frequency）；原边绕组接法（winding1 connaction）；原边绕组参数（winding parancters）；副边绕组接法（winding2 connaction）；副边绕组参数（winding parancters）；磁阻（Magnetiration resistance Rm）；磁感（Magnetiration reactance Lm）和测量（Measurements）。变压器参数设置如下：额定功率和频率（Nominal power a

45、nd 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。

46、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3-18所示。图3-18 分布参数传输线与参数对话框步骤一：将分布参数传输线元件名称改为步骤二：双击分布参数传输线元件，在分布参数传输线元件参数对话框中进行设置，如图3-18所示。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（Ca

47、pacitance 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3-19所示。图3-19 三相串联RLC负荷元件与参数对话框步骤一：将三相串联RLC负载元件的名称改为：串联负荷。步骤二：双击三相串联RLC负载元件，在三相串联RLC负载元件参数对话框中进行设置，如图3-19所示。三相串联RLC负载元件参数对话框包含5个选项，分别是额定相电压（Nominal pha

48、se-phase voltage），额定频率（Nominal frequency），三相有功功率（Three-phase active power P），三相感性无功功率（Three-phase inductive reactive power Ql），三相容性无功功率（Three-phase capacitive reactive power Qc）选项。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）：5

49、0e6三相感性无功功率（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8） 在命令窗口键入如下命令： simulink 单击回车后，弹出仿真元件库对话框。在sinks目录下选择示波器元件拖拽到电路图中。复制示波器元件，用于测量其它电气量。9） 从电气测量仪器库中选择万用表元件，复制后粘贴在电路图中。双击万用表元件弹出万用表元件参数对话框，在万用表元件参数对话框中，显示有可测量电气量，选择要测量的电气量进行

50、测量。10）选择接地元件、节点等，进行合理放置。对电路图进行接线即可完成电路图的绘制。3.5.2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与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

51、）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）3.6 仿真结果分析3.6.1 发电机出口短路仿真结果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。故障点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

52、量。激活仿真按钮，则故障点A相电流波形图如图3-20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3-20 故障点A相电流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3-21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，

53、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3-21 故障点B相电流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3-22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

54、。图3-22 故障点C相电流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3-23所示。图3-23 故障点三相电流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3-24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，

55、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3-24 故障点三相电压3）发电机端电流波形在向量选择器中选择故障点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3-25所示，由图形可以得出一下结论：在稳态时，A相电流由于三相故障发生器处于断开状态，因而A相电流呈正弦变化。在0.2s时，三相短路故障发生器闭合，此时发生三相短路，A相电流发生变化，由波形可以看出波形整体上移，此时短路电流很大，最大幅值达到2300V,为正常时电流的10倍左右，然后波形逐步下移。在0.3s时，三相短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时A相电流波动恢复弦变化。图3-25 发电机A相电流

56、在向量选择器中选择发电机B相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则发电机B相电流波形图如图3-26所示，由图形可以得出以下结论：在稳态时，B相电流由于三相故障发生器处于断开状态，因而B相电流呈正弦变化。在0.2s时，三相短路故障发生器闭合，此时发生三相短路，B相电流发生变化，由波形可以看出波形整体下移，此时短路电流很大，最大幅值为-2300V，为正常时电流的10倍左右。在0.3s时，三相短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时B相电流恢复稳态运行。图3-26 发电机B相电流在向量选择器中选择发电机C相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则发电机C相电流波形图如图3-27所示，由图形得出以下结论：在

57、稳态时，C相电流由于三相故障发生器处于断开状态，因而C相电流呈正弦变化。在0.2s时，三相短路故障发生器闭合，此时发生三相短路，C相电流发生变化，电流幅值变大，为正常时电流的10倍左右。在0.3s时，三相短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时C相电流恢复恢复稳态运行，波形呈正弦变化。图3-27 发电机C相电流 在万用表元件中选择发电机三相电流作为测量电气量，如图3-28所示，由图形可得：发电机发生短路时短路电流很大。图3-28 发电机三相电流4）发电机端电压波形在向量选择器中选择发电机A相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，则发电机A相电压波形图如图3-29所示，由图形可以得出以下结论：在稳态

58、时，发电机A相电压为正弦变化，在0.2s时，发生三相短路，电压立刻变为0V。在0.3s时，三相短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时，A相电压恢复为正弦变化。图3-29 发电机A相电压在向量选择器中选择发电机B相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，则发电机B相电压波形图如图3-30所示，由图形可以得出以下结论：在稳态时，发电机B相电压为正弦变化，在0.2s时，发生三相短路，电压立刻变为0V。在0.3s时，三相短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时，B相电压恢复为正弦变化。图3-30 发电机B相电压在向量选择器中选择发电机C相电压作为测量电气量。激活仿真按钮，则发电机C相电压波形图如图3-31

59、所示，由图形可以得出以下结论：在稳态时，发电机C相电压为正弦变化，在0.2s时，发生三相短路，电压立刻变为0V。在0.3s时，三相短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时，C相电压恢复为正弦变化。图3-31 发电机C相电压在万用表元件中选择发电机三相电压作为测量电气量，则得出发电机三相电压波形图如图3-32所示，由图形可以得出：发电机短路期间，各相的电压均为0V。图3-32 发电机三相电压5）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3-33所示，由图形可得：在稳态时，变压器电流呈正玄变化，在0.2s时，发电机端发生三相短路，受到冲击电

60、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，变压器电流恢复正玄变化，发生暂态过程。图3-33 变压器三相电压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3-34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玄变化。图3-34 变压器三相电压3.6.2 变压器端发生短路仿真结果分析设置完电路图后，将仿真参数中的开始时间改为