电力系统综合课程设计

电力系统综合课程设计

第一章绪论

1.1.引言

电力系统综合设计课程是电气工程及其自动化专业的实践教学环节，，满足

学生专业课程知识综合应用，使用现代工具分析、设计、预测、解决复杂的工程

问题等培养目标的要求，培养学生熟悉电力系统设计的规范、电力行业的法律法

规以及团队合作的精神。

1.2.不对称故障分析的意义

电力系统所发生的各类故障中，以不对称故障最为常见。电力系统发生不对

称故障后有可能会使系统由于失去稳定性而丧失对大量用户的供电服务，而且由

于现代科会生产和生活对电力的高度依赖，即使是局部地区的供电异常或者非计

划中断也将对该地区的社会生产和生活带来不利影响，有时甚至会产生严重的社

会经济和政治损失，故分析理解不对称故障对于整个电力系统安全运行有着极为

重大的意义。

1.3.不对称故障分析的基本方法

电力系统所发生的各类故障中，以不对称故障最为常见，不对称故障的分析

主要采用对称分量法。本文通过Matlab/Simulink中的电力系统元件库

SinPowerSystems构建电力系统仿真模型，设置模型中各元件参数并对此系统发

生不对称短路故障进行仿真分析。结果表明，仿真结果与实际理论相符。由此说

明，应用Matlab对电力系统故障仿真分析是切实可行的。

1.4.同步电机三相短路分析的意义

同步电机三相短路分析是电力系统中一项重要的任务，它对于系统的稳定性

和可靠性具有重要意义。

同步电机三相短路分析可以帮助确保电力系统的安全、稳定和可靠运行。它

在故障诊断、设备保护、系统调度等方面具有重要作用，为电力系统运维和管理

提供关键信息和决策依据。

1.5.同步电机三相短珞分析的基本方法

1.5.1定子绕组电流：

同步频交流分量：按指数规律以时间常数Td\Tdz衰减至稳态值；直

流分量：按指数规律乂时间常数Ta衰减至零；

二倍频交流分量：按指数规律以时间常数Ta衰减至零；

L5.2转子绕组电流：

励磁绕组：

直流分量：按指数规律以时间常数Td'衰减至稳态值；

同步频交流分量：按指数规律以时间常数Ta衰减至零；

交直轴阻尼绕组：

直流分量：按指数规律以时间常数Td”衰减至稳态值；

同步频交流分量：按指数规律以时间常数Ta衰减至零;

第二章基本方法

2.1MATLAB/SIMULINK简介

Simulink是美国Mathworks公司推出的MATLAB中的一种可视化仿真工具。

Sinulink是一个模块图环境，用于多域仿真以及基于模型的设计。它支持系统设

计、仿真、自动代码生成乂及嵌入式系统的连续测试和验证。Simulink提供图形

编辑器、可自定义的模块库以及求解器，能够进行动态系统建模和仿真。

Simulink与MATLAB相集成，能够在Simulink中将MATLAB算法融入模型，

还能将仿真结果导出至MATLAB做进一步分析。Simulink应用领域包括汽车、航

空、工业自动化、大型建模、复杂逻辑、物理逻辑，信号处理等方面。

2.2P0WERGUI及其运用

2.2.1认识它

powergui其实是电力系统的图形化用户接口，simulink仿真所采用的是状

态空间方程，所以powergui的功能就是实现电路图形和状态空间方程的转换。

powergui可进行电网稳定性分析、傅里叶分解、潮流计算、阻抗频率响应等

计算，所以在电力相关的模型仿真搭建过程中就需要添加这个模块。

1)powergui有三个求解类型，分别是连续型，使用来自Simulink的可变

步长求解器；离散型，在固定时间步长下对电气系统进行离散化以求解；相量型，

包括离散向量和连续向量。

2.2.2找到它

在simulink中添加powergui模块有两种方法，一种是通过模块库寻找，路

径为Simscape/Electrical/SpecializedPowerSystems/Fundamental

Blockso

2.3不对称故障短路模块介绍

在MATLAB中，不对称故障短路模块用于模拟电力系统中的不对称故障情况，

并计算故障后的电流和电压。该模块通常用于电力系统的短路分析和保护设备的

测试与验证。

不对称故障短路模块提供了一系列功能和工具，用于定义系统的拓扑结构、

参数设置和模拟不对称故障。模块包含以下主要组成部分：

系统模型：可以使用MATLAB语言或图形用户界面（GUI）构建电力系统模型。

模型包括发电机、输电线路、变压器、负荷等组件。

参数设置：设置输入的故障类型（如三相短路、单相接地故障等）、故障位

置和故障电阻、故障时刻等参数。

不对称故障模拟：根据设置的参数进行不对称故障模拟，并计算故障后的电

流和电压响应。模块考虑了电力系统中的不对称影响，如相间故障、不对称接地

故障等。

结果分析：提供了丰富的结果显示和分析工具，例如故障电流和电压的波形

图、不对称因子计算等。可以通过这些分析结果评估电力系统的短路能力和保护

装置的性能。

MATLAB中的不对称故障短路模块为工程师和研究人员提供了一个方便的工

具，用于研究和分析电力系统中的不对称故障情况。它可以帮助用户更好地理解

电力系统的行为，并验证保护设备的可靠性和准确性。

2.3.1交流源模块

在MATLAB中，交流源模块用于建立交流电源模型，模拟电力系统中的交流

电源。该模块通常用于电力系统的仿真分析、稳态和暂态分析、以及其他与电源

相关的研究和应用。

交流源模块提供了一系列功能和选项，用于定义和配置交流电源的特性。主

要组成部分包括：

电压源或电流源：根据需求选择交流电源类型，可以是单相电压源或电流源,

也可以是三相电压源或电流源。

波形选项：可以选择不同的波形类型，例如正弦波、方波、锯齿波等，并设

置频率、幅值和相位等参数。

稳态和暂态分析：交流源模块支持稳态和暂态分析，可以进行稳态的频率响

应分析、相位响应分析，以及暂态的时间域分析。

同步机构：该模块还可以与其他电力系统元件（如发电机、负荷）进行连接，

以模拟实际电力系统中的交流源与其他部分的相互作用。

通过交流源模块，用户可以方便地创建交流电源模型，并与其他电力系统元

件进行连接和交互。借助MATLAB提供的丰富工具和分析功能，可以进行各种电

力系统的仿真和分析，例如计算功率、电流和电压的波形、频率响应等。

总之，交流源模块是MATLAB中用于建模和模拟交流电源的重要工具，可用

于电力系统仿真、稳态与暂态分析等应用。

2.4同步电机三相短路模块介绍

2.4.1三相同步电机模块

在Simulink中建立三相同步电机模型时，你可以使用SimscapeElectrical

库或PowerSystemToolbox库提供的组件和模决。另外，MATLAB还提供了丰富

的工具箱和函数，用于分析和控制三相同步电机。例如，PowerSystenToolbox

库提供了用于计算同步电机参数、定子电流和转子电压、电机启动和稳态运行等

的函数。需要注意的是，三相同步电机模型的详细配置和参数设置可能会因具体

应用和需求而有所不同。因此，在建立三相同步电机模型之前，建议先仔细了解

电机的特性和所需的仿真或分析目标，以选择合适的工具和设置模型参数。

第三章正序负序零序分析

3.1问题分析

案例一：下图所示的简单电路中，c相断开，流过a、b两相的电流均为10Ao

试以a相电流为参考向量，计算线电流对称分量

co

图3-1案例1题目

3.2仿真模型搭建及主要模块参数

powergU

图3-2simulink仿真搭建

同BlockParameters:ACCurrentSourceX

ACCurrentSource(mask)(link)

IdealsinusoidalACcurrentsource.Thepositivecurrent

directionisindicatedbythearrow.

Paraneters

Peakanplitude(A):

10

Phase(deg)：

0

A

Frequency(Hz):

50

Sampletime:

0

MeasurementsNone▼

OKCancelHelpApply

图3-3交流电流源没置

3.3仿真设置

Ic直接设置为0,回路中接入一个电阻构成完整回路，阻值设置为1Q即可。

3.4仿真结果与结果分析

图3-4Ia,Ib,Ic电流

笠Scopel-□X

❷⑥纨y*口即£目££

图3-5la的各序电流幅值与相位

将数据导入到主界面，并用plot命令画出la,lb,Ic。

$C0pfO«U”/40*1>什5$COptQ«t»fHw

图3-6plot命令画出lalbIc的电流

■程新电*««a亨―贷B槿削A电力电一台2023宾tM'lkgl.meX

4tsm^^2UntitMxjeg1-mx+

eg1_0.mX|+1-«-O.$4svt<3)*li/5h~""H

2-T-Cl1l:/2al;a*'21]:Vp-：PaPbFc：Ps-：Fa(l)Fa<20PaiO>];Fp-TXFs;

1-Ia=10*exp(li*0);3-Fc*O.

4-Fp-lFi:F>.Fc]:

2-Ib»10*exp(li*pi);5-Fs«T\Fp%i!r.-(I»*Fp

1Mz____

3-Ic=0：

4不Wl怨MAYLABWaUl美依3里烫双X

»clear

5-Ial-(l/3)*(Ia+Ib*exp(li*2*pi/3)+0)»egl

6-Ia2=(1/3)♦(Ia+Ib*exp(li*4*pi/3)+0)

7-Ia0=(l/3)*(Ia+Ib+0)6.0000-18M8i

5.0000+：.8t«8i

-0.0000♦0.OOOOi

图3-73-8将原来的程序整理成矩阵形式

第四章同步电机三相短路分析

4.1问题分析

有一台有阻尼绕组的同步发电机，其参数如下表所示。若发电机空载，端电压为

额定电压，端子突然发生三相短路，且。0=0,试分析突然三相短路后妁定子电

流。

图4-1三相同步发电机参数

4.2仿真模型搭建及主要模块参数

图4-2搭建好的仿真

4.2.1利用simulink搭建仿真

4.3仿真设置

SghtMujluhUM(>Mk)(link)Sybchxgo-lachine(»Mk)llink)

a3・2乜。fiuchrceioufBtchUMBilledinthedqrotorretecenceIipleBeritsaSTnchrcoou^»&chineModelledmthedqrMorreference

fraa«.Statorvixviinct&x«eo<inact«dmvy・toasamteftialMutralpoint.ft*M.Statorvifidincstxe«en«ctedmvyetoginte(b<lneutralp«int.

C«nfafATttl»9nLv«*lTh”Cenxicuiaxicttrat**・《•*”aovasKeaLoaaFlow

Preietwodel：Xaai&Upowx."It"*ftequeocy(Pb(WTkxCVrat)fn(Hx))

[2CDe61»0050)

19c^anicalReactnicer(XdXd*M*'XqXQ"XI1(po)

Kechm.c*lpowecP>tl.O0.30,210.60.310.16)

Rotor、力《Tl*econftmta

S«liw.-pole"dmsSbort-encult▼

■eMuie»entUM|qax”C^«n-circuit▼

QUie3"血xiiaestoidentitybujItbeH

(TdTd**Tqo**](*>[1.640.341^4)

Staterr・nrtanc・!U(pu)

10.COG

Inettiftcoeficiexit.frictionfactor,polepurs(BCs)F<pu)p<))

1-20训______________________________________________________________________

Initialcood&timr(d»(<)th(d«c)>a»ib.ic<pu>pM.pk^phc(4e()Vf<pu))

(0-89.07030.C2718150.02T1BI50.0271815-4.43OT0-124.431115.5691.002M1

OSsaulateraturationPlot

(ifd.vt]<pu)I,<…，，,..............

，

[OK]CancelHelp.plyJ

OCC«DM1Help

图4-34-4仿真电机参数设置

1卬BlockParameters:Three-PhaseSeriesRLCLoadX忸BlockParameters：Tirrr-PhaGeSeriesRLCLoad

Three-PhareSeriesRLCLoad(iu&«k)(link)Three-PhabeSeriesRLCLoad(mask)(link)

Inpleventsathree-phaseserierRLCload.Iziplenentsathree-phareseriesRLCload.

ParanetorsLoadFlovParametersLoadFlow

ConfifiurationY(grounded)▼Loadtype:

constantPQ

Roiunalphase-1o-phasevoltaceVn(Vr»s)

13800

Nonanalfrequencyfn(Hz)

50

OSpecifyPQpowersforeachphase

ActivepowerP(W)

5e6

InductivereactivepoverQL(positivevar)

CapacitivereactivepoverQc(nec^txvevar)

0

HeaiureventsNone”

OKCancelHelpApply(OK]C«nc«lH«lpApply

L-----------------------"二，’「一^

图4一54-6负载参数设置

t园BlockParameters:Three-PhaseFaukXF

EThree-PhaseFault(nask)(link)1

Implementsafault(short-circuit)betweenanyphaseandi

theground.Whentheexternalswitchingtmenodeis.

selected,aSixulinklogicalsignalisusedtocontxol

thefaultoperation.

L

Parameters

Initialstatus:0_____________________________________

-Faultbetweer:

QPhaseAQPhaseBQPhaseCQGround

Switchingtimes(s):[0.02]_lExternal-

FaultresistanceRon(Ohn):

0.001'

GroundresistanceRg(Ohn):

0.01

SnubberresistanceRs(Ohn):

Ie6

SnubbercapacitanceCs(F):

inf

MeasurementsKone▼

-

OKCancelHelpApply

图4-7故障模块设置

回BlockParametervThre«-Ph«5eTransformer(TwoWindings)X国B^ockParameteri:Three-PhaseTransformer(TwoWinding，)

Three-Pha«eTransfoxner(TwoVindincs)(nark)(link)Three-PbweTraaiHotMer(TvoViDdinc^)(»ask)(link)

Thisblockathree-phwetranHot*erbyusmethreeThisblockiglEient?athree-phasetranrfomerbyusincthree

sibKle-phxretraxirforxers.Setth«vindintcocAectionto*Yn*single-phtranrfoners.Setthemndxngcoxuiecticoito*Yn*

younnttotbtntutrtlpointoftheWyt.*henyouranttotheneutralpointoftheVye.

ClicktheApplyortheOKbuttonafterachangetoth<UnitsClicktbtApplyorth<OKbuttonafttrtchan“totheUnitt

pogptoconfiKRthecoowrsionofpaxsteterff.popMPtoconfirmtheconversionofparameters.

CoificuxatxonP>raMt«rsAdvancedC^nflfurttionParaietersAdvanced

Viodinc1cotmection(AKterminals):Unitspu-

DeltaQI)▼

■Nominalpoverandfieqjency(Pn(VA)•fn(Hz)]

_Vitdinc2connection(abcterminals)-(210e6.50〕

・Vitxlinc1para»eterff(VIPh-PhCVrus)・RI(pu).LI(pu>]

二C«e"(13.8e30.00270.08)

bpeThiee«mcle-pha«etianyforwera▼

Vitxlinc2parxters(V2Ph-PhCVrus)・R2(pu).L2(pu>]

OSiwjlatesaturation(230e3.0.0027,0.(8]

-Xeasurevents-N&cnetizationxesistweRM(pu>

■:500

<lk>VB▼