基于MATLABsimulink同步发电机突然三相短路仿真

题目基于MATLAB/simulink同步发电机突然三相短路仿真学生姓名孙奔奔学号201405050316专业班级电气1403设计内容与要求1.设计要求掌握电力系统故障的类型，概念，类型及基本原理、方法；并熟悉Matlab/Simulink软件在电力系统中的运用；并对同步电机短路过程进行分析和仿真。其目的在于加深学生对电力系统暂态分析中课程中基本概念和计算方法的理解，培养学生运用所学知识分析和解决问题的能力。2.内容1）学习并掌握Matlab/Simulink，包括学习Simulink中元件的选取、初始化、参数给定、图像显示等；2）熟悉中性；3）掌握电力系统中各元件参数标幺值的计算及电力系统的等值网络的绘制；4）掌握电力系统网络中短路计算的方法，熟悉短路电流的波形；5）通过对比仿真图形进行分析，得出结论；6）整理课程设计论文。起止时间2017年6月26日至2017年7月3日指导教师签名2017年6月22日系（教研室）主任签名2017年6月23日学生签名2017年6月24日目录TOC\o"1-2"\h\u第一章绪论 21.1超导体闭合回路磁链守恒原理以及同步电机电枢反应原理: 31.2等效阻尼绕组的电流 31.3三相短路计算的简化假设 41.4发生短路故障时可能产生以下后果： 5第二章Matlab简介 52.1MATLAB 52.2SimPowerSystem介绍 6第三章同步发电机突然短路的暂态过程仿真 73.1同步发电机突然三相短路暂态过程简介 73.2同步发电机突然三相短路的暂态过程的数值计算与仿真方法 9第四章有关暂态仿真实验图示 12第一章绪论在电源电压的幅值和频率保持恒定的情况下，三相电路发生三项短路的情形。实际上，发生短路时，作为电源的发电机的内部也发生暂态过程，并不能保持其端电压和频率不变，一般讲，由于发电机转子的惯性较大，在分析短路电流时可以近似地认为转子保持同步转速，即频率保持恒定，但通常应计及发电机的电磁暂态过程。2002年我国220k故障线路统计表故障类型三相短路两相短路两相接地单相接地其他故障故障次数172891131932故障百分比1.14%1.88%6.12%88.7%2.16%三项短路虽然很少发生，但情况比較严重，且三相短路时电力系统仍是对称的，称为对称故障，故本次分析三项短路故障。1.1超导体闭合回路磁链守恒原理以及同步电机电枢反应原理:（1）电机转子在结构上对直轴和交轴完全对称，定子三相绕组完全对称，在空间互差120°电角度。（2）定子电流在气隙中产生正弦分布的磁动势，转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在气隙中按正弦规律分布。（3）定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子绕组的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。此外，假设:（1）在暂态过程期间同步发电机转子保持同步转速，即只考虑电磁暂态过程，而不计机械暂态过程。（2）电机铁芯部分的导磁系数为常数，忽略磁路饱和的影响，在分析中可以应用叠加原理。（3）发生短路后励磁电压始终保持不变，不考虑短路后发电机端电压降低引起的强行励磁。（4）短路发生在发电机定子出线端口。如果短路发生在出线端外，可以把外电路的阻抗合并至定子绕组的电阻和漏抗上，只要定子总回路的电阻交电抗仍小得多，则短路后的物理过程和出线端口短路是一样的。1.2等效阻尼绕组的电流凸级同步发电机转子磁极上两端短接的阻尼条和隐级机转子整块铁芯中的涡流回路在稳态运行时是没有电流的，在暂态过程中会感生电流。为了分析简便，一般将阻尼条构成的回路和铁芯中涡流回路等效地视作两个绕组，一个与励磁绕组同轴向（d轴），称为直轴阻尼绕组D，另一个则为与q轴同向的交轴阻尼绕组Q。定子短路的等效的阻尼绕组D和Q中均无电流。不难理解，短路后D绕组中和励磁绕组一样为保持磁链守恒会感生直流电流和基频交流电流，而Q绕组中则只有基频交流，而没有直流电流，这是因为假设定子回路电阻为零，定子基频交流电流合成的只有直轴方向的电枢反应。（一）定子和转子回路（励磁和阻尼回路的统称）电流分量的对应关系和衰减在以上分析中，先讨论定子短路电流分量，然后说明这些分量分别引起转子回路对应的电流分量，这是为了叙述的方便。实际上，短路后定子和转子回路电流是同时出现的，各队应分量是相互依存、相互影响的。此外，前面是在假设各回路均为超导体，其磁链守恒的情况下，分析得到各交流分量幅值也不变，各直流分量大小不变。但各绕组均有电阻，其磁链不可能永远不变，相应的电流分量也是会变化的。先看定子回路直流分量ia（含倍频分量），它企图维持三相绕组的磁链*，*，*不变，但直流分量是无源的自由分量，它流过电阻消耗能量，最后必然衰减至零。相应地，与定子直流分量相对应的转子回路的交流分量也同样衰减至零。显然，定子直流分量的衰减时间常数Ta，主要取决与定子回路的电阻、电感。同样，转子回路感生的自由直流分量，即励磁绕组中的ifa和阻尼绕组D中的iDx，均是无源的自有分量。当他们流过转子回路时，由于电阻的存在，他们也会最终衰减至零。与转子回路直流分量相对应的定子基频交流分量也会衰减，不过不会衰减至零。因为励磁电流if|0|始终存在，其产生的主磁通f在短路的三相定子回路中感应电动势，产生三相稳态短路电流（I无穷）。与前类似，转子回路的自由直流分量的衰减时间常数主要取决于转子回路的参数。所不同的是转子直轴有相互磁藕合的励磁和阻尼回路D，故衰减过程有两个时间常数，他们的大小与两个回路的参数均有关。不过同步发电机的实际情况是，励磁绕组的电感较等效阻尼绕组D的电感大得多。附录C的推导表名，较小的时间常数Td主要与阻尼绕组D的参数有关，而较大的时间常数Td主要与励磁绕组参数有关。因此，当按Td变化的过程结束后，阻尼绕组D的作用就近似不从在了。定子回路稳态短路电流基频交流电流初始与稳态值之差直流电流倍频电流励磁回路阻尼回路D阻尼回路Q励磁电流直流电流直流电流基频交流电流基频交流电流基频交流电流定子回路稳态短路电流基频交流电流初始与稳态值之差直流电流倍频电流衰减情况否衰减至零时间常数主要决定于转子回路参数衰减至零时间常数主要决定于定子回路参数1.3三相短路计算的简化假设1.不计入发电时间的摇摆现象和磁路饱和。2.假设发电机是对称的，部队发电机做过细的讨论，只用次暂态电动势和次暂态电抗来表示发电机。1.不计入发电时间的摇摆现象和磁路饱和。2.假设发电机是对称的，部队发电机做过细的讨论，只用次暂态电动势和次暂态电抗来表示发电机。3.因为短路电流很大，相比之下可以忽略变压器的对地导纳（即忽略其励磁支路）4.忽略电力线路的对地电容，在高压电网（110kv及110kv以上）忽略电力线路的电阻。1.4发生短路故障时可能产生以下后果：1.通过短路点的很大短路电流和所燃起的电弧使短路点的元件发生故障甚至损坏。2.短路电流通过非故障设备时，由于发热河电动力的作用，引起他们使用寿命缩短甚至损坏。3.电力系统中部分地区的电压大大降低，使大量电力用户的正常工作早到破坏。4.破坏电力系统个发电厂之间并行运行的稳定性，引起系统振荡甚至使系统崩溃。第二章Matlab简介2.1MATLABMATLAB是目前国际认可的最优秀的科技应用软件之一。在大学里，它是用于初等和高等数学、自然科学和工程学的标准数学工具；在工业界，它是一个高效的研究、开发和分析工具。随着科技的发展，许多优秀工程师不断对MATLAB进行了完善，使其从一个简单的矩阵分析软件逐步发展成为一个具有极高通用性，并带有众多实用工具的运算操作平台。由于电力系统的特殊性，对很多故障处理方法不可能进行现场的实际模拟运行分析，只能借助于计算机仿真手段。电力系统仿真可分为离线仿真和实时仿真。电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，已进行仿真研究的过程，其仿真速度与实际系统的动态过程不等。目前电力系统离线仿真可分为电磁暂态仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真。1984年,MATLAB由美国MathWorks软件公司推向市场，通过不断的改进，MATLAB逐步发展成为一个集数值处理、图形处理、图像处理、符号计算。文字处理、数学建模、实时控制、动态仿真、信号处理为一体的数学应用软件。现已成为国际公认的最优秀的科技应用软件之一。该软件有三大特点：一功能强大；二界面友好、语言自然；三开放性强，已成为应用科学计算机辅助分析、设计、仿真、数学乃至科技文字处理不可缺少的基础。1990年MathWorks软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具-Simulink，此软件有两个明显的功能：仿真与连接。只需使用鼠标将功能模块拖放到模型编辑窗口，并将它们连接起来，就可以快速地建立动态系统仿真模型，然后利用该软件提供的功能对系统进行直接仿真。Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，是基于框图的仿真平台。Simulink挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，利用直观的模块框图进行仿真与计算。Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统仿真提供了极大便利。在Simulink平台上拖曳和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模块框图，并对模型进行仿真。Simulink是一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的集成软件包，它不仅支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可以进行离散系统仿真或者二者的混合系统仿真，同时它还支持具有多种采样速率的系统仿真。Simulink比传统的软件包更直观、方便和灵活，它充分地利用了图形窗口技术，用户可以很容易用鼠标拖拉来创建线性的、离散的、连续的和混合模型，用它进行仿真和分析就好像是用笔在纸上绘图一样容易。同时Simulink还可以和其他软硬件之间进行数据传递，从而很方便的完成仿真工作。[5]2.2SimPowerSystem介绍SimPowerSystem（电力电子系统建模和仿真工具）是在Simulink下面的一个专用模块库，该模块库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模块相连接，进行一体化的系统级动态分析。SimPowerSystem的出现为发电输电系统和电力分配计算提供了强有力的解决方法。以前的电力系统数值仿真技术,其效果的好坏与研究人员自身的建模与编程能力有关。MATLAB开发的电力系统仿真工具箱,将电力系统研究人员从繁琐的系统建模和程序编写工作中解脱出来。MATLAB的电力系统仿真工具箱具有以下3个方面的优点:(1)电力系统仿真工具箱内部的元件库提供了常用的各种电力元件数学模型,并且提供了可以自己编程的方式创建合适的元件模型。(2)电力系统仿真工具箱可以与其它工具箱接口,为经过电力仿真后的数据处理提供了功能齐全的分析手段。(3)电力系统仿真工具箱的界面友好,使用方便,广大电力系统研究人员能够轻松简单地掌握电力系统仿真工具箱。第三章同步发电机突然短路的暂态过程仿真同步发电机是电力系统中最重要和最复杂的元件，它由多个有磁耦合关系的绕组构成，定子绕组同转子绕组之间还有相对运动，同步电机突然短路的暂态过程要比稳态对称运行时复杂得多。稳态对称运行时，电枢磁势的大小不随时间变化，而且在空间以同步速度旋转，它同转子没有相对运动，因此不会在转子绕组中感应电流。突然短路时，电子电流在数值上发生急剧变化，电枢反应磁通也随着变化，并在转子绕组中产生感应电流，这种电流又反过来影响定子电流的变化。定子和转子绕组电流的相互影响是同步电机突然短路暂态过程的一个显著特点。3.1同步发电机突然三相短路暂态过程简介在分析同步发电机突然三相短路暂态过程中，可以利用叠加原理，这样同步发电机端突然短路相当于在发电机端口处突然加上了与电机短路前的端电压大小相等单方向相反的三相电压。在定子绕组上突然加以对称的相电压后，为了保持其无源闭合电路的磁链不变，在其定子绕组中将要引起相应的瞬变电流，而且这些瞬变电流还要按照一定的时间常数逐步衰减至稳态值。当发电机突然短路时，定子各绕组电流将包含基频分量，倍频分量和直流分量。到达稳态后，定子电流起始值中的直流分量和倍频分量将由其起始值衰减到零，而基频分量则由其起始值衰减为相应的稳态值。同样，在转子绕组中也包含直流分量和同频率交流分量。引入衰减因子后，定子电流的d轴和q轴分量分别为经过变化和整理，可得定子a相电流为：转子绕组中的电流：短路电流近似表达式（一）基频交流分量的近似表达式相应的三相交流电流瞬时值:二）全电流的近似表达式如果忽略倍频交流分量，则直流分量的起始值和基频交流分量的初始瞬时值大小相等，方向相反。电路表达式为:3.2同步发电机突然三相短路的暂态过程的数值计算与仿真方法1.同步发电机突然三相短路的暂态过程的数值计算假设一台有阻尼绕组同步发电机：,,,,,,,,,,,,,。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，利用matlab对突然三相短路后的定子电流惊醒数值计算的基本步骤如下：1，首先计算各衰减的时间常数。根据参考文献可知：由于空载时，,,,则利用公式可得a相定子电流表达式为：2，利用MATLAB对上式进行数值计算并绘图的m文件程序清单如下：%%****************************************************N=48;t1=(0:0.02/N:1.00);fai=0*pi/180;Ia=-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)+4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180)+0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*2*pi*50*t1+fai);Ia1=-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai);>>Ia2=0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*2*pi*50*t1+fai);Iap=4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180);subplot(4,1,1);plot(t1,Ia);>>gridon;axis([01-1010]);ylabel('Ia(p.u.)');subplot(4,1,2);plot(t1,Ia1);>>gridon;axis([01-1010]);ylabel('Ia1(p.u.)');subplot(4,1,3);plot(t1,Ia2);gridon;axis([01-11]);ylabel('Ia2(p.u.)');subplot(4,1,4);plot(t1,Iap);gridon;axis([01-1010]);ylabel('Iap(p.u.)');xlabel('t/s');运行以上程序得到发电机端突然三相短路时的a相定子电流，以及基频分量，倍频分量和非周期分量的波形图如图5-12所示，并且短路后的冲击电流标幺值为9.1927第四章有关暂态仿真实验图示图5-12发电机端突然发生三相短路时的a相定子电流波形图当发电机端突然发生三相短路时，定子电流中的倍频分量是很小的，为了能够在图5-12中表示清楚，将其纵坐标的值取为【-1,1】，波形相应地被放大。发电机突然同步三相短路暂态过程的仿真方法针对以上的发电机参数，建立其Simulink仿真模型如图5-13所示。图5-13发电机端突然发生三相短路的Simulink仿真模型在图5-13中，同步发电机采用p.u.标准同步发电机模块，根据前面的计算，其参数设置如图5-14所示。图5-14同步发电机模块的参数设置升压变压器T采用“Three-phrasetransformer(TwoWindings)”模型，其参数设置如图5-15所示。图5-15升压变压器模块的参数设置由于同步发电机模块为电流源输出，因此在其端口并联了一个有功功率为5MW的负荷模块。仿真开始前，要利用Powergui模块对电机进行初始化设置。单机Powergui模块，打开潮流计算和电机初始化窗口，设置参数如图5-16所示。图中设定同步发电机为平衡节点“Swingbus”。初始化后，与同步电机模块输入端口相连的俩个常数模块Pm和Vf以及图5-14中的“Init.Cond.”将会自动设置。从图5-16中还可以看出，a相电流滞后a相电压4.43度，即电流与电压波形的过零点相差0.25ms。因此在故障模块中设置0.02025s时发生三相短路故障，其他参数采用默认设置。选择Ode15s算法，仿真的结束时间取1s。开始仿真，得到发电机端突然三相短路后的三相定子电流波形图如图5-17所示。其中，a相定子电流的冲击电流标幺值为9.1048，和理论计算值存在0.95%的误差。如图5-18所示为短路后定子电流的d轴和q轴分量id,iq以及励磁电流if的仿真波形图。图5-16利用Powergui模块的潮流计算和电机初始化窗口计算初始参数改变故障模块中的短路类型，就可以仿真同步发电机发生各种不对称短路时的故障情况。例如，设置在0.02025s时发生BC两相短路故障