电力系统仿真.ppt

基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真.摘要摘要本设计分析了电力系统短路故障的电气特征，并利用Matlab/Simulink软件对其进行仿真，进一步研究短路故障的特点。通过算例对电力系统短路故障进行分析计算。然后运用Matlab/Simulink对算例进行电力系统短路故障仿真，得出仿真结果。并将电力系统短路故障的分析计算结果与Matlab仿真的分析结果进行比较，从而得出结论。结果表明计算结果与仿真结果差别不大，运用Matlab对电力系统短路故障进行分析与仿真，能够准确直观地考察电力系统短路故障的动态特性，验证了Matlab在电力系统仿真中的强大功能。.故障概述故障概述 短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生系统通路的情况。电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的1015倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果.短路计算的基本原则和规定短路计算的基本原则和规定 电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解。在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的电气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），负荷忽略不计或只做近似估计。在标么值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件(电抗器除外)的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。.短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。基本假定：短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：1.正常工作时，三相系统对称运行；2.所有电源的电动势相位角相同；3.系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120电气角；4.电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小变化；5.电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；短路计算的基本原则和规定短路计算的基本原则和规定.短路计算的基本原则和规定短路计算的基本原则和规定6.同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；7.短路发生在短路电流为最大值的瞬间；8.不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；9.除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；10.元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；11.输电线路的电容略去不计；12.用概率统计法制定短路电流运算曲线。.一般规定：（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成的510年）。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在仅在切换过程中可能并列运行的接线方式；（2）在电气网络中应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响；（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。对加装电抗器的610KV出线与厂用分支线回路，除其母线和母线隔离开关之间隔板前的引线和套管，计算短路点应选择在电抗器前，其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后（4）导体和电器的动稳定、热稳定和电器的开断电流，一般按三相短路验算。若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相严重时，则应按严重情况计算。短路计算的基本原则和规定短路计算的基本原则和规定.电力系统故障分析计算电力系统故障分析计算 图4.1.计算：变压器T采用“Three-phrase-transformer（Two Windings）”模型。根据给定的数据：变压器的电阻为：变压器的电抗为:则变压器的漏感：变压器的励磁电阻为：.变压器的励磁电抗为：变压器的励磁电感为：输电线路L采用“Three-Phase series RLC Branch”模型。根据给定的参数计算可得 得到以上的电力系统参数后，可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故障时短电流周期分量幅值和冲击电流的大小。短路电流周期分量的幅值为：时间常数为：则短路冲击电流为：.三相短路系统仿真模型及各模块参数设置三相短路系统仿真模型及各模块参数设置 电力系统三相短路系统仿真模型电力系统三相短路系统仿真模型.三相电源模块三相电源模块 三相电源原件是电力系统设计中最常见的电路原件，也是最重要的原件，其运行特性对电力系统的运行状态起到决定性的作用。三相电源原件提供了带有串联RL支路的三相电源。三相电源模块参数设置包含7个选项，分别是相电压（Phase-to-Phase rms voltage），表征的是三相电源A相、B相和C相的相电压；A相相角（phase angle of phase A），单位是度（degrees）；频率（Frequency）；内部连接方式（Internal connection）；短路阻抗值（Specity impedance using short-circuit level），用来设定在短路情况下的阻抗数值；三相电源电阻（Source resistance）；三相电源电感；其中，内部链接方式有3种，分别是：Y型，表示中性点不接地；Yn型，表示中性点接地电阻或消弧线圈接地；Yg型，表示中性点直接接地。.并联并联RLC负荷模块负荷模块 并联RLC负荷模块（Parallel RLC Load）提供了一个由电阻、电感、电容并联连接构成的功能模块，也可以通过设置它的电阻、电感和电容的具体值来改变该支路的等效阻抗。图图4.3负载模块的参数负载模块的参数.三相线路模块三相线路模块 图图4.4 三相线路模块参数三相线路模块参数.三相变压器模块三相变压器模块 变压器模块是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级绕组中通有交流电流时，铁心（或磁心）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁心（或磁心）和绕组组成，绕组有两个或两个以上的绕组，其中介电源的绕组叫初级绕组，其余的绕组叫次级绕组。按电源相数来分，变压器单相、三相和多相几种形式。他的重要特性参数主要有：工作频率：变压器铁心损耗与频率有很大的关系，故应根据使用频率来设计和使用，这个频率称工作频率。额定频率：在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。额定电压：指在变压器的绕组上所允许施加的电压，工作时不得大于该电压。电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。空载电流：变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流空载损耗：指变压器次级开路时在初级测得的功率损耗。主要损耗是铁心损耗，其次是空载电流在初级绕组铜祖上产生的损耗（铜损），这部分消耗很小。效率：指次级功率与初级功率比值的百分比。通常变压器的额定功率越大，效率就越高。.双绕组三相变压器的两个绕组可以接成多种形式，如星形Y、带中性线的星形Yn、星形接地Yg、三角形（超前星形30）它们可以通过该功能模块。图图4.5 变压器模块的参数变压器模块的参数.三相电压电流测量模块三相电压电流测量模块三相电压电流测量模块“Three-PhaseV-I Measurement”将在变压器低压侧测量到的电压、电流信号转变成Simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用。图图4.6三相电压电流测量模块的参数三相电压电流测量模块的参数.三相故障模块三相故障模块 三相故障模块提供了一种可编程的相间（phase-to-phase）和（phase-to-ground）故障断路器中。三相故障模块使用了三个独立的断路器，用来模拟各种对地或者相间故障模型。三相故障模块中的断路器的开通和关断时间可以由一个Simulink 外部信号（外部控制模式）或者内部控制定时器（内部控制模式）来控制。如果不设计接地故障，接地电阻（Ground resistance）Rg自动被设置为10。举例说明如下：当设置一个A、B相间短路故障模型时，只需要设置A相故障和B相故障属性参数；当设置一个A相接地故障模型时，只需要同时设置A相故障和接地故障属性参数，并且要指定一个小的接地电阻值。需要注意的是：如果三相故障模块被设置为外部控制（External control）模式时，在模块的封装图表中就会出现一个控制输入端。连接到这个输入端的控制信号必须是0或者1之类的脉冲信号（其中0表示断开断路器，1表示闭合断路器）。当三相故障模块被设置为内部控制模式（internal control mode）时，其开关时间（switching times）和开关状态，均在该模块的属性参数对话框中进行设置。.仿真结果分析仿真结果分析 对供电系统变压器低压侧电路的短路进行分析，主要分析单相接地短路、两相接地短路、三相短路的电压和电流的变化。.三相短路分析三相短路分析 将三相短路故障发生器元件(Three-PhaseFault)中故障相选择 的A、B、C三相故障全部选中，转换时Transitiontimes(s)设置为0.02 0.1，对应的状态转换Transiti onst atus设置为1 0,其中 1 表示闭合，0 表示断开；在三相电压电流测量模块(Three-PhaseV-IMeasure-ment)中选择相电压和电流作为测量电气量。运行仿真，双击 Scope 可以得到高压供电系统变压器低压侧母线的三相短路故障电压波形如图所示。从图4.8中可以看出，在0.02时刻之前，0.1时刻之后系统处于稳态下，各相电压都很大；在0.02 时刻发生短路故障后，各相电压均快速降低。符合实际电力系统发生短路故障电压降低的特征。.运行仿真后，双击 Scope1可以得到高压供电系统变压器低压侧母线的三相短路故障电流波形如4.9图所示。由图可以得到以下结论：在稳态时，供电系统各相电流由于三相短路故障未发生，因而三相电流都为 0A。在0.02时刻，高压供电系统变压器低压侧电路发生三相短路故障，A、B、C三相电流均发生剧烈变化，由于三相电路相电流之间存在相位差，因而故障点各相电流波形上升或者下降。在0.1时刻，切除三相短路故障，A、B、C 三相电流迅速衰减为0A，最后处于稳定状态。为了得到仿真图中的准确数值，以三相短路的 A 相为例，可以在MATLAB的主命令窗口中输入下列命令来显示故障相的电流数据。从得到的大量 A 相电流数据中，可以发现短路电流周期分量的幅值为10.64kA，短路冲击电流为 17.39kA，同理可得B、C两相故障的电流值。仿真波形的数值与理论计算值相比存在一定的误差，这主要是由电源模块的内阻造成的，可以通过更改电源模块的内阻值来缩小仿真值与理论值的误差。.两相接地短路分析两相接地短路分析 将三相短路故障发生器元件(Three-PhaseFault)中故障相选择 的 A、B、C三相故障选中 A、B两相，转换时间Transitiontimes(s)设置为0.02 0.1，对应的状态转换Transitionstatus设置为1 0,其中1表示闭合，0表示断开；在三相电压电流测量模块(Three-PhaseV-IMeasure-ment)中选择相电压和电流作为测量电气量。运行仿真，双击 Scope可以得到供电系统变压器低压侧母线的两相接地短路故障电压波形如图4.11所示。从图中可以看出，在 0.02时刻之前，系统处于稳态，A、B、C三相电压波形稳定且均匀变化；在0.02时刻发生A、B两相发生接地短路故障，A、B两相电压快速降为 0，C相电压发生抖动，电压值变大；在0.1时刻切除故障，A、B两相电压升高，C相电压衰减，系统恢复到稳态。运行仿真，双击 Scope1 可以得到两相接地短路故障电流波形如图4.12所示。从图4.12中可以发现，在 0.02时刻之前，系统处于稳态，A、B、C 三相电压波形稳定且均匀变化；在0.02时刻发生两相接地短路故障，A、B两相电流都发生剧烈的变化，C 相电流基本保持不变；在0.1时刻切除故障，A、B两相电流快速衰减为0，系统又恢复到稳态。.单相接地短路分析单相接地短路分析 将三相短路故障发生器元件(Three-PhaseFaul t)中故障相选择 的 A、B、C 三相故障选中 A 相，转换时间Transitiontimes(s)设置为 0.02 0.1，对应的状态转换Transitionstatus设置为 1 0,其中 1 表示闭合，0 表示断开；在三相电压电流测量模块(Three-PhaseV-IM easure-ment)中选择相电压和电流作为测量电气量。运行仿真，双击Scope可以得到高压供电系统变压器低压侧母线的单相接地故障电压波形如图4.17所示。从图中可以看出，在0.02时刻之前，系统处于稳态，A、B、C三相电压波形稳定且均匀变化；在0.02时刻发生 A 相接地短路故障，A 相电压变为 0，B、C 两相电压快速上升；在 0.1时刻切除接地短路故障，A、B、C三相电压又恢复到稳态。运行仿真，双击 Scope1 可以得到高压供电系统变压器低压侧母线的单相接地故障电流波形如图4.18所示。从图中可以看出，在0.02时刻之前，系统处于稳定状态；在 0.02 时刻发生 A 相接地短路时，A 相电流激增，B、C两相电流发生轻微的抖动；在 0.1时刻切除接地故障，A、B、C 三相电流都恢复到稳定态。.