MATLAB系统仿真实训课程设计.doc

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计
第1章 绪论
1.1引言
同步发电机是电力系统中最重要和最复杂的元件，由多个具有电磁耦合关系的绕组构成。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0.1～0.3s)，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。
1.2设计目的要求及内容
1.设计目的
（1）学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的设计方法；
（2）通过仿真波形深刻认识同步发电机在电力系统中突然短路的特点。
2.设计任务
使用 Simulink建立同步发电机运行电路模型，仿真获得同步发电机在突然三相对称短路情况下的仿真曲线，对同步发电机运行时突然短路的暂态过程进行仿真研究。

第2章 MATLAB及Simulink概述
2.1 MATLAB简介
MATLAB 是由美国Mathworks公司开发的一套高性能的数值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。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 ，它提供了用方框图进行建模的接口 ，与传统的仿真建模相比 ，更加直观、灵活。
2.2 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MATLAB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、金融财会及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及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、信号处理工具箱以及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。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(非线性环节)、Connections(连接及接口)等。

第3章 同步发电机的原理及短路分析
3.1理想同步发电机
由于转子结构的不同，同步电机可分为隐极机和凸极机两类。以下的研究对象像都是凸极机。
同步电机的主要特点是：定子有三相交流绕组，转子为直流励磁。
将电机结构简化后，电机内部的磁场分布和相应的感应电势的变化规律仍相当复杂，如步采取一定的假设，仍难以对它们的运行方式作定量分析。这些假设是：
1． 电机铁芯不饱和。这一假设不仅意味磁场和各绕组电流间有线形关系，也使在确定空气隙合成磁场时有可能运用叠加原理。
2． 电机有完全对称的磁路和绕组。这一假设包含以下几方面：定子三相绕组完全相同，空间位置彼此相隔2/3π电弧度；转子每极的励磁绕组完全相同；阻尼条的设置对称于正、交轴。
3． 定子三相绕组的自感磁场，定子与转子绕组间的互感磁场，沿空气隙按正弦律分布。这一假设表示略去所有的谐波磁势、谐波磁通和相应的谐波电势，也略去谐波磁场产生的电磁转矩。
满足上列假设条件的同步电机，称为理想同步电机。
3.2同步发电机的工作原理
同步发电机的工作原理转子是旋转的,其中装设的转子励磁绕组线圈两端与两个彼此绝缘的滑环连接,外界是通过压在滑环上的电刷将直流电送给励磁绕组的,当转子励磁绕组得电后,就会产生磁场,有N极S极。当转子在原动机的带动下旋转时,三相定子电枢绕组就处在旋转磁场中切割磁力线而感应电势,输出端接入负荷,发电机就会向负载供电。
3.3同步发电机突然三相短路的分祈
同步发电机系统中发生故障大多是由短路引起的。短路后，系统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，因此对于大容量同步发电机系统发生三相短路的分析是必要的。
3.4发电机突然短路的特点
对于同步发电机系统突然短路时，由于同步电抗较大，因而其稳态短路电流并不大，而突然短路时，由于限制其电流的超瞬变电抗很小，而且含有直流分量，因而突然短路电流很大，其峰值可以达到额定电流的十多倍。随着这一冲击电流的出现，电机的绕组将受到很大的冲击电磁力的作用，可能使绕组变形，甚至绕组的绝缘受损。突然短路过程中，电机受到强大的短路转矩的作用，可有发生振动。电机的定转子绕组出现过电压现象。

第4章 同步发电机突然三相短路的仿真
4.1电机、电流、电压测量元件的选择
MATLAB是一个强大数学计算和仿真工具，利用它可以避免复杂的数学计算编程(比如矩阵的计算)，并且借助其绘图函数可方便实现了计算结果的可视化。选择电机、电流、电压测量元件等模块需要启动电力系统元件库。方法有两种：
1. 在指令窗口中键入powerlib,回车;
2. 单击开始按钮（start), 依次选择simulink、SimPowerSystem；弹出电力系统，在指令窗口中输入simulink，回车，弹出如图4-1仿真元件库对话框，从中选择所需模块。
图4-1 Simulink仿真元件库
4.2电机元件的选择与设置
4.2.1 同步电机元件
从电机（machines）元件库中选择简化的同步电机元件并在参数对话框中进行设置：
如图4-2 同步电机元件

图4-2 同步电机元件
4.2.2三相并联RLC负载原件参数
从线路元件库中选择三相并联RLC负载元件（3-Phase Parallel RLC load），设置如图4-3 三相并联RLC负载元件：

图4-3 三相并联RLC负载元件
4.2.3 常数发生器设置
SM 的机械功率使用一个常数发生器设置，这个常数发生器名称改为Pm，数值设为700e6；如图4-4 SM 的机械功率Pm：
SM的电压幅值也使用常数发生器设置，这个常数发生器名称改为VLLrms，数值设为156e3；如图4-5 SM的电压幅值VLLrms：

图4-4 SM 的机械功率Pm

图4-5 SM的电压幅值VLLrms

4.2.4 三相序分量分析器参数设置
三相序分量分析器可以输出A相直流、基频以及各次谐波电流的正序、负序或零序分量的幅值和相角。
本次仿真设置如下：输出基频分量，选择将负序、正序、零序同时输出到显示器。如图4-6三相序分量分析器参数

图4-6三相序分量分析器参数

4.2.5三相电压-电流测量元件
从测量库中选择三相电压-电流测量元件（Tree-phase V-I Measurement），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图4-7三相电压-电流测量元件设置（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。）：

图4-7三相电压-电流测量元件
4.2.6三相电路短路故障发生器
从线路元件库中选择三相电路短路故障发生器（Three-Phase Fault），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4-8三相电路短路故障发生器(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）、内部计时器的采样时间（Sample time of the Ts）、缓冲电阻（Snubber resistance Rp）、缓冲电容（Snubber Capacitance Cp）和测量（Measurements）)：

图4-8三相电路短路故障发生器
4.2.7仿真参数设置
故障元件中设置时间为0.05到0.4之间；在电路图菜单中选择仿真菜单，弹出仿真参数对话框，设置如下；如图4-9仿真参数设置：

图4-9仿真参数设置
经过上述元件参数设计最后连接得到了如图4-10 同步发电机突然短路电路图：

图4-10同步发电机突然短路电路图

第5章 仿真结果及分析
5.1 同步发电机三相短路电流波形
根据电路图和仿真参数进行电路仿真，激活仿真按钮查看仿真的波形。

图5-1同步发电机三相短路电流波形
在相量选择器中选择故障点三相电流作为测量量，激活仿真按钮，则同步发电机三相短路电流波形如图5-1所示，由图形可以得出以下结论：在稳态时三相电路短路发生器处于断开状态，在0.05s时三相短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点三相电流发生变化，电流变大。在0.7s时，故障排除。此时三相电流恢复稳态运行。
5.2 同步发电机三相短路电压波形

图5-2同步发电机三相短路电压波形
在相量选择器中选择故障点三相电压测量量，激活仿真按钮，则同步发电机三相短路电压波形如图5-2所示；可以得出结论：在稳态时，三相短路故障发生器处于断开状态。在0.05s时三相电压短路故障发生器闭合，此时发生三相短路，电压变为0。在0.5s时，三相电路故障发生器打开，故障排除。此时三相电压恢复稳态运行。
5.3 同步发电机三相短路分量幅值和相角波形
在相量选择器中选择三相电压的相序作为测量量。激活仿真按钮，则三相电压相序图如图5-3所示为同步发电机三相短路分量幅值和相角波形所示。
由图形可以得出以下结论：在稳态时，由于三相电路短路发生器处于断开状态。在0.05s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生短路，三相短路幅值和相角发生变化。在0.4s时，三相电路短路故障发生器打开，故障排除。

图5-3 故障点分量幅值和相角波形

结论
通过本次实训，对系统的参数进行设置，发电机系统运行，对发电机系统运行中出现的故障进行模拟，得出各时段的电压和电流波形图。通过分析各个波形，了解了发生三相短路故障时系统的详细情况。
当同步发电机发生突然短路故障后，电机便处于突然短路的过渡过程中，这个过程虽然短暂，但短路电流的峰值很大发生突然短路时，破坏了系统运行的稳定性。
从仿真结果看出，在发电机出线端发生短路时，发电机及变压器等电气设备在短路故障排除后均能恢复正常运行。
在实训仿真过程中，由于某些参数设置还是不够理想，仿真结果误差较大，这是本文的不完善之处。从整体的仿真结果看，MATLAB是电力系统仿真的有效工具。

致谢
为期两周的实训即将结束，两周来在老师的精心辅导下，我的理论知识与动手实践能力有了很大的提高。通过本次实训，所学理论知识很好的运用到了实际的操作当中，能在具体的实训过程中，真正做到了学以致用，并使自己的实际动手能力得到了很大的提高。实训过程中运用了很多的知识，因此如何将知识系统化就成了关键。如本实训中用到了MATLAB的基础理论和操作步骤，因此在设计过程中侧重了知识系统化能力的培养，为今后的动手工作和理论学习打下了很好的基础。
此次实训过程中遇到了很多的困难，多亏老师在百忙之中对我的实训给予了细致的指导和建议,并给我们提供了大量有关资料和文献，使我的这次实训能顺利完成，在这里我非常感谢老师。
通过这次实训使我对以前学习的知识得到了更深的了解,并使知识得到了进一步的巩固。总之，此次课程设计的完成带给我了很大的收获，为以后的理论学习和动手工作打下了扎实的基础。

参考文献
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