电力系统建模及仿真课程设计Word文件下载.docx

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1、短路故障 4

2、电力网络潮流计算 16

四、心得体会 31

五、参考文献 31

一、设计目的

该课程设计是在完成《电力系统分析》的理论教学之后安排的一个实践教学环节。

其目的在于巩固和加深对电力系统潮流和短路电流计算基本原理的理解，学习和掌握应用计算机进行电力系统设计和计算的方法，培养学生独立分析和解决问题的能力。

二、课程设计的基本要求

（1）用Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，在所给电力系统中K处选取不同故障类型（三相短路、单相接地短路、两相短路、两相接地短路进行仿真，比较仿真结果，给出自己的结论。

（2）基于Matlab/Simulink，搭建电力网络模型，并进行潮流计算。

三、电力系统仿真模型的建立与分析

（一）电力系统故障分析和潮流计算的原理

1、电力系统故障分析的原理

电力系统短路故障分为两类,横向不对称故障和纵向不对称故障，横向不对称故障包括两相短路，单相接地短路以及两相接地短路三种类型，其特点是由电力系统网络中的某一点（节点）和公共参考点（地接点）之间构成故障端口。

该端口一个是高电位点，另一个是零电位点。

纵向不对称故障包括一相断相和两相断相两种基本类型，其特点是由电力系统网络中的两个高电位之间构成故障端口。

目前实际中用的最多的和最基本的方法仍是对称分量法，应用对称分量法分析计算简单不对称故障时，对于各序分量的求解一般有两种方法：

一种是直接联立求解三序的电动势方程和三个边界条件方程；

另一种是借助于复合序网进行求解，即根据不同故障类型所确定的边界条件，将三个序网络进行适当的链接，组成一个复合序网，通过对复合序网的计算，求出电流、电压的各序对称分量。

电力系统继电保护故障对称分量变换三相电路中，任意一组不对称的三相相量都可以分解为三组三相对称的分量，这就是所谓的“三相相量对称分量法”。

对称分量法是将不对称的三相电流和电压各自分解为三组对称分量，它们是：

（1）正序分量：

三相正序分量的大小相等，相位彼此相差2pi/3，相序与系统正常运行方式下的相同；

（2）负序分量：

三相负序分量的大小相等，相位彼此相差2pi/3，相序与正序相反；

（3）零序分量：

三相零序分量的大小相等，相位相同。

为了清楚起见，除了仍按习惯用下标a、b和c表示三个相分量外。

不对称短路的分析：

不对称短路的各序等值网络

基本序网方程：

再根据短路的类型写出边界条件，并用序分量表示，最后求出短路处各相电压电流值。

2、电力系统潮流计算的原理

电力系统潮流计算是电力系统最基本的计算，也是最重要的计算。

所谓潮流计算，就是已知电网的接线方式与参数及运行条件，计算电力系统稳态运行各母线电压、各支路电流与功率及网损。

对于正在运行的电力系统，通过潮流计算可以判断电网母线电压、支路电流和功率是否越限，如果有越限，就应采取措施，调整运行方式。

对于正在规划的电力系统，通过潮流计算，可以为选择电网供电方案和电气设备提供依据。

潮流计算还可以为继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。

根据电流周期分量的标幺值等于回路总阻抗标幺值的倒数，计算出电流的周期分量，而容量的标幺值等于电流周期分量的标幺值，计算出短路容量，取冲击系数为1.8时，短路冲击电流等于2.55倍的周期分量，短路电流的最大有效值等于1.52倍的周期分量。

对于两相短路、两相接地短路、单相接地短路不对称的短路分析采用对称分量法，将其分为对称的三相正序、负序、零序的和，列出故障时的边界条件，并用序分量来表示边界条件，画出序网络，求出个序分量，最后求出故障处的各相电压电流。

电力系统潮流计算的原理电力系统的潮流计算就是计算其电压降落与功率损耗，电力系统由发电机、变压器、电力线路、负载组成。

潮流计算主要计算电力线路和变压器的功率损耗和电压降落。

主要有三种情况：

（1） 

已知末端负荷及末端电压，求始端电压及功率；

（2） 

已知末端负荷及始端电压，求末端电压及始端功率；

（3） 

已知始端负荷及电压，求末端电压与功率。

以第一种情况来简述潮流计算的原理 

根据已知的末端电压和等值电路求出导纳支路的功率损耗 

电力线路的电压降落：

电压降落横分量 

电压降落纵分量 

对于已知末端负荷及始端电压的潮流计算，先假设末端电压和由给定的末端负荷，往始端推算出始端电压和始端功率，再由给定始端电压和计算的始端负荷，向末端推算出末端电压、末端功率然后再由给定末端负荷及计算得到的末端电压往始端推算，以此推算，直至推出较满意的电压为止。

对于已知始端电压、功率的情况与第一种情况类似，其次变压器阻抗的功率损耗与电压降落与电力线路完全类似，通常情况下可将电压降落的横分量忽略，电力线路是用π型等值电路而变压器则使用葛型等值电路。

（二）电力系统故障的仿真与分析

1、短路故障

发电机G1：

25KV,Y连接;

输电线路L1和L2长度均为100KM,L2末端中心点接地。

图3-1-1短路故障图

（1）、单相接地短路

连线图

图3-1-2短路故障连线图

万用表图形

图3-1-3单相接地短路万用表图

电压波形：

图3-1-4单相接地短路电压波形图

电流波形：

图3-1-5单相接地短路电流波形图

Scope2

图3-1-6单相接地短路csope2波形图

分析：

当A相发生接地短路时故障点A相电压突降为零，导致B,C两项电压上升，排除故障之后三相电压恢复正常。

（2）、三相短路

万用表图形：

图3-1-7三相短路万用表波形图

图3-1-8三相短路电压波形图

图3-1-9三相短路电流波形图

图3-1-10三相短路scope2波形图

在稳态时,故障相各相电压由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电压不为0.在0.02s时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短路,故障点各相电压发生变化,故障点各相电压都降为0.在0.06s时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点各相电压缓慢恢复，此时故障点各相电流逐渐下降为0.

（3）、两相短路

万用表图

图3-1-11两相短路万用表波形图

图3-1-12两相短路电压波形图

图3-1-13两相短路电流波形图

图3-1-14两相短路scope2波形图

在A、B两相发生短路故障时，非故障相C相电压波形幅值增大。

A相和B相电压降为0V。

C相未发生故障,其短路电流为零.两相短路时,短路故障点电流中没有零序分量,而正序分量与负序分量大小相等但方向相反。

（4）、两相接地短路

万用表测量：

图3-1-15两相接地短路万用表波形图

图3-1-16两相接地短路电压波形图

图3-1-17两相接地短路电流波形图

图3-1-18两相接地短路scope2波形图

在A、B两相发生短路故障时，非故障相C相电压波形幅值改变，增大。

C相未发生故障,其短路电流为零.两相短路时,短路故障点电流中没有零序分量,而正序分量与负序分量大小相等但方向相反.

（5）、正常情况

图3-1-19正常情况万用表波形图

图3-1-20正常情况电压波形图

图3-1-21正常情况电流波形图

图3-1-22正常情况scope2波形图

当电力系统正常运行时，发电机端的电压和电流都是成正弦变化的，虽然三相交流电源的三相电压和电流之间相位不同，但是幅值的大小是相同的。

2、电力网络潮流计算

图3-2-1电力网潮流计算电气接线图

图3-2-2潮流计算仿真图

（1）、发电机参数设置

取基准功率为SB=100MVA，基准电压等于各级平均额定电压。

而在Simulink的发电机、变压器等模型中都是以标幺值表示的（以自身的额定值为基准值）两台发电机分别为G1、G2，变压器为T1、T2、线路分别为L1、L2、L3，负载分别为Load1、Load2、Load3表示。

发电机模型参数设置：

由于变压器变比为1：

1.05，因此在设置发电机模块G1、G2，额定功率为100MVA、额定电压为10.5KV、额定频率为50Hz，其他参数采用默认设置。

发电机G2的参数设置过程与G1的一样。

如图：

图3-2-3G1

图3-2-4G2

（2）、变压器模型参数设置

变压器变比为1：

1.05，因此设置变压器模块的低压侧额定电压为10.5KV，高压侧额定电压为121KV。

变压器T1的参数设置如下：

T2漏抗值与T1不同，但是参数设置过程与T1相同,只是漏阻抗不同。

变压器漏阻抗设置尽量小一些，励磁铁芯电阻电抗设置要大。

图3-2-5T1

图3-2-6T2

（3）、线路模型参数设置

无论是三相“II”形等值线路模块还是三相串联RLC支路模块，其参数均为有名值。

以支路阻抗为R*+JX*=0.08+J0.30,对地导纳Y*=j0.5的线路L1为例，其有名值的参数计算如下。

电阻有名值：

R=R*VB2SB=0.08×

1152100Ω=10.58Ω

电感有名值：

L=X*VB2ωSB=0.3314×

1152100H=0.1263H

电容有名值：

C=1/ωVB2Y*SB=13140.5×

1152100F=1.2×

10-5F

线路的长度设置为1km,参数设置如下所示，模型中的零序参数采用默认值。

L2、L3参数设置过程同L1。

图3-2-7L1

图3-2-8L2

图3-2-9L3

（4）、负荷模型参数设置

当动态负荷的终端电压高于设定的最小电压时，负荷的有功功率和无功功率按下式变化。

Ps=P0（UU0）np（1+TP1S）（1+TP2S）

Qs=Q0（UU0）np（1+Tq1S）（1+Tq2S）

系统中负荷Load1、Load2、Load3所接母线均为PQ节点，要求负载有恒定功率的输出（输入），因此设置P0、Q0为系统给出的有功功率和无功功率值，控制负荷性质的指数np，有功功率、无功功率动态特性的时间参数TP1、Tp2、Tq1、Tq2均设置为0。

如下图所示

图3-2-10Load1

图3-2-11Load2

图3-2-12Load3

（5）、综合参数设置：

利用Powergui模块进行节点类型、初始值等参数的综合设置。

双击Powergui模块图标，在主界面下打开“潮流计算和电机初始化”窗口。

在电机显示栏中选择发电机G2，设置其为平衡节点“S