基于MATLAB的同步发电机短路故障仿真研究.docx

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基于MATLAB的同步发电机短路故障仿真研究

毕业设计（论文）

题目基于MATLAB的同步发电机短路故障仿真研究

学院计算机与控制工程学院

专业班级电气xxx

学生姓名

指导教师

成绩

2014年6月26日

摘要

众所周知，同步发电机在电力系统中发挥着至关重要的作用，现代社会中使用的电能几乎由同步发电机所产生，同步发电机在人类社会的生活生产中占据着非常重要的地位。

为了更直观地了解同步发电机短路故障状态下的特性指标，尽量避免发生短路故障或及时对短路故障做出相应的正确措施，更合理选择保护装置，研究同步发电机的短路故障状态就成了当务之急的问题。

随着科技进步与自动化水平的提高，人们要求能够快速分析故障和解决故障，在电力系统中，因运行环境、可操作性问题的限制，现场对同步发电机测试不太现实，因此，利用软件仿真的方法对同步发电机进行仿真研究就显得极其重要。

本论文通过MATLAB软件建立同步发电机的仿真模型，对常见的短路故障进行仿真研究，以便更好地掌握同步发电机短路故障状态下的各特性，并设计了GUI用户界面，更好的实现了人机交互。

文中对各短路故障进行了仿真实验，从仿真结果可以看出，本文所设计的仿真系统满足对同步发电机短路故障的研究需求，实现论文设计的目标。

关键词：

同步发电机；短路故障；MATLAB；GUI

Abstract

Asisknowntoall,synchronousgeneratorplaysanimportantroleinpowersystem.Nowtheelectricpowerusedinoursocietyalmostproducebysynchronousgenerators.Synchronousgeneratoroccupiesaveryimportantpositioninhumansociety.Inordertolearningthecharacteristicparametersofsynchronousgeneratormoreintuitiveinfaultcondition,andtryingtoavoidshortcircuitfaultortomakecorrespondingmeasurestocorrectvisionintimeortoprotectdeviceinthemethodofreasonable,studyingthesynchronousgeneratorfaultstatushasbecomeanurgentproblems.Withtheprogressofscienceandtechnologyandtheimprovementofautomationlevel,peoplerequiretobeabletoquicklyanalyzefaultandsolvetheproblemintheelectricpowersystem.Withthelimitationoftheenvironmentinrunningasynchronousgenerator,doingatestofgeneratorsdirectlyisunlikely.Therefore,withtheaidofMATLABsoftwarepowerfulcomputingandgraphicsprocessingsimulationtostudythesynchronousgeneratorisextremelyimportant.Inthispaper,asimulationmodelofthesynchronousgeneratorisestablishedbyMATLABsoftwareinordertobettergrasptheperformanceindexofsynchronousgeneratorinfaultcondition.AndwealsodesigntheGraphicalUserInterface（GUI）forbetterrealizingthehuman-computerinteraction.Eachshortcircuitfaultsimulationexperimentswascarriedoutinthispaper,ascanbeseenfromthesimulationresults,thesimulationsystemisdesignedtosatisfydemandsforsynchronousgeneratorshortcircuitfaultresearch,realizingthetargetofthispaper.

Keywords:

Synchronousgenerator；Shortcircuitfault；MATLAB；GUI

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1论文的背景和意义1

1.2仿真技术的发展概况和趋势1

1.3本论文研究的主要内容2

第2章同步发电机的理论分析3

2.1同步发电机的主要结构3

2.1.1定子3

2.1.2转子3

2.2同步发电机的基本理论4

2.2.1同步发电机的基本工作原理4

2.2.2正方向的规定5

2.2.3同步发电机的基本方程5

2.2.4派克变换和坐标系统7

2.2.5坐标系统10

第3章同步发电机短路故障仿真研究系统12

3.1同步发电机的数学模型12

3.2M文件的编写13

3.3仿真界面设计16

3.3.1界面组件的选择和布局16

3.3.2编写回调函数18

第4章实例仿真与分析20

4.1三相突然短路仿真与分析20

4.2负载两相短路仿真与分析22

4.3负载单相短路仿真与分析24

4.4转子绕组短路仿真与分析26

结论30

参考文献31

附录132

附录234

致谢42

第1章绪论

1.1论文的背景和意义

电能得到广泛的应用得益于电力系统的出现，进而推动了各个领域的社会生产的变化。

因为电能有清洁、来源广、便于传输及易于控制等特点，使其成为当今社会最为通用的能源。

社会发展离不开可靠的、高品质的电能供应，现代发电厂最常用的发电机就是同步发电机，电力系统的安全与稳定运行状况直接取决于对同步发电机的控制。

在对同步发电机进行故障分析时，使用真实电机在实际的工作应用场合进行现场实验研究是不大切合实际的。

人们要求能够快速分析各种短路状态同步发电机的各项性能指标，利用计算机仿真技术来研究同步发电机短路故障是一种快速便捷的好方法，并且，采用仿真技术去研究发电机的运行状态显得越来越重要，通过仿真研究，掌握同步发电机的性能有助于实践中维护电机和对其功能的扩展。

2005年以来，我们国家的电力网络已经形成了一个系统的全国互联大网，同步发电机作为整个电力系统的能量源头，随着电力行业的迅猛发展，装机容量逐渐增大，对同步发电机的运行提出了更为系统和更为严格的要求。

为了能够迅速准确地分析和解决故障，最大限度地降低事故带来的危害，恢复发电机和相关设备的正常运转，发电机设计师和操作人员必须熟知同步发电机各种短路故障状态下的各项性能指标。

MATLAB软件在仿真技术领域发挥着重要作用，在众多的计算机仿真工具中，MATLAB享有最高权威并且最为常用，能够运用到各行各业，诸如信号处理、图形处理、控制系统的搭建、财务分析和建模等领域。

用户可以通过在SIMULINK中搭建相关实验系统，也可以通过分析数学模型编写相应的M文件来模拟同步发电机的故障运行状态，从而获取同步发电机各项性能指标，以便及时对故障采取合理的预防措施。

这对三相同步发电机的正确使用、保护装置的选取及日常维护都具有十分重要的指导意义[1]。

1.2仿真技术的发展概况和趋势

计算机仿真就是在已建立好数学模型的情况下，把模型搭建在计算机仿真软件上并运行，从而进行相应的科学实验分析和研究。

上个世纪五十年代初的仿真技术依赖于电子模拟计算机，因电子模拟计算机自身缺点（精度较差），从七十年代开始，另一种仿真技术得到发展，即数字模拟混合计算机仿真。

七十年代末，开始推广各种各样通用和专业计算机仿真。

随着人们到达软件技术新的里程碑，八十年代，在借鉴集成数字仿真和模拟仿真的基础上，人们开发出了更优秀的数字模拟混合仿真技术，更好地实现了仿真技术的智能化，在某些特定的仿真领域，这种仿真技术取得了振奋人心的成就。

当时推出了一些仿真机，。

无论是通过SIMULINK搭建模块还是编写系统的仿真程序，计算机仿真都需要依托于一定数学模型，计算机仿真的发展就是沿着高效率的道路发展，追根究底就是如何把系统的模型高效的呈现出来。

MATLAB软件的推广把我们带到这样高效的时代，可以让开发人员把精力从程序调试上转移到实验研究上。

社会的发展，工程领域分支出众多的支流工程，甚至仿真技术已经踏入了非工程领域。

在复杂的大型工程系统建设之前，MATLAB在工程预估上发挥着越来越重要的作用。

工程系统需要预估安全性，从安全性、合理性的角度来实施开发设计。

这样尽量做到最好的决策，预测可能性，避免故障，实现安全控制，仿真技术带来了优越性和巨大的经济效益。

当前MATLAB已广泛引用于同步发电机的仿真分析中，其中不乏用SIMULINK进行快速建模仿真，有其中的优点，但用M文件建模仿真也有其不可或缺的地位，用M文件编写使我们了解仿真数学模型的真正来源，并且更有利于我们编写GUI界面，通过实践表明，我们可以编写出实现人机交互效率很高的图形用户界面，可以对复杂的系统进行包装，用户不需要直接面对纵横交错的电路图，把参数设置等设置选项链接到GUI界面，使得仿真系统更为简洁明了[2]。

1.3本论文研究的主要内容

本文通过分析同步发电机结构和工作原理，推导出同步发电机仿真所需要的数学方程，建立同步发电机各种短路故障运行状态下的数学模型，在MATLAB软件上编写仿真程序模拟同步发电机各故障的运行状态。

主要研究的内容有：

有阻尼和无阻尼下同步发电机三相突然短路的特性研究；有阻尼和无阻尼下同步发电机两相突然短路的特性研究；有阻尼和无阻尼下同步发电机单相突然短路的特性研究；同步发电机转子绕组短路定子突加对称电压的特性研究。

为了方便人机交互，也提出了开辟一个窗口，即设计GUI界面，方便了人机交互。

第2章同步发电机的理论分析

2.1同步发电机的主要结构

定子和转子是同步发电机两大基本组成部分。

定子槽上三相交流绕组，当定子三相绕组接通三相交流电时产生旋转磁场。

转子上有励磁绕组，转子磁极由励磁绕组产生，当励磁绕组通入直流电后就可以产生固定方向的磁场。

2.1.1定子

定子为发电机的静止部分，俗称电枢，所包含的主要部件如下：

1.定子铁心

定子铁心是构成电机主磁路的一部分，电枢绕组镶嵌在定子槽内。

它由涂有绝缘漆的硅钢片堆叠而成，钢片厚度一般为0.35毫米到0.5毫米。

鉴于同步发电机的尺寸较大，铁心不能直接成型，先制作带有开口槽的扇形片，再按圆周将扇形片拼合成定子铁心。

2.电枢绕组

一般同时使用实心和空心两种导线组合作为电枢绕组，以便更好实现冷却效