基于simulink的Matlab仿真作业（电气工程专业）1

MATLAB在电力系统仿真实验中的应用

张三

（陕西 西安 西安科技大学 710054）

摘要：在介绍 Matlab内容的基础上, 以电力系统仿真实验为例, 阐述了在 Matlab软件 Simulink环境下的电力系统工具箱 (PSB), 是如何进行电力系统仿真实验与分析的。实践证明, 利用Matlab做仿真实验, 可以通过实验现象较快地理解课程理论, 初步掌握用仿真来分析复杂电力系统的能力。 关键词： Matlab ; 电力系统; 仿真实验

一：引言

现代电力系统是一个超高压、大容量和跨区域的巨大的联合系统。电力系统事故具有突发性强、维持时间短、复杂程度高、破坏力大的特点, 因而使得事后对故障原因分析、查找变得尤其困难。在这种情况下, 许多大型电力科研与教学实验一则是实际条件难以满足, 二则系统安全运行也不容许进行一些实验 (如系统短路实验等)。电力系统暂态仿真是了解电力系统在遭受扰动后系统中各种电气参数变化趋势的一种方法。电力系统故障暂态仿真是模拟短路发生时候故障点和故障线路的电压和电流的变化情况, 开关暂态仿真是模拟一次闭合或操作后流过系统的暂态电流或一次开断操作后, 当工频电流被遮断时, 出现在遮断设备的端子上暂态恢复电压, 从而了解不同电网配置下电流和电压振荡的振幅、频率和形式。 Matlab (Matrix laboratory ) 语言最初是在 1980年由美国的 CleVeMoler博士研制的, 其目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段。MathWorks公司在80年代发行使之成为著名数值型计算软件。Matlab具有编程效率高、程序设计灵活、图形处理功能强大等优点。为准确建立系统模型和进行仿真分析, Matlab提供了系统模型图形输入工具Simulink工具箱。通过鼠标在模型窗口画出研究的系统的模型, 直接对系统进行仿真。Simulink提供了用方框图进行建模的模型窗口, 与传统的用微分方程和积分方程建模相比, 更直接,更方便灵活。在Matlab中的电力系统模块库 PSB以Simulink为运算环境, 涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成: 电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。在这 6个基本模块库的基础上, 根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中, 为力系统的研究和仿真带来更多的方便。

二：电力开关通断的仿真

电力网暂态过程仿真实验与分析, 面向两个需求: 一是再现暂态过程的细节, 便于实验教学; 一是服务于电力系统暂态分析课程的需求。仿真方案就以暂态过程中最多的故障暂态过程和操作暂态过程作为仿真对象。

系统进行的操作暂态仿真以单相电路为分析对象, 突出在开关打开、闭合时开关上电气参量的变化情况。电气开关作为控制系统的重要组成部分,对保障电力系统的安全运行起着至关重要的作用,因此在投入使用前, 必须经过复杂的型式实验, 以验证其性能。电气开关的通断性能集中体现在接通和分断的质量上, 接通瞬间由于动静触头之间碰撞, 起断续电弧导致触头腐蚀。分断瞬间由于电流急剧变化, 引起持续燃弧并产生巨大的热量和分断过电压, 所以分断瞬间的危害最为严重。分断过程中触头接触面积逐渐减小, 电流密度逐渐增大, 导致金属强烈发热并形成大量游离的电子, 在电场的作用下, 当电流达到最小起弧电流时便引发强烈的电弧过程。操作暂态是指当负荷开关、断路器、隔离开关或者熔断器运行的时候, 若在电网中发生一次操作, 则电力系统的一些部件彼此分离或相互连接。对于一个切换设备来说, 操作作用可以是一个闭合操作也可以是一个开断操作。在一次闭合操作后,暂态电流将流过系统, 而在一次开断操作后, 当工频电流被遮断时, 一个暂态恢复电压将出现在遮断设备的端子上。从切换设备的端子来看, 电网的配置确定了电流和电压的振荡的振幅、频率和形状。当在变电站内设置调整电压用的电容器组时, 在正常情况时切换设备遮断的主要是电容性的负载。电流和电压之间的相角相差大约 90°, 电流超前电压。当一台大型变压器正常负载下切断时, 电压和电流之间的相角也是 90°, 此时, 电流滞后于电压。在主要是电容性或电感性电网中闭合或者开关断路器时, 将产生冲击电流。

图 1波形显示了开关上的电压随时间的变化情况。0~ 0. 02 s之间, 开关闭合, 开关两端点的电压为 0 V。0 . 02~ 0 . 05 s开关打开, 开关上承受一个暂态电压过程。0 . 05 s后, 开关重新闭合, 开关两端点的电压在经历一次冲击跃变恢复为 0 V。

图 1 开关上的电压

图 2 开关上的电流波形

由图 2波形知道: 在 0~ 0.02 s之间开关闭合时, 开关上的电流是支路 RLC3 上的负载电。0.02~ 0.05s开关打开, 支路 RLC3断开, 开关上的电流迅速为零。0.05s后, 开关重新闭合, 流经开关的电流经历长久的暂态过程。由于开关电弧是一个复杂的物理和化学过程,它涉及到物质的组成和物性的变化、电磁场的分布、热量的散发与吸收等。

三：电网中性点下的故障分析

我们仿真的电力系统暂态过程以线路故障暂态为分析对象, 所涉及的故障类型有: 单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相短路和三相接地短路。故障暂态包括短路故障和断线故障等, 对电力系统危害比较严重。各种复杂故障是指在不同地点两处或者两处以上断线或短路。文章所仿真的故障暂态是在对不同电力系统中性点接地方式下的故障分析。

使用理想三相电压源作电路的供给电源, 使用中性点不接地方式的主要缺点是当电网发生单相间歇性电弧接地时, 系统中积聚的能量无法泄漏掉, 从而导致中性点对地电位升高, 使整个系统过电压。中性点经电阻接地系统的主要优点是可以抑制电弧接地时的过电压, 此外, 由于人为地增加了有功电流, 因此更加易于实现选择性接地保护。但当电网电容电流太大时, 一旦发生接地故障, 在本来就较大的电容电流中加入了一部分有功分量, 使得接地故障大电流增加, 增加了故障点的热效应, 会使电气设备的铁心和绝缘过热, 电缆在接地故障处时的相间绝缘会因过热烧毁而发展为多相短路, 这对特别是煤矿井下这样的危险环境来说是不利的。当采用中性点经消弧线圈接地方式后, 由于人为增加的电感电流补偿了电容电流, 电网的单相接地电流仅为补偿后很小的残余电流, 并对电弧的重燃有明显的抑制作用, 可大大减少高幅值电弧地过电压发生的机率。

图 3 电网中性点接地方式仿真模型

由上述仿真波形可知, 中性点经消弧线圈和经消弧线圈并电阻接地中性点对地电压在短路故障消除后持续时间较长, 中性点经电阻和经消弧线圈串电阻接地中性点对地电压在短路故障消除后持续时间较短。随着电阻、电感参数的增加, 中性点对地电压幅值也随之增加。

从对试验结果的分析看, 电网中性点经小电阻分布参数输电线路 ( Distributed Parameter Line) 作为输电线路, 输电线路 Line1长度为 100 km, 输电线路 Line2长度为 100 k m。使用三相电路短路故障发生器进行不同类型的短路。电压源为 Y接类型,输电线路 Line2端为中性点接地。接地, 电弧过电压最小。当需要采用消弧线圈接地时, 应采用消弧线圈 (自动补偿)串联电阻接地的运行方式。串联电阻的主要目的是限制正常运行时中性点位移电压和断线故障时的谐振过

电压。

四：结论

本文介绍了Ma tlab在电力系统仿真中的应用,了解电气参数变化对电力系统分析、运行的影响,验证理论分析结果。

左上: 电网中性点经电阻接地; 左下: 电网中性点经消弧线圈串电阻接地; 右上: 电网中性点经消弧线圈接地; 右下: 电网中性点经消弧线圈并电阻接地。 图 4?? 网中性点在不同接地方式下发生单相接地故障时中性点的电压波形

参考文献 :

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