1、电气工程及其自动化毕业论文1摘要电力工业迅速发展，电力系统规模日益庞大和复杂，出现的各种故障，会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁，并有可能导致电力系统事故的扩大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，迫切要求运用电力仿真来解决这些问题，依据电网用电供电系统电路模型要求，因此，论文利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了单机无穷大电力系统的仿真模型，能够满足电网可能遇到的多种故障方面运行的需要。论文以MATLAB R2009b电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSyetem 搭建了电力系统运行中常见的单机无穷大系统模型，设计得到了在该系统发生各种短路
2、接地故障并故障切除的仿真结果。本文做的主要工作有：（1）Simulink下单机无穷大仿真系统的搭建（2）系统故障仿真测试分析通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。关键词 电力系统；暂态稳定；MATLAB；单机无穷大； 绪论 1第一章 电力系统稳定性概述 11.1 电力系统的静态稳定性 11.2 电力系统的暂态稳定性 1第二章 基于MATLAB的电力系统仿真 32.1 电力系统稳定运行的控制 32.2 MATLAB及SimPowerSystem简介 32.3 配电网的故障现状及分析 42.4 暂态稳定仿真
3、流程 5第三章 单机无穷大暂态稳定仿真分析 53.1 电力系统暂态稳定性分析 63.1.1 引起电力系统大扰动的原因 63.1.2 定性分析 63.1.3 提高电力系统稳定性的措施 83.2 单机无穷大系统原理 94.22 改变系统中的元件参数(改变线路的电阻) 17绪论随着现代工业的迅速发展，电力系统规模不断扩大，系统发生故障的影响也越来越大，尤其大区域联网背景下的电力系统故障将会给经济、社会造成重大经济损失，因此保证电力系统安全稳定运行是电力生产的首要任务。电力系统是一个复杂的动态系统，一方面，它必须时刻保证可靠的电能质量；另一方面，它又处于不断的扰动之中，扰动发生的时间、地点、类型、严重
4、程度均具有较大的随机性。当扰动发生后，一旦发生稳定性问题，系统可能会在几秒内发生严重后果。对于系统某一特定的稳定运行状态，以及对于某一特定的扰动，如果在扰动后系统能达到一个可以接受的稳定运行状态，则系统运行处于暂态稳定。在电力系统规划、设计等工作中都要进行大量的暂态稳定分析。通过暂态稳定分析，可以看到各种稳定措施的效果以及稳定控制的性能。因此，通过时域仿真来验证电力系统在某一状态时是否稳定，具有重要的理论和实际意义。第一章 电力系统稳定性概述1.1 电力系统的静态稳定性电力系统的静态稳定性是指电力系统受到小干扰后，不发生自发震荡或非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。电力系统几乎时时刻刻
5、都受到小的干扰。例如：系统中负荷的小变化；又如架空输电线路因摆动引起的线间距离（影响线路电抗）的微小变化等等。因此，电力系统的静态稳定问题实际就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。1.2 电力系统的暂态稳定性电力系统暂态稳定性是指电力系统在某个运行情况下突然受到较大扰动后，能否经过暂态过程达到新的稳定状态或恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，一般是指短路故障、突然断开线路或减小发电机出力等。如果受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则电力系统在这种情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能再建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断的变化，因而系统的功率、电流和电
6、压都不断震荡，以致整个系统不再能继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。引起电力系统大扰动的原因很多，归纳起来，主要有以下几种。1、引起电力系统大扰动的主要原因（1）负荷的突然变化。如切除或投入大容量的用户引起较大的扰动。（2）切除或投入系统的主要元件。如切除或投入较大容量的发电机、变压器和较重要的线路引起的大的扰动。（3）电力系统的短路故障。它对电力系统的扰动最为严重。在短路故障中，其中以三相短路最为危险，引起电力系统的扰动最大，于是系统的暂态稳定性常常遭到破坏。但此种严重故障发生的次数最少，据统计，在高压电力系统中发生三相短路的次数一般占总短路次数的6%7%左右。两相接地
7、短路和两相短路对于电力系统的扰动也较大，其中两相接地短路的危害程度仅次于三相短路。但在一般的高压系统中发生这两种短路的次为23%24%左右，比三相短路发生的次数要多。单相短路在高压系统中发生的次数最多，一般可占70%左右。但单相短路对系统的扰动在短路故障中是最小的，其中瞬时性雷击单相短路又占单相短路的70%左右，它对系统的影响就更小了。二、暂态过程按时间分为下面三个阶段（1）起始阶段：指故障后约1s内的时间段。在这期间系统中的保护和自动装置有一系列的动作，例如切除故障线路和重合闸、切除发电机等。但是在这个时间段中发电机的调节系统还来不及起到明显的作用。（2）中间阶段：在起始阶段后，大约持续5s
8、左右的时间段。在这期间发电机组的调节系统已发挥作用。（3）后期阶段：中间阶段以后的时间。这时动力设备中的过程影响到电力系统的暂态过程。另外，系统中还将由于频率和电压的下降，发生自动装置切除部分负荷等操作。三、暂态稳定的分析方法分析方法：不同于静态稳定问题的分析，不能做线性化处理，暂态稳定问题研究的特点有： （1） 暂态稳定性与否和原来运行方式及干扰种类有关。 （2） 系统暂态稳定过程是一个电磁暂态过程和机电暂态过程汇合在一起的复杂的运动过程，它们互相作用、互相影响。第二章 基于MATLAB的电力系统仿真 电力系统在运行中易受到多种因素的影响而发生故障，威胁系统的安全可靠性，因此迅速、准确地探测
9、出电缆故障并对其进行分析，对提高供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值1。目前，线路保护已经进入微机保护时代，电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主，同时考虑到电力运行实际情况，在Matlab/Simulink平台下更好的运用仿真手段更突出了现实意义。2.1 电力系统稳定运行的控制 电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰( 如短路故障, 突然增加或减少发电机出力、大量负荷, 突然断开线路等) 后, 各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力, 通常指第一或第二振荡周期不失步。提高电力系统暂态
10、稳定性的措施是多样的, 本文以单机无穷大系统为例, 主要利用matlb软件对单机无穷大系统进行仿真，对线路发生接地短路故障在一定时间内切除后，发电机的转速随时间的变化情况,发电机转速的变化又影响了电力系统中电压、电流和发电机电磁功率的变化。通过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论。2.2 MATLAB及SimPowerSystem简介 MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，由Mathworke公司开发的一套功能强大的软件，最早它主要用于科学计算。后来随着MATLAB功能的不断增强和应用的普及，很多领域的专家为MATLAB写了专门的工具箱，用以拓展MATLAB
11、的功能，这大大扩大了MATLAB的应用范围。所以现在的MATLAB已不仅仅局限与现代控制系统分析和综合应用，它已是一种包罗众多学科的功能强大的技术计算语言，是当今世界上最优秀的数值计算软件之一。它强大的科学运算与可视化功能，简单易用，开放式可扩展环境，特别是所附带的30多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机辅助设计和分析，算法研究和应用开发的基本工具和首选平台2。 MATLAB环境下的Simulink 是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。运行于Simulink下的PSB（Power System Blockset）是针对电力系统的工具箱，从Matlab
12、 6.0开始它被重新命名为SPS（SimPowerSystem）。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec研究中心的专家为主的MATLAB的开发的工具箱，主要用于电力系统电力，电子电路的仿真。随着MATLAB的不断升级，SimPowerSystem也得到了很大的发展。现在，从MATLAB13版的开始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作为现实模型产品族的成员，结合Simulink的使用，可以仿真电气，机械以及控制系统。使用SimPowerSystem，不需要学习复杂的软件命令，编写软件代码，用户可以专注于物理模型本身，通过与实际电路图非常相似的符号，表示
13、复杂的电网，这有助于大大提高仿真的效率。2.3 配电网的故障现状及分析电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称为小电流接地系统。此系统中接地故障最高，由于三个线电压仍然对称，不影响负荷连续供电，故不必立即跳闸，但接地后非故障相电压会升高，长时间带故障运行会影响系统安全，因此需要对故障时刻和故障线路进行检测。另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小这将影响故障检测的灵敏度。因此，需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法去分析非平稳信号。对配电网接地短路故障的研究，主要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂
14、态分量等几种方法。利用故障后的稳态分量进行故障检测，存在的问题是接地稳态分量太小常导致选线装置不能正确动作而且该方法要求有一个持续的稳态短路过程因此在发生间歇性电弧接地时便不再适用，因此利用能对突变的微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论,可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征,。 电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰(如短路故障，突然增加或减少发电机出力、大量负荷，突然断开线路等)后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的
15、。 利用matlb软件对单机无穷大系统进行仿真，对线路发生接地短路故障在一定时间内切除后，发电机的转速随时间的变化情况,发电机转速的变化又影响了电力系统中电压、电流和发电机电磁功率的变化。通过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论。2.4 暂态稳定仿真流程 由于电力系统的动态仿真研究将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现。因此在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济。Matlab电力系统工具箱包含的模块有：Electrical Sources(电源库)、Elements(元件库)、PowerElectronics(电力电子元
16、件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、Extra Library(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面graphical user interface)等， 为了研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度的再现实际中的电力系统。利用模块库中封装好的模块搭建系统，对各环节元件作了一定的理想化。对各元件的参数也作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完善，利用已有模块搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。第三章 单机无穷大暂态稳定仿真分析电力系统
17、稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动后能否保持发电机间同步运行的问题，根据扰动大小所确定的稳态问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。所谓电力系统静态稳定性，一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。电力系统的暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，是相对于小干扰而言的。如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压
18、都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。3.1 电力系统暂态稳定性分析3.1.1 引起电力系统大扰动的原因主要有以下几种： （1）负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等； （2）切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等； （3）发生短路故障。其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。而且短路故障中，单相接地短路故障最多。在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。当动态电路从某一稳定状态转
19、换到另一稳定状态时，一些物理量（如电容电压，电感电流等）并不会突变，而是需要一定时间。在这期间，电路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。3.1.2 定性分析在正常运行情况下，若原动机输入的机械功率为Pm，发电机输出的电磁功率就与原动机输入的机械功率相平衡，发电机的工作点应由P1和Pm线的交点确定，即为a点，与此对应的功率角为，见图3.2中虚线所示为不计阻尼作用的曲线，实线所示为计阻尼作用的曲线。 图3.1 电力系统暂态稳定 图3.2电力系统暂态不稳定在发生短路瞬间，由于不考虑定子回路的非周期分量，则周期分量的
20、功率是可以突变的，于是发电机运行点有PI突然将为PII。又由于发电机组转子机械运动的惯性所致，功率角不可能突变，仍为。那么运行点由a点跃降到短路时功-角特性曲线PII上的b点。达b点后，输入的机械功率Pm大于输出的电磁功率PIIb，不平衡净加速功率大于零。依转子运动方程式，于是转子开始加速，即，功率角开始增大，运行点将沿功-角特性曲线PII移动，设经过一段时间，当功率角增大至c时，此时运行在c点，速度达到最大。若在c点事切除线路故障，在切除线路故障的瞬间，仍由于不考虑定子回路电流的非周期分量及机组转子的机械惯性，为c，运行点从PII上的c点突升到PIII上的e点，此时速度仍为。在达到e点后，机
21、械功率PmPIIIe（电磁功率），转子开始减速。由于及机组转子的惯性作用，则功率角还在增大，运行点沿PIII由e点向f点移动，当到达f点时，其转速（同步转速），功率角不再继续增大，这时的功率角为最大功率角。但在f点，PmPIIIf，转子将继续减速，功率角开始减小，运行点仍将沿功-角特性曲线PIII从f点向e、k点移动。在k点时有Pm=，减速停止，则速度达最小为。但由于转子机械惯性作用，功率角将继续减小，当过k点时PmPIII，发电机组转子又开始加速，而且加速度越来越大，功率转角无限增大，发电机与系统之间将失去同步，系统暂态不稳定。其情况如图3.2所示。MATLAB提供了常微分方程初值问题的数值
22、解法，对于稳态一般用快速而准确的ode45函数，对于暂态一般用ode23函数。也可采用自适应变不长的求解方法，即当解的变化较快时，步长会自动的变小，从而提高计算精度。3.1.3 提高电力系统稳定性的措施1） 快速切除故障2） 采用自动重合闸装置：对应两种情况：若系统发生瞬时故障，则可以通过自动化重合闸恢复到原来状态（电磁功率最大）；若为永久性故障，会使系统再次重合到故障上，对系统冲击较大。3） 强行励磁：提高电磁功率，以增加减速面积。4） 串联电容器的强行补偿 指故障时对健全线路强制提高补偿度的措施。补偿的方法：如双回路运行，两组电容器组均投入。切除一条输电线后，线路感抗从Xl/2Xl，Xl为
23、健全线路的电抗，由于电抗的下降，使切除故障线路后的电磁功率下降，加速面积增大，为减少加速面积，应通过减少健全线路的电抗来实现，即使在它上面串联电容器，同时切除一组，使其容抗从Xc/2Xc。5） 采用电气制动指当系统中发生故障后迅速接入电阻以消耗发电机的有功功率（增大电磁功率），从而减少功率差额。因为制动电阻在故障瞬时投入，因而使故障后P-曲线PII向上向左偏移。欠制动：投入后减少的加速面积不足；过制动：故障发生后，由于制动电阻的投入，加速面积很小，因而没有失步；但是切除故障后，由于制动电阻同时被切除，因而PIII曲线不受制动电阻的影响。当在PII曲线较低位置切除故障时，仍可能出现与PT-PII
24、I较大数值的较大的减速面积，因而仍可能在第二周波失稳。 6） 变压器中性点经小电阻接地不对称接地短路故障时，产生零序电流。变压器中性点通过小电阻接地，则零序电流在中性点电阻上产生功率损耗，这部分功率消耗了一部分发电机的电磁功率，因而减小了转子的不平衡功率，有利于系统的暂态稳定。7） 减少原电机输出的机械功率由于转子运动切除故障后，减小作用在转子上的剩余功率，增大减速面积。减小原动机输出功率的措施有，以下两种措施对应的均为在切除故障的同时采取的措施。*采用快速的自动调速系统或快速关闭进汽门，电磁功率不变，但是由于调速系统的作用，使机械功率相应减少，从而增大减速面积。*切除连锁切机，在切除发电机组
25、后，电磁功率下降，同时对应的机械功率下降，一般认为下降的机械功率较电磁功率多，因而减速面积增大。；3.2 单机无穷大系统原理电力系统运行稳定分析中，常采用的模型是单机对无穷大系统，单机无穷大系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的的运行方式7，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程。 图3.1 无输电线的单机无穷大系统原理图 假定联络阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出去的有功功率的P为： 式中包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗； 功角；发电机电势； 系统母线电压。利用matlab来对
26、系统进行仿真，主要针对的是在0.1s切除故障和0.55s切除故障中发电机转速变化的情况的比较。改变故障模块中的短路类型，就可以仿真系统在发生各种短路时的暂态稳定性；同样改变系统中元件参数(如线路电阻、并联电抗等)就可以研究各种参数对系统的暂态稳定性的影响。仿真图如下： 图3.2 单机无穷大电力系统仿真原理图利用matlab来对系统进行仿真，主要针对的是在系统中加入电容补偿器对系统有何改善，在0.1s切除故障和0.55s切除故障中发电机转速变化的情况的比较。改变故障模块中的短路类型，就可以仿真系统在发生各种短路时的暂态稳定性。图3.3 改善的单机无穷大电力系统仿真原理图串联电容补偿器就是在线路上
27、串联电容器以补偿线路的电抗。采用串联电容补偿器是提高交流输电线路输送能力，控制并行线路之间的功率分配和增加电力系统稳定性的一种方法第四章Simulink下SimPowerSystem模型应用 Simulink由于其能用最小的代价来模拟真实动态系统的运行，依托数百种预定义系统环节模型、最先进有效地积分算法和直观的图形化工具，依托强健的交互式仿真能力，可以方便调整模型参数设置，而电力系统SimPowerSystem由于使用标准的电气符号、各种模型模块，高精度的仿真结果，优化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分发挥了SPS在电力系统仿真的灵活仿真优势。4.1 仿真模型的搭建 利用MATLAB下的SI
28、MULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。对原理分析的基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对电力系统仿真设计方法的理解。本次仿真选出需要用到如下模块： （1）Powerlib电力系统工具箱： 1）Electrical Sources中的Three-Phase Source（三相电源）模块2）Elements 中的Three-Ph
29、ase Parallel RLC Load（三相负载RLC并联）模块和以及 Three-Phase Breaker （三相断路器）模块，Three-Phase Fault （三相故障整流器）模块，Three-Phase Series PLC Load（三相PLC并联负载）模块，Three-Phase Transformer（Two Windings）（三相变压器绕组）模块，Three-PhasePI Section line(三相分布传输线路)模块。 3）Machines里Synchronous Machine pu Standad（标么标准同步电机）模块，Excitation System（
30、励磁系统）模块，Hydraulic Turbine and Governor（水轮机及调节器）模块 4）powergui 模块 （2）Simulink常用工具箱：Simulink 模块集Commonly Used Blocks （常用模块）下的 Constant（常量)模块，Bus Selector（信号总线选择器），Terminator(信号终结模块)，Scope(示波器模块)，Ground（接地模块）。 4.2运行效果仿真图4.21 改变故障模块中的短路类型（1） 单相短路接地故障图4.21 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图图4.22 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图（2）两相短路接地故障图4.23 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图图4.24 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图（3）两相短路故障图4.25 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图图4.26 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图（4）三相短路故障 图4.27 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图 图4.28 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图图4.211 故障 0.1s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲
