基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障的研究

蔡銳

摘要：介紹了Matlab/Simulink的基本特點(diǎn)及應(yīng)用Matlab進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真分析的基本方法和步驟。運(yùn)用Matlab電力系統(tǒng)仿真程序SimPowersystems構(gòu)建了一個(gè)單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電力系統(tǒng)的多種故障進(jìn)行了仿真，仿真波形與理論分析結(jié)果相符，說(shuō)明用Matlab對(duì)電力系統(tǒng)故障仿真的方法是可行的。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);仿真;Matlab

一、引言

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，然而實(shí)現(xiàn)的難度卻越來(lái)越大。對(duì)于大型電力系統(tǒng)的研究，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的難度大且危險(xiǎn)性高[1]-[2]。因此，尋求一種最接近于電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工具就變得尤為重要。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了在仿真中得到理想的數(shù)據(jù)及波形，文中選擇了最具有代表性的典型的電力系統(tǒng)單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)認(rèn)為功率無(wú)窮大，頻率恒定，電壓恒定，即對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行近似處理，以簡(jiǎn)化模型，更有利于得出結(jié)論，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程如圖1-1。

圖1-1 單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)

圖1-1中，最左端是發(fā)電機(jī)組，Vt是機(jī)端電壓，XT是變壓器的電抗，XL1和XL2是線路電抗，Vs是無(wú)窮大電源電壓。假設(shè)額定容量Pn=200 MVA，額定電壓Vn=13. 8 kV，額定頻率fn=60 Hz，變壓器的變比k=13.8/230，無(wú)窮大電源電壓Vs=220kV在接下來(lái)的系統(tǒng)仿真模型中，以圖1-1為基礎(chǔ)，用Simulink以及Sim Power Systems中的模塊來(lái)連接組成所需要的系統(tǒng)[4]，再進(jìn)行故障分析。

分析圖1-1知，需要組成系統(tǒng)的幾個(gè)主要部分、分別是發(fā)電機(jī)組、三相變壓器、輸電線路、負(fù)載、故障元件、測(cè)量?jī)x器以及標(biāo)準(zhǔn)電壓源。打開(kāi)電力系統(tǒng)模塊庫(kù)，選擇建模所需要的模塊。使用同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)（Excitation System）和水輪機(jī)調(diào)速器來(lái)組成發(fā)電機(jī)組。在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的參數(shù)設(shè)置時(shí)，Pn、Vn、fn按照上述的額定值進(jìn)行設(shè)置，轉(zhuǎn)子類型為凸極，其余相可用模塊的默認(rèn)值。三相變壓器選擇雙繞組三相變壓器（Three-Phase Transformer），將變比設(shè)置為13. 8/230（高壓側(cè)額定電壓為220 kV），低壓繞組采用三角形接法，高壓繞組采用星型接地。采用分布參數(shù)輸電線路模型模擬220 km的高壓線。另外，將標(biāo)準(zhǔn)電壓源的容量設(shè)置成1010來(lái)模擬無(wú)窮大系統(tǒng)。仿真模型如圖1-2所示。

圖1-2系統(tǒng)的仿真圖

圖1-2中，短路故障是用三相故障元件來(lái)模擬的，在該模塊的參數(shù)設(shè)置中選擇A相以及接地故障，并將故障電阻Ron和接地電阻Rg都設(shè)為0.001Ω（很小，但不能為零）。故障時(shí)間段可通過(guò)TransitionTimes來(lái)安排，故障起始時(shí)間和切除時(shí)間分別為0.13 s和0.25 s。對(duì)上述模型進(jìn)行仿真前，需要選擇仿真步長(zhǎng)的算法，由于電力系統(tǒng)是帶發(fā)電機(jī)的剛性系統(tǒng)[5]，因此采用ode15s， ode23tb算法，仿真停止時(shí)間設(shè)定為0.60 s。其余模塊的參數(shù)設(shè)置都要根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行適當(dāng)修改，在此不再作過(guò)多敘述。經(jīng)過(guò)一系列選擇設(shè)置后，就可以對(duì)系統(tǒng)仿真了。

（二）仿真分析

系統(tǒng)正常實(shí)電壓仿真結(jié)果，如圖2-3所示

圖2-3系統(tǒng)正常運(yùn)行電壓仿真圖

系統(tǒng)正常時(shí)電流仿真結(jié)果，如圖2-4：

圖2-4系統(tǒng)正常運(yùn)行電流仿真圖

首先進(jìn)行A相接地短路仿真。

電壓的仿真結(jié)果如圖2-5所示

圖2-5電壓的仿真結(jié)果

分析：當(dāng)A相發(fā)生接地短路故障時(shí)A相電壓降為零，非故障想即BC兩項(xiàng)電壓上升我線電壓，其夾角為60°，切除故障后各相電壓水平較原來(lái)升高這是中性點(diǎn)電位升高導(dǎo)致的[6]。

電流的仿真結(jié)果如圖2-6所示

圖2-6電流的仿真結(jié)果

分析：當(dāng)A相發(fā)生接地短路故障時(shí)，BC兩項(xiàng)電流迅速變?yōu)榱悖@與理論分析的結(jié)果一致。

發(fā)生兩項(xiàng)短路時(shí)的理論計(jì)算：發(fā)生故障時(shí)非故障相的電流為零，另外兩項(xiàng)的電流和為零，發(fā)生兩項(xiàng)短路的電壓相等。

發(fā)生兩項(xiàng)短路時(shí)電流仿真圖，如2-7所示。

圖2-7電流仿真圖

分析：由電流的仿真圖可以看出，非故障相的電壓變?yōu)榱肆?，而另外兩?xiàng)的電流的加和為零這與理論計(jì)算的結(jié)果相符[7]。

發(fā)生故障時(shí)電壓仿真圖，如圖2-8所示。

圖2-8 電壓的仿真圖

分析：在AB兩相發(fā)生短路故障時(shí)，非故障相C相電壓波形幅值增大。A相和B相電壓降為0，這與理論計(jì)算相符[7]。

發(fā)生三相短路時(shí)的理論分析：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)，這是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障，當(dāng)此故障發(fā)生時(shí)，三相的電流會(huì)快速的增大，三相的電壓會(huì)降快速的減小。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)系統(tǒng)電流仿真圖，如圖2-9所示。

圖2-9電流的仿真圖

分析：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障相各相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開(kāi)狀態(tài)，因而電流為0.在0.01s時(shí)，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電路發(fā)生三相短路，故障點(diǎn)各相電流發(fā)生變化，由于閉合時(shí)有初始輸入量和初始狀態(tài)量，因而故障點(diǎn)各相電流波形上升。在0.05s時(shí)，三相短路故障發(fā)生器打開(kāi)，相當(dāng)于排除了此故障，此時(shí)故障各相電流迅速下降為0。

發(fā)生故障是電流的仿真圖，如圖2-10所示。

圖2-10電壓仿真圖

分析：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障相各相電壓由于三相故障發(fā)生器處于斷開(kāi)狀態(tài)，因而電壓不為零，在0.01s時(shí)，三相短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電流發(fā)生三相短路，故障點(diǎn)各相電壓發(fā)生變化，故障點(diǎn)各相電壓都將為0，在0.05s時(shí)，三相短路故障發(fā)生器打開(kāi)，相當(dāng)于排除了故障，此時(shí)故障點(diǎn)各相電壓迅速恢復(fù)[8]。

三、結(jié)論

通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng)模型，利用Matlab進(jìn)行建模仿真分析，仿真結(jié)果表明Matlab具有強(qiáng)大的仿真功能。它這種模塊化的建模仿真分析方法避免了繁雜冗長(zhǎng)的編程過(guò)程，且仿真結(jié)果逼近系統(tǒng)實(shí)際行為，是電力系統(tǒng)分析的理想工具。它方便、實(shí)用、靈活的特點(diǎn)為電力系統(tǒng)研究者提供了一個(gè)有效的研究平臺(tái)。

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