基于MATLAB的电力系统短路故障的研究

2014-04-29蔡锐

工业设计 2014年7期

蔡锐

摘要：介绍了Matlab/Simulink的基本特点及应用Matlab进行电力系统仿真分析的基本方法和步骤。运用Matlab电力系统仿真程序SimPowersystems构建了一个单机-无穷大系统模型，并在此基础上对电力系统的多种故障进行了仿真，仿真波形与理论分析结果相符，说明用Matlab对电力系统故障仿真的方法是可行的。

关键词：电力系统;仿真;Matlab

一、引言

随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大，对电力系统运行的安全与稳定性要求越来越高，然而实现的难度却越来越大。对于大型电力系统的研究，现场进行科研实验实现的难度大且危险性高[1]-[2]。因此，寻求一种最接近于电力系统实际运行工具就变得尤为重要。

二、系统总体设计

（一）系统设计

为了在仿真中得到理想的数据及波形，文中选择了最具有代表性的典型的电力系统单机—无穷大系统[3]。该系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程如图1-1。

图1-1 单机—无穷大系统

图1-1中，最左端是发电机组，Vt是机端电压，XT是变压器的电抗，XL1和XL2是线路电抗，Vs是无穷大电源电压。假设额定容量Pn=200 MVA，额定电压Vn=13. 8 kV，额定频率fn=60 Hz，变压器的变比k=13.8/230，无穷大电源电压Vs=220kV在接下来的系统仿真模型中，以图1-1为基础，用Simulink以及Sim Power Systems中的模块来连接组成所需要的系统[4]，再进行故障分析。

分析图1-1知，需要组成系统的几个主要部分、分别是发电机组、三相变压器、输电线路、负载、故障元件、测量仪器以及标准电压源。打开电力系统模块库，选择建模所需要的模块。使用同步发电机，励磁系统（Excitation System）和水轮机调速器来组成发电机组。在进行发电机组的参数设置时，Pn、Vn、fn按照上述的额定值进行设置，转子类型为凸极，其余相可用模块的默认值。三相变压器选择双绕组三相变压器（Three-Phase Transformer），将变比设置为13. 8/230（高压侧额定电压为220 kV），低压绕组采用三角形接法，高压绕组采用星型接地。采用分布参数输电线路模型模拟220 km的高压线。另外，将标准电压源的容量设置成1010来模拟无穷大系统。仿真模型如图1-2所示。

图1-2系统的仿真图

图1-2中，短路故障是用三相故障元件来模拟的，在该模块的参数设置中选择A相以及接地故障，并将故障电阻Ron和接地电阻Rg都设为0.001Ω（很小，但不能为零）。故障时间段可通过TransitionTimes来安排，故障起始时间和切除时间分别为0.13 s和0.25 s。对上述模型进行仿真前，需要选择仿真步长的算法，由于电力系统是带发电机的刚性系统[5]，因此采用ode15s， ode23tb算法，仿真停止时间设定为0.60 s。其余模块的参数设置都要根据系统要求进行适当修改，在此不再作过多叙述。经过一系列选择设置后，就可以对系统仿真了。

（二）仿真分析

系统正常实电压仿真结果，如图2-3所示

图2-3系统正常运行电压仿真图

系统正常时电流仿真结果，如图2-4：

图2-4系统正常运行电流仿真图

首先进行A相接地短路仿真。

电压的仿真结果如图2-5所示

图2-5电压的仿真结果

分析：当A相发生接地短路故障时A相电压降为零，非故障想即BC两项电压上升我线电压，其夹角为60°，切除故障后各相电压水平较原来升高这是中性点电位升高导致的[6]。

电流的仿真结果如图2-6所示

图2-6电流的仿真结果

分析：当A相发生接地短路故障时，BC两项电流迅速变为零，这与理论分析的结果一致。

发生两项短路时的理论计算：发生故障时非故障相的电流为零，另外两项的电流和为零，发生两项短路的电压相等。

发生两项短路时电流仿真图，如2-7所示。

图2-7电流仿真图

分析：由电流的仿真图可以看出，非故障相的电压变为了零，而另外两项的电流的加和为零这与理论计算的结果相符[7]。

发生故障时电压仿真图，如图2-8所示。

图2-8 电压的仿真图

分析：在AB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0，这与理论计算相符[7]。

发生三相短路时的理论分析：当系统发生三相短路时，这是电力系统最严重的故障，当此故障发生时，三相的电流会快速的增大，三相的电压会降快速的减小。

当系统发生三相短路时系统电流仿真图，如图2-9所示。

图2-9电流的仿真图

分析：在稳态时，故障相各相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态，因而电流为0.在0.01s时，三相短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点各相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而故障点各相电流波形上升。在0.05s时，三相短路故障发生器打开，相当于排除了此故障，此时故障各相电流迅速下降为0。

发生故障是电流的仿真图，如图2-10所示。

图2-10电压仿真图

分析：在稳态时，故障相各相电压由于三相故障发生器处于断开状态，因而电压不为零，在0.01s时，三相短路故障发生器闭合，此时电流发生三相短路，故障点各相电压发生变化，故障点各相电压都将为0，在0.05s时，三相短路故障发生器打开，相当于排除了故障，此时故障点各相电压迅速恢复[8]。

三、结论

通过一个简单的电力系统模型，利用Matlab进行建模仿真分析，仿真结果表明Matlab具有强大的仿真功能。它这种模块化的建模仿真分析方法避免了繁杂冗长的编程过程，且仿真结果逼近系统实际行为，是电力系统分析的理想工具。它方便、实用、灵活的特点为电力系统研究者提供了一个有效的研究平台。

参考文献：

[1] 彭建飞，任岷，王树锦.Matlab在电力系统仿真研究中的应用[J].计算机仿真， 2005， 22（6）： 193-196.

[2] 都伟杰，张俊芳，刘鹏，等.基于Matlab的电力系统暂态稳定性仿真分析[J].电网与清洁能源， 2009， 25（1）： 17-20.

[3] 盛义发，唐耀庚，苏泽光，等.基于Matlab的电力系统故障的仿真分析[ J].南华大学学报：理工版， 2003， 17（4）： 45-49.

[4] 周兆庆，陈星莺.Matlab电力系统工具箱在电力系统机电暂态仿真中的应用[ J].电力自动化设备， 2005， 25（7）： 38-40.

[5] 张少如，李志军，吴永俭，等.Matlab与电力系统仿真[J].河北工业大学学报， 2005， 34（6）： 5-9.

[6] Xia tao. Power system analysis [M]. Beijing： China power press， 2004.