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1、MATLAB实训指导书一、Simulink中电力系统模块库简介 图1 电力系统模块库1) 电源模块电源元件库中包含7种电源元件，如图2所示，分别是直流电压源（DC Voltage Soures）元件、交流电压源（AC Voltage Soures）元件、交流电流源（AC Current Soures）元件、受控电压源（Controlled Voltage Soures）元件、受控电流源（Controlled Current Soures）元件、三相电源（3-phase Soures）元件和三相可编程电压源（3-phase Programmable Voltage Soures）元件。图2 电源
2、元件库2) 线路元件模块 线路元件库中包含了各种线性网络电路元件和非线性网络电路元件。双击线路元件库图标，弹出线路元件库对话框，如图3所示，图中包含了4类线路元件，分别是支路（Elements）元件、输配电线路（Lines）元件、断路器（Circult Breakers）元件和变压器（Transformers）元件。图3 线路元件库3 ) 电力电子元件库电力电子模块库包括理想开关（Ideal Switch）、二极管（Diode）、晶闸管（Thyristor）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘门极晶体管（IGBT）等模块，此外还有2个附加的控制模块组和一个整流桥，如图4
3、所示。图4 电力电子元件4 ) 电机元件库电机元件库包括同步电机（Synchronous Machines）、异步电机（Asynchronous Machines）、直流电机（DC Machines）、调节器（Prime Movers and Regulators）和电机输出测量分配器（Machines Measurements）等。如图5所示。图5 电机元件库5) 连接器元件连接器模块库包括10个常用的连接器模块，如图6所示。图6 连接器元件6) 测量元件测量元件库包含电压表、电流表、万用表和各种附加的子模块等，如图7所示。 图7 测量元件库7） 附加和演示模块 附加模块包括了上述各元件库中
4、的附加元件，演示模块主要提供一些演示实例。8） 电力系统分析元件 电力系统分析元件模型是用来分析电路和电力系统的工具。MATLAB软件提供的电力系统分析元件是一种功能强大的电力系统分析工具，如图8所示，使用电力系统分析工具可以进行稳态和暂态的频域分析，主要包括：图8 电力系统分析元件 Powergui 模块可以显示系统稳定状态的电流和电压及电路所有的状态变量值； 为了执行仿真，Powergui 模块允许修改初始状态； Powergui 可以执行负载潮流的计算，并且为了从稳态时开始仿真可以初始化包括三相电机在内的三相网络，三相电机的类型为简化的同步电机、同步电机或异步电机模块； 当电路中出现阻抗
5、测量模块时，Powergui也可以显示阻抗随频率变化的波形； 如果用户拥有控制工具箱，Powergui模块可以产生用户自己系统的空间模块，自动打开 LTI 相对于时域和频域的观测器接口； Powergui 可以产生扩展名为 .rep 的结果报告文件，这个文件包含测量模块、电源、非线性模块等系统的稳定状态值。一、 单机-无穷大系统模型建立与仿真运用simulink建立简单的单机-无穷大系统进行仿真，对系统运行出现短路情况时的仿真结果进行详细的分析。1、系统模型及仿真图图9 单机-无穷大系统模型图10 单机-无穷大系统仿真图2、仿真内容2.1 发电机出口短路仿真结果将三相电路短路故障发生器的故障相
6、选择中三相故障都选择，并选择故障相接地选项。2.1.1故障点电流波形图在发电机故障器中的测量选项中选择故障电压和电流选项，对故障点的电压和电流进行测量。其它两个故障器均选择不测量选项。1）在万用表元件中选择故障点A相电流作为测量电气量。给出故障点A相电流波形图，并且给出由图形得出的结论2）在万用表元件中选择故障点B相电流作为测量电气量。给出故障点B相电流波形图，并且给出由图形得出的结论。3）在万用表元件中选择故障点C相电流作为测量电气量。给出故障点A相电流波形图，并且给出由图形得出的结论。4）在万用表元件中选择故障点A相、B相、C相电流作为测量电气量。给出故障点A相、B相、C相电流波形图。2.
7、1.2故障点的电压波形图在万用表元件中选择故障点A相、B相和C相电压作为测量电气量。给出故障点A相、B相和C相电压波形图及得出结论。2.1.3发电机端电流波形1）在向量选择器中分别选择故障点A、B、C三相电流作为测量电气量。分别给出故障点A、B、C三相电流波形并给出相应的结论。2）在万用表元件中选择发电机三相电流作为测量电气量，给出发电机三相电流波形图。2.1.4 发电机端电压波形在向量选择器中分别选择发电机A、B、C三相相电压作为测量电气量。分别给出发电机A、B、C相电压波形并给出相应的结论。在万用表元件中选择发电机三相电压作为测量电气量，得出发电机三相电压波形图及结论。2.1.5变压器端短
8、路电流和短路电压波形1）在万用表元件中选择变压器三相电流作为测量电气量，得变压器电流波形及相应结论。2）在万用表元件中选择变压器三相电压作为测量电气量，得变压器电压波形及相应结论。2.2变压器端发生短路仿真结果分析设置完电路图后，将仿真参数中的开始时间改为0.5s和结束时间改为0.8s，将变压器短路故障器选项中选择测量故障电压和电流选项，进行该故障点的电压和电流的测量，其他两个故障器均选不测量选项。进行电路仿真，查看仿真波形图。2.2.1故障点电流波形图1）在万用表元件中分别选择故障点A、B、C相电流作为测量电气量。得到故障点A、B、C相电流波形图并给出结论。2）在万用表元件中选择故障点A相、
9、B相、C相电流作为测量电气量。得出故障点A相、B相、C相电流波形图。3）在万用表元件中选择故障点A相、B相、C相电压作为测量电气量。得出故障点A相、B相、C相电压波形图给出相应结论。2.2.2变压器短路电流波形1）在向量选择器中分别选择变压器A相电流作为测量电气量。分别给出变压器A、B、C三相电流波形图及结论。2）在万用表元件中选择变压器三相电流作为测量电气量，给出变压器三相电流波形图。2.2.3变压器短路电压波形1）在向量选择器中分别选择变压器A、B、C相电压作为测量电气量。给出A、B、C三相电压波形图及相应的结论。2）在向量选择器中选择变压器ABC三相作为测量电气量，给出变压器三相电压波形
10、图。2.2.4变压器短路时发电机的电流和电压波形1）在向量选择器中选择发电机三相电流作为测量电气量，给出发电机三相短路波形图及结论。2）在向量选择器中选择发电机三相电压作为测量电气量，给出发电机电压波形图及结论。2.3 线路末端发生短路仿真结果分析设置完电路图后，将仿真参数中的开始时间改为0.8s和结束时间改为1.2s，将变压器短路故障器选项中选择测量故障电压和电流选项，进行该故障点的电压和电流的测量，其他两个故障器均选不测量选项，查看仿真波形图。2.3.1故障点的电流波形在万用表元件中选择故障点的故障电流作为测量电气量，给出故障点短路电流波形图及相应结论。2.3.2 故障点的电压波形在万用表
11、元件中选择故障点电压作为测量电气量，给出故障点电压波形图及相应结论。2.3.3发电机端电流波形 在万用表元件中选择发电机电流作为测量电气量，给出发电机电流波形图及结论。2.3.4发电机端电压波形 在万用表元件中选择发电机电压作为测量电气量，给出发电机电压波形图及结论。2.3.5变压器端电流波形在万用表元件中选择变压器电流作为测量电气量，给出变压器电流波形图，及相应结论。2.3.6变压器端短路电压波形 在万用表元件中选择变压器电压作为测量电气量，给出出变压器电压波形图及相应的结论。二 带励磁系统的电力系统分析目前的发电机都带有自动调节系统，其作用是在发电机电压变动时，能自动地调节励磁电流，维持发
12、电机端的电压在一定的范围内。4.1 基于simulink的基本模型建立Simulink模型建立包括以下元件：发电机、水轮机调节器、励磁系统、电机测量元件、断路器、变压器、负载、输电线路、短路故障器、无穷大电源等。如图4-1所示。图4-1 带励磁的系统仿真模型4.2 设计流程1）从电机元件库中选择基本的同步电机（Synchronous Machine Pu Standard）元件，复制后粘贴在电路图中，如图4-2所示。步骤一：将基本同步发电机元件名称改为：发电机。步骤二：双击同步发电机元件，在其元件参数对话框中进行设置，如图4-2所示。基本同步发电机元件对话框总包括9个选项，分别是转子类型，电机
13、的额定参数，定子的参数（电阻Rs，漏感Lls、Lmd、Lmq）励磁绕组参数（电阻Rf、漏感Llfd），阻尼绕组（d轴电阻Rkd、漏感Llkd，q轴电阻Rkql、漏感Llkq），机械特性参数（转动惯量、摩擦系数和极对），初始状态（速率的偏差、转角、线电流幅值、相位角和励磁电压）等。发电机元件参数设置如下： 转子类型（Rotor type）：凸极式 额定参数（Nominal power,volt and freq）： 186e6 10.5e3 50 1037 定子参数（stator）： 2.907e-3 3.089e-4 3.216e-3 9.715e-4 励磁绕组（field）： 5.9013e
14、-4 3.07e-4 阻尼绕组（Dampers）： 1.19e-2 4.9e-4 2.00e-2 1.036e-3 机械特性参数（Mechanical）： 3.895e6 0 15 初始状态（Initial conditions）： 0 0 0 0 0 0 0 0 61 图4-2 发电机元件及参数对话框单击OK按钮完成发电机元件参数的设置。2）从电机元件库中选择电机测量（Meachine Measurement）元件,复制后粘贴在电路图中，如图4-3所示。双击电机测量元件，在电机测量元件参数对话框中进行设置，如图4-3所示。电机测量元件参数设置如下：在对话框中选择定子电流（Stator cur
15、rents），转子电压（Stator voltage ），转速（Rotor Speed），转速偏差（Rotor Speed deviation）和功率（Output active power） 选项。图4-3 电机测量元件及参数对话框单击OK完成对发电机测量元件参数设置。3)从电机元件库中选择励磁系统（Excitation system）元件,复制后粘贴在电路图中，如图4-4所示。图4-4 发电机励磁系统及参数对话框双击励磁系统元件，在励磁系统元件参数对话框中进行设置，参数设置如下：滤波器的时间常数（Low-pass filter time constant）：20e-3增益和时间常数（Reg
16、ulator gain and time constant）： 300 0.001 励磁（Exciter）： 1 0 瞬态增益减少（Transient gain reduction ）： 0.0 0.0 阻尼滤波器的增益和时间常数（Damping filter gian and time constant）： 0.01 0.011 调节器的输出和增益（Regulator output limits and gain）： -11 11 0 初始电压和励磁电压（Regulator values of terminal voltage and fidls voltage）： 1 1.28 单击OK完
17、成对励磁系统元件参数设置4) 从电机元件库中选择水轮机调节系统（HTG）元件,复制后粘贴在电路图中，如图4-5所示。图4-5 水轮机调节系统及参数对话框双击水轮机调节器，在其参数对话框中进行如下设置：电机参数（Servo-motor）： 10 0.01 导叶开度（Gate opening limits）: 0.01 0.9715 -0.1 0.1 参数下降及调节（Permanent droop and regulator）： 0.05 1.163 0.105 0 0.01 水轮机参数（Hydraulic turbine）： 0 2.67 下降参数（Droop reference）：0初始功率（
18、Initial mechanical）：1步骤三：设置施于水轮机上的参考速度。该参考速度使用一个常数发生器来设置，如图3-13所示。将常数发生器元件名称改为：参考速度。双击常数发生器元件对话框，如图3-13所示。设置常数数值为1（为标幺值），作为参考速度值。步骤四：设置参考功率。参考功率值使用常数发生器来设置，如图3-13所示。 将常数发生器元件名称改为：参考功率。双击常数发生器元件对话框，如图3-13所示。将常数数值改为1（为标幺值），作为参考功率值。5）从测量元件库中选择三相电压电流测量（3-phase VI Measurement）元件，复制后粘贴在电路图中，如图3-14所示。双击三相电
19、压-电流测量元件，在三相电压-电流测量元件参数对话框中进行设置，如图3-14所示。在三相电压-电流测量元件参数对话框设置参数如下：电压测量（Voltage measurement）包括3个选项，分别是不测量电压（no），测量相电压（phase-to-phase）和测量线电压（phase-to-ground），选择测量线电压选项，用来测量发电机突然短路后三相电压的变化。电流测量（Current measurement）选择测量（yes）选项。单击OK按钮完成对三相电压-电流测量元件参数的设置。6）从线路元件库中选择三相电路短路故障发生器元件，复制后粘贴在电路图中，如图3-15所示。步骤一：将三相
20、电路短路故障器的名称改为：发电机短路故障器。步骤二：双击三相电路短路故障发生器元件，在三相电路短路故障发生器元件参数对话框中进行设置，如图3-15所示。三相电路短路故障发生器元件参数对话框中包括10各选项，分别是故障相选择（Phase Fault）、故障点电阻（Fault resistances Ron）、故障相接地（Ground Fault）、外部控制（Exeternal contorl of fault）、转换状态（Transition status）、转换时间（Transition times）、内部计时器的采样时间（Sample time of the Ts）、缓冲电阻（Snubber
21、 resistance Rp）、缓冲电容（Snubber Capacitance Cp）和测量（Measurements）。参数设置如下：故障点电阻（Fault resistances Ron）：0.001故障点接地电阻（Ground resietances Rg）：0.001转换状态（Transition status）： 1 0 转换时间（Transition times）： 0.2 0.3 内部计时器的采样时间（Sample time of the Ts）：0缓冲电阻（Snubber resistance Rp）：1e6缓冲电容（Snubber Capacitance Cp）：inf测量
22、（Measurements）：选择测量故障电压和电流选项单击OK按钮完成对三相电路短路故障发生器的设置。步骤三：同样的方法设置另一三相电路短路故障发生器，将名称改为无穷大故障器，作为无穷大短路故障，将参数对话框中的转换时间改为 0.6 0.7 ，其余的参数同上。7）从线路元件库三相断路器元件，复制后粘贴在电路图中，如图3-16所示。双击三相短路器元件，在三相短路器元件参数对话框中进行设置，如图3-16所示，三相短路器元件参数对话框包含以下选项：初始状态（Initial status of breakers）；故障相选择（Switching of A、B、C）；转换时间（Transition t
23、ime）；内部计时器的采样时间（Sample time of the Ts）；外部控制时间（Extarnal control of switching times）；断路器电阻（Breakers resistance Ron）；迟滞电阻（Snubbers resistance Rp）；迟滞电容（snubbers capacitance Cp）和测量（Measurements）。三相断路器的参数设置如下：初始状态（Initial status of breakers）：打开（open）故障相选择（Switching of A、B、C）： A、B、C三相都选择转换时间（Transition tim
24、e）： 0.1 内部计时器的采样时间（Sample time of the Ts）：0外部控制时间（Extarnal control of switching times）：不选断路器电阻（Breakers resistance Ron）：0.001迟滞电阻（Snubbers resistance Rp）：1e6迟滞电容（snubbers capacitance Cp）：inf测量（Measurements）：选择不测量选项单击OK按钮完成对三相短路器的设置。同样的方法设置另一三相断路器的参数。8） 从线路元件库中选择三相变压器元件，复制后粘贴在电路图中，如图3-18所示。步骤一：将变压器的名
25、称改为：10.5/110kv主变。步骤二：双击三相变压器元件，在变压器元件参数对话框中进行设置，如图3-18所示。变压器元件参数对话框包含以下选项：额定功率和频率（Nominal power and frequency）；原边绕组接法（winding1 connaction）；原边绕组参数（winding parancters）；副边绕组接法（winding2 connaction）；副边绕组参数（winding parancters）；磁阻（Magnetiration resistance Rm）；磁感（Magnetiration reactance Lm）和测量（Measurements）
26、。变压器参数设置如下：额定功率和频率（Nominal power and frequency）： 1e6 50 原边绕组接法（winding1 connaction）：选择Dleta(D11)接法原边绕组参数（winding parancters）： 10.5e3 0.002 0.08 副边绕组接法（winding2 connaction）：选择Yg接法副边绕组参数（winding parancters）： 110e3 0.002 0.08 磁阻（Magnetiration resistance Rm）：500磁感（Magnetiration reactance Lm）：500测量（Measu
27、rements）：选择不测量选项单击OK按钮完成对三相变压器的设置。步骤三：同样的方法设置另一三相变压器，将变压器名称改为：10.5/0.4kv厂变，作为厂变。参数设置如下：额定功率和频率（Nominal power and frequency）： 250e3 50 原边绕组接法（winding1 connaction）：选择Y接法原边绕组参数（winding parancters）： 10.5e3 0.002 0.08 副边绕组接法（winding2 connaction）：选择Yn接法副边绕组参数（winding parancters）： 0.4e3 0.002 0.08 磁阻（Magne
28、tiration resistance Rm）：500磁感（Magnetiration reactance Lm）：500测量（Measurements）：选择不测量选项单击OK按钮完成对三相变压器的设置。9）从线路元件库中选择三相分布参数传输线元件，复制后粘贴在电路图中，如图3-18所示。步骤一：将分布参数传输线元件名称改为：输电线路。步骤二：双击分布参数传输线元件，在分布参数传输线元件参数对话框中进行设置，如图3-18所示。参数设置如下：线路相数（Number of phase N）：3用于电阻、电感和电容的频率（Frequency used for RLC per unit length
29、）：50单位长度电阻（resistance per unit length）： 0.01273 0.386 单位长度电感（Inductance per unit length）： 0.9337e-3 4.1264e-3 单位长度电容（Capacitance per unit length）： 12.74e-9 7.751e-9 线路长度（Line Length）：3000测量（Meadurements）：选择不测量电气量单击OK按钮完成对三相分布参数传输线的设置。10）从线路元件库中选择三相串联RLC负载元件，复制后粘贴在电路图中，如图3-19所示。步骤一：将三相串联RLC负载元件的名称改为：
30、线路负荷。步骤二：双击三相串联RLC负载元件，在三相串联RLC负载元件参数对话框中进行设置，如图3-20所示。三相串联RLC负载元件参数对话框包含5个选项，分别是额定相电压（Nominal phase-phase voltage），额定频率（Nominal frequency），三相有功功率（Three-phase active power P），三相感性无功功率（Three-phase inductive reactive power Ql），三相容性无功功率（Three-phase capacitive reactive power Qc）选项。三相串联RLC负载元件参数设置如下：额定相电
31、压（Nominal phase-phase voltage）：10.5额定频率（Nominal frequency）：50三相有功功率（Three-phase active power P）：50e6三相感性无功功率（Three-phase inductive reactive power Ql）：0三相容性无功功率（Three-phase capacitive reactive power Qc）：0单击OK按钮完成对三相串联RLC负载元件参数的设置 步骤三：同样的方法设置另外两个三相串联RLC负载元件。11）从电源元件库中选择理想三相电源（3-phase Source）元件，复制后粘贴在电
32、路图中，如图4-6所示。双击理想三相电源元件，在理想三相电源元件参数对话框中进行设置，如图4-6所示。三相电源元件参数设置如下：相电压有效值（Phase-to-Phase rms voltage）：350e3A相相角（phase angle of phase A）：-30频率（Frenquency）：50内部连接方式（Internal connection）：选择Yg选项三相电源电阻（Source resistance）：0.276三相电源电感（Source inductance）：2.93e-3图4-6 三相电源元件及参数对话框单击OK按钮完成对理想三相电源元件参数的设置12）在指令窗口中键
33、入如下命令：simulink单击回车键后，弹出仿真元件库对话框。在sinks目录下选择示波器元件拖拽到电路图中。复制示波器元件，用于测量其它电气量。13）从电气测量仪器库中选择万用表元件和电压测量元件，复制后粘贴在电路图中。双击万用表元件弹出万用表元件参数对话框，在万用表元件参数对话框中，显示有可测量电气量，选择要测量的电气量进行测量。电源测量元件用于测量发电机A相电压及连接RSM用于励磁系统的反馈。14）从电力系统元件库中选择电力系统分析工具，复制后粘贴在电路图中。15）选择接地元件、节点等，进行合理放置。对电路图进行接线即可完成电路图的绘制。16） 仿真参数设置当电路图设计完成后，对其进行
34、仿真，以达到观察系统稳定运行及发生短路时的状态变化情况。在仿真的菜单选项中，选择仿真菜单，激活仿真参数命令，弹出仿真参数对话框。根据暂态过程时间的估算，对仿真参数进行如下设置：开始时间（Start time）：0.0停止时间（Stop time）：0.5求解程序类型（Type）选项：可变步长（Variable-step），ode23tb(stiff/ TR-BDF2)最大步长（Max step size）选项：自动（auto）最小步长（Min step size）选项：自动（auto）初始步长（Intial step size）选项：自动（auto）相对容差（Relative tolerance）选项：1e-3绝对容差（Absolute tolerance）选项：自动（auto）4.3 仿真过程 设置完电路图和仿真参数后，下面进行电路仿真。1.发电机端短路时电流和电压波形 1）发电机A相短路电压波形2）三相短路，故障点三相电压和电流2. 无穷大短路时电压和电流波形 1）发电机A相短路电压波形2）三相短路，故障点三相电压和电流发电机电流恢复正常运行，从整个波形可以看出，由于发电机带有励磁，电流波动在一定的范围内。图4-12 发电机三相电流在万用表元件中选择故障点的三相短路作为测量电气量，则故障点的电流波4.4 运用电力系统分析工具分析