基于Matlab/Simulink的电力系统故障仿真与分析 |
| 2013-01-29 09:36 作者：孙浩 李艳 张玉欣 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，以单机—无穷大系统为例，研究系统发生短路故障后故障点的电压电流情况。利用Matlab软件，在Simulink仿真平台上搭建短路故障模型进行仿真，仿真波形符合理论分析，表明Matlab具有强大的仿真功能，有助于提高电力系统研究和设计的效率和可信度。
关键词：电力系统；短路故障；Simulink
0引言
电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，对国民经济起着非常重要的作用。随着电力工业的发展，在电力系统的研究、规划设计中，仿真软件的应用越来越广泛。MATLAB仿真软件简单易学，使用方便，且提供了丰富的工具箱资源。对于电力系统仿真，常用的模块库为标准SIMULINK模块库和电力系统模块库。在Simulink仿真平台上搭建电力系统模型，若工具箱中现有元件模型达不到系统仿真的要求，可以建立子系统并进行封装【1】，使我们可以更加深入地研究电力系统的行为特性。
本文主要利用Matlab软件，在Simulik仿真平台搭建模型，设置参数，对系统短路故障进行仿真，仿真波形与理论分析相符。
1电力系统短路故障仿真
电力系统的故障可分为简单故障和复合故障。简单故障指的是电力系统中某一处发生短路或断相故障的情况，而复合故障则是指两个以上简单故障的组合。短路故障包括三相短路、单相接地短路、两相短路和两相短路接地；断相故障包括断一相、断两相故障。
电力系统在运行中，由于多种原因，难免会出现故障，而使系统的正常运行遭到破坏，各种短路故障是破坏电力系统正常运行最为常见且危害最大的故障。因此本文以短路故障为例建模仿真。
1.1仿真模型的建立
单机－无穷大系统模型，是简单电力系统分析的最基本，最主要的研究对象。无穷大系统的容量无限大（相对概念），并且该系统的电压和频率在短路后的暂态过程中保持不变。故本文选择该系统作为建模对象，以简化分析和计算过程。单机无穷大系统如图1所示。
图1单机无穷大系统
图中，UG为发电机组机端电压，XT为变压器的电抗，XL1和XL2是线路电抗，Us是无穷大电源电压。
1.2仿真模型及参数设置
单相接地短路故障仿真模型如图2所示。
图2系统仿真模型
模块参数设置：系统频率为50Hz，发电机组转子类型（Rotortype）为凸极（Salient-Pole），容量设置为200MVA，额定电压为13.8KV。三相双绕组变压器（Transformer），变比设置为13.8/230，绕组连接方式为。线路长度为220km。标准电压源的容量设置为10000MVA来模拟无穷大系统，无穷大电源电压US=220kV。用三相故障元件来模拟短路故障，通过参数设置，该模块可以对相—相和相—地故障进行模拟。通过Transitiontimes可设置故障时间段，故障起始时间设为0.1s，切除时间设为0.25s。其余参数可用模块的默认值。
仿真参数设置：仿真开始时间和终止时间分别0.0s和0.60s；由于电力系统是带发电机的刚性系统，仿真算法可选取ode15s和ode23tb【2】，为得到更准确、快速的解，本文采用ode23tb算法。
1.3仿真结果分析
单相接地短路时故障点电压电流波形如图3所示。
（a）故障点A相电压（b）故障点A相电流
（c）故障点B相电压（d）故障点B相电流
（e）故障点C相电压（f）故障点C相电流
图3单相接地短路时故障点电压、电流波形
仿真开始时，系统处于正常运行状态，电压电流波形都按正弦波变化，在0.1s时A相发生接地短路故障，从图3的（a）故障点A相电压波形图中可以看到A相对地电压剧降为零，B，C两非故障相电压仍按正弦波变化；故障前，A、B、C三相的对地电流均为0，A相接地短路后，A相电流迅速增大，短路电流峰值达到大约为5500A，B、C两相对地电流仍为0。故障后三相电压、电流不再对称，0.25s故障切除后，三相电压电流经暂态后达到新的稳定状态，波形符合理论分析。
两相短路，两相短路接地，三相短路的故障仿真模型搭建与单相接地短路故障仿真模型相同，三相故障模块的参数设置根据不同的短路类型做相应的修改。如A、B、C三相短路故障需选择A相、B相和C相，不选接地选项（GroudFault）。
3结论
本文以单机—无穷大系统为例，在MATLAB/Simulink仿真平台上建立该系统模型，进行短路故障仿真，研究系统发生短路故障后故障点的电压电流情况。仿真结果表明，Matlab具有强大的仿真功能，有助于提高电力系统研究和设计的效率和可信度，是电力系统仿真研究的有力工具。
作者简介：
孙浩（1979-），女，满族，吉林伊通人，吉林化工学院信息与控制工程学院电气工程系讲师，主要从事电能质量，电力系统安全性和稳定性分析的研究工作。
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