2003年 基于Matlab的电力系统故障的仿真分析

JournalofNanhuaUniversity(Science&EngineeringEdition)Vol.17No.4Dec.2003文章编号:1006-737X(2003)04-0045-03

基于Matlab的电力系统故障的仿真分析

盛义发,唐耀庚,苏泽光,赵宇红

(南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001)

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.通过对具有同步发电机光控励磁系统的电力系统故障仿真分析,结果表明了该方法能较准确直观地考察暂态过程中电力系统的动态特性,说明了Mat2lab在电力系统仿真中的强大的功能.关键词:电力系统;暂态;仿真;atlab中图分类号:TP391.9　　　文献标识码:B

SimulationandAnalysisofPower

SystemFailureBasedonMatlab

SHENGYi2fa,TANGYao2geng,SUZe-guang,ZHAOYu2hong

(SchoolofElectricalEnginering,NanHuaUniversity,Hengyang,Hunan,China421001)Abstract:ThebasiccharactericsofMatlabΠSimulinkandthebasicmethodandprocessofap2plicationofMatlabinthesimulationofpowersystemareintroducedinthepaper.PowerfulfunctionsofMatlabinthesimulationofpowersystemareshownbythesimulationofpowersys2temfailurewithoptically-controlledexcitationsystemforsynchronizationgenerator.Theresultshowsthatthedynamicbehaviorofpowersystemduringtransientprocessescanbeobservedquiteaccuratelyanddirectly.

Keywords:powersystem;transientprocesses;simulation;Matlab

　　计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段,由于Matlab具有很良好的开发性、高效的数据仿真分析,特别是信号处理和直观的图形显示功能,且Matlab/Simulink环境下的PSB模型库及Simulink强大的二次开发功能和丰富的工具箱,能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算.因此,它已成为电力科研工作者和工程技术人　　收稿日期:2003-08-31

员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具.

文章介绍了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,探讨了综合利用其Simulink环境、电力系统模块库和相关工具进行电力系统的控制设计和仿真分析,通过对具有同步发电机光控励磁系统的电力系统故障仿真分析,说明了Matlab在电力系统

基金项目:南华大学高等教育改革与研究课题(03Z009).

作者简介:盛义发(1973-)男,湖南衡阳人,南华大学电气工程学院讲师,在读硕士研究生.研究方向:电力系统及

其自动化、电力电子技术.

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南华大学学报(理工版)　　　　　　　　　　　　　　2003年12月

仿真中强大的功能.

1　应用Matlab/Simulink进行电力系

统仿真分析的基本方法

1.1　Simulink环境下仿真工具

图形编辑器(PowerSystemBlockset以下简称PSB)是一个图形编辑器工具,在Simulink环境下能建立电力系统原理并进行仿真计算.PSB库提供了电力系统仿真通用的元件和装置,包括RLC

支路和负载、变压器、传输线、避雷器、电机、电力电子装置等.只需通过点击和拖放PSB库内的模型即可建立用户所需要的电力系统仿真原理图,并利用模型元件的对话框来设置相关参数.使用Simulink提供的示波器模型,可显示观测点处的仿真结果及其波形.1.2　模型库

根据电力系统各种电气设备特性,可将PSB库内的模型分为电源、元件、电力电子器件、电机、连接器和测量等部分.元件包括单相RLC支路和和

π型传输线、负载模块、变压器、互感器、避雷器、断

路器、n相分布参数线路模型等.利用Simulink二次开发功能,可方便地编辑出更复杂的元件模型和集成参数对话框.电力电子包括通用的半导体元件,每个元件(除二极管外)都有门极控制输入端和Simulink输出端,可显示开关的电压和电流值.电机包括简化的和详细的同步电机、异步电机、励磁机、永磁同步电机和涡轮机等.每个模块有一个Simu2link输出来显示内部变量状态值.1.3　仿真方法和步骤

Matlab实现对电力系统的仿真和分析至少有

二种独立的方法.

1)传统的编程方法,即通过大量的代码来实现电力系统的建模、稳态计算和暂态分析等等;但由于Matlab提供了用户可以直接调用已有的高性能数值计算.如矩阵求逆、数值微积分等等,较使用C或Fortran语言开发其源程序却要简洁得多,可节省大量内存空间和开发时间.

2)Simulink平台上进行仿真分析,按建模方法分为器件级仿真(又称为物理建模)和系统仿真(又称为数学建模).其中器件级仿真是利用Mat2lab的PSB中固有元件模型构建新元件的物理模型,该方法一般适用于探讨元件的内部性能;系统仿真是利用MatlabΠSimulink中的控制模块来构建新元件的数学模型,该方法是研究元件的外部特性.在MatlabΠSimulink平台上,借助于鼠标点击和

拖放以及一些必要的参数设置即可实现对电力系统的稳态和暂态分析,并可方便地研究各种先进的控制方法对电力系统的控制效果.实际上,在实际应用中,特别是对复杂电力系统的仿真分析,两种方法通常交替融合使用.

应用Matlab进行电力系统仿真的主要步骤为:a系统模型的建立;b设置仿真参数和控制算法的实现;c进行动态仿真(包括稳态分析和暂态仿真);d结果分析.

2　仿真实例

使用Matlab6.0的Simulink建立单机对无穷大系统的仿真模型如图(1)所示.单机即光控励磁

图1　光控励磁同步发电机系统故障模型

Fig.1　Powersystemfailuremodelwithoptically-controlledexcitationsystemforsynchronizationgenerator

第17卷第4期　　　　　　　　　　盛义发等:基于Matlab的电力系统故障的仿真分析47

系统同步发电机;无穷大系统模型,用powerlib中inductivesourcewithneutral模块表示;发电机模型(synchronousmachine)、变压器模型(lineartrans2formerd,yg)以及调速系统模型(hydraulicturbineandgovernor即HTG);系统负荷10mV;故障时间由Timer模块控制.powergui模块中的machineloadflow;Bustype为pvgenerator;仿真参数如下:

[1]

同步发电机容量200MW;UAB=15.75kV;变压器容量240MVA;电压变比15.75kVΠ230kV.

其仿真结果:

当Fault模块为单相故障时,模块内部构成如图2(a)所示,以A相故障为例.

其中负荷为10MW,选择SimulationΠStart按钮,开始仿真.在t=1s发生故障切除后母线电

流、电压波形,用Matlab6.0中Subplot及Plot命令绘出仿真结果,如图3(a)所示.

当Fault模块为两相接地故障时,见图2(b),以A、B两相短路,测得A相电压、电流波形,如图3(b)所示.

当Fault模块为三相接地故障时,见图2(c),测得A相电压、电流波形,如图3(c)所示.由上述三种短路故障时的仿真波形图可看出光控励磁系统同步电机-无穷大系统在故障过程中的动态响应过程,恢复正常运行时的电压基准值相对稳定.

图2　Fault模块故障模型

Fig.2　Failuremodelsofthefaultblockset

图3　故障电压波形图

Fig.3　Voltagewaveformofthefailure

(下转第51页)

第17卷第4期　　　　　　　　　　　　李剑敏等:压力锅体有限元应力分析51

压力锅的强度就由该部位控制.从计算结果可以看到,当锅内压力为80KPa时,牙边缘处的应力是88.7MPa,而当锅内压力达到泄压压力160KPa时,该处的应力达到177.4MPa.因此,如何降低锅牙处的应力成为压力锅设计与分析的一个焦点.

3)压力锅其余部位的应力在表1中均不大.如,当锅内压力达到160KPa时,锅底部分的应力是34.3MPa,牙槽部分是47.4MPa,离材料的极限应力较远,具有较多的安全储备.但若考虑到压力锅长期使用下的疲劳以及锅底受热部分在高温下材料性质的降低,则该应力也就是恰当的应力水平了.

本文计算结果是可靠的.牙体及附近是压力锅的最大应力所在部位,其最大应力在报警压力时达到177MPa,当锅内压力进一步增大时,该应力还将增加,直至达到屈服应力和破坏应力而造成压力锅“爆锅”.因此,在压力锅设计时,应对牙部仔细分析,以降低牙部的应力,增加压力锅的安全性.参考文献:

[1]GB13623～2003,铝压力锅安全及性能要求[S].[2]王勖成,邵　敏.有限单元法基本原理和数值方法[M]北京:清华大学出版社.1997.97～98.

[3]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1992.

285～289.

[4]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M]北京:机械工

4　结论

利用有限元软件ANSYS对压力锅进行了三维应力分析,部分数据与薄壁圆桶计算结果对比,

业出版社,2003.103～117.

(上接第47页)

3　结论

通过对整个系统的仿真,可以得到以下结论:

1)Matlab6.0中的PSB是一种专门应用于电力系统动态仿真的工具箱,其中的电力系统的元件模型相当丰富,模糊逻辑控制可通过工具箱中用户界面建立的模糊推理系统FIS(FuzzyInferenceSystem)来实现,用户还可以利用Matlab本身的一些工具来建立自定义模型.

2)当改变元器件本身的参数,如电机的功率、转子和定子的电阻、电感,负载的功率、变压器的容量等,就能实现对电力系统不同工况下运行过程的仿真分析,便于对不同参数和负载情况进行比较.

3)利用Matlab可以方便地进行电力系统潮流

计算、稳态分析、暂态仿真和新元件的设计及测定.界面灵活、开放直观、互动性强等优点.

4)由于PSB简化了开关元件的处理,认为是理想模型,在提高仿真速度、简化电路设计的同时,对系统的暂态过程描述不够精确.参考文献:

[1]盛义发,邓国扬,王浩宇,等.同步发电机新型励磁系

统的研究[J].南华大学学报,2002(4):24～27.

[2]邓国扬,盛义发.基于MatlabΠSimulink的电力电子系统

的建模与仿真[J].南华大学学报,2003(1):1～6.

[3]清源计算机工作室.Matlab6.0基础及应用[M].北京:

机械工业出版社,2001.

[4]何仰赞,温增银,汪馥英,等.电力系统分析[M].武

汉:华中理工大学出版社,1996.