工厂供电实验报告

福建农林大学金山学院

《工厂供电》实验报告

学年学期：2018-2019第一学期

专业年级： 2015级电气工程及其自动化学号： 156712121

姓名：阮迪

指导教师：郭巧惠

职称：讲师

信息与机电工程系

实验项目列表

金山学院信息与机电工程系实验报告

专业：电气工程及其自动化年级：2015级课程：工厂供电

姓名：阮迪学号：156712121 实验室地点：金综A704 计算机号:

实验时间：2018年12月25号指导教师签字：成绩：

实验1：

一、实验目的和要求

电力系统实验技术尚未完善，通过运用MATLAB对电力系统进行仿真分析，分析结果证明仿真的有效性，从中得出仿真的方法和意义，从而将这种仿真运用到电力系统的各个方面。

二、实验内容和原理

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分析。

三、实验环境

MATLAB 是由美国Mathworks公司开发的一套高性能的数值计算和可视化大型软件，它是以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境中，在此环境中可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等，其在科学计算、工程设计和系统仿真中运用很广泛。在MATLAB中包括了两大部分，数学计算和工程仿真，其中在工程仿真方面，MATLAB 提供的软件支持涉及到各个工程领域，并且在不断完善。MATLAB 所具有的程序设计灵活，直观，图形功能强大的优点使其已经发展成为多学科，多平台的强大的大型软件。MATLAB提供的 Simulink工具箱是一个在MATLAB环境下用于对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它提供了用方框图进行建模的接口，与传统的仿真建模相比，更加直观、灵活。Simulink的作用是在程序块间的互联基础上建立起一个系统。每个程序块由输入向量，输出向量以及表示状态变量的向量等 3 个要素组成。在计算前，需要初始化并赋初值，程序块按照需要更新的次序分类，然后用 ODE计算程序通过数值积分来模拟系统。MATLAN 含有大量的 ODE计算程序，有固定步长的，有可变步长的为求解复杂的系统

提供了方便。MATLAB在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块SimPowerSystem 来完成的。

MATLAB是将计算、可视化、程序设计融合在一起的功能强大的平台，电力系统仿真是将电力系统的模型化、数学化来模拟实际的电力系统的运行，由于电力系统是个复杂的系统，运行方式也十分复杂，因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大，也不直观。MATLAB 的出现给电力系统仿真带来了新的方法和手段。通过MATLAB 的 SimPowerSystem的模块对电力系统中的应用进行仿真，从而说明其在电力系统仿真中的运用电力系统的仿真可以帮助人们通过计算机手段分析实际电力系统的各种运行情况，通过故障仿真得出了相关的电压稳定性方面的结论，从而证明了这种仿真的正确性和在分析应用中的可行性。

四、实验步骤

1 系统模型的建立

系统模型如图1所示。

图1 单机-无穷大系统

2基于simulink的模型建立

simulink模型建立主要包括以下元件：简化发电机、电压-电流测量元件、断路器、变压器、输电线路、负载、短路故障发生器等，搭建仿真模型如图2所示。

图2 单机-无穷大系统仿真图

3设计流程

3.1 模块选择

1）从电机元件库中选择简化的同步电机元件，复制后粘贴在电路图中，如图3所示。

步骤一：将简化的同步电机元件名称改为：简化发电机。

步骤二：双击简化的同步电机元件，在简化的同步电机（Simplified Synchronous Machine SI Unit）元件参数对话框中进行设置，如图所示。

图3 简化同步电机模型及其参数对话框

设置参数如下：

连接类型（connection type）：[3-wire Y]

电机额定参数（nominal power,L-Lvolt and freq）：[1000e6 315e3 50] 机械参数（mechanical）：[56290 0 2]

内部电阻（Internal impedance）：[1.9845, 263.15e-3]

初始状态（Initial condition）：[ 0 0 0 0 0 0 0 0 ]

步骤三：设置施于简化的同步电机上的功率。

该机械功率使用一个常数发生器来设置，如图4所示

将常数发生器元件名称改为：机械功率。

双击常数发生器元件，在参数对话框中将数值设为700e6，作为机械功率值。步骤四：设置电压幅值

电压幅值使用一个常数发生器来设置，如图4所示，将常数发生器的名称改

为：电压幅值。

将常数发生器数值改为156e3作为电压幅值。

图4 常数发生器元件及参数对话框

2）从测量元件库中选择三相电压-电流测量（3-phase V-I Measurements）元件，复制后粘贴在电路图中，如图5所示，将三相电压-电流测量元件名称改为：发电机电压-电流值。

图5 三相电压-电流测量元件及参数对话框

双击三相电压-电流测量元件，在三相电压-电流测量元件参数对话框进行如下设置：

电压测量选项中包括3个选项，分别是不测量电压（no）、测量相电压

（phase-to-ground）和测量线电压（phase-to-phase）。电流测量选项中有测量和不测量选项，在本例中选择测量相电压和测量电流选项。

单击OK按钮完成对电压-电流测量元件的参数设置。

3）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6所示。

步骤一：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 resistance Rp）、缓冲电容（Snubber Capacitance Cp）和测量（Measurements）。

图6三相电路短路故障发生器及参数对话框

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（Measurements）：选择不测量选项

单击OK按钮完成对三相电路短路故障发生器的设置。

步骤二：同样的方法设置其他两个三相电路短路故障发生器。

4）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7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7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 time）；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）。

图7 三相断路器及参数对话框

三相断路器的参数设置如下：

初始状态（Initial status of breakers）：

故障相选择（Switching of A、B、C）：A、B、C三相都选择

转换时间（Transition time）：[0.01]

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）：不选择

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。

5）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8所示。

步骤一：将变压器的名称改为：变压器。

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8所示。变压器元件参数对话框包含以下选项：

图8 三相变压器及参数对话框

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）。

变压器参数设置如下：

额定功率和频率（Nominal power and frequency）：[250e6 50]

原边绕组接法（winding1 connaction）：Y

原边绕组参数（winding parancters）：[ 424.35e3 , 0.002 , 0.08 ] 副边绕组接法（winding2 connaction）：Delta(D11)

副边绕组参数（winding parancters）：[ 315e3 , 0.002 , 0.08]

磁阻（Magnetiration 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。

6）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9所示。

图9 分布参数传输线及参数对话框

步骤一：将分布参数传输线元件名称改为

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10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）：50

单位长度电阻（resistance per unit length）：[ 0.01273 0.3846]

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）：300

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。

7）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19所示。

图10 三相串联RLC负荷元件及参数对话框

步骤一：将三相串联RLC负载元件的名称改为：串联负荷。

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10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：

额定相电压（Nominal phase-phase voltage）：500e3

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

8）在命令窗口键入如下命令：

》》simulink

单击回车后，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。

9）从电气测量仪器库中选择万用表元件，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。

10）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。

4.2 仿真参数设置

当电路图设计完成后，对其进行仿真，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(dtiff/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）

五、实验结果

5.1 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选择中三相故障都选择，并选择故障相接地选项。

设置完电路图和仿真参数后，下面进行电路仿真。激活仿真按钮，查看仿真

波形。

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。

在万用表元件中选择故障点A相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流波形图如图11所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，所以电流为0A。在0.2S 时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流发生变化，电流波形上移。在0.3s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障，此时，故障点的电压迅速变为0A。

图11

5.2 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。下面进行电路仿真。激活仿真按钮，查看仿真波形图。

1）故障点电流波形图

在万用表元件中选择故障点A相电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流波形图如图12所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，所以电流为0A。在0.6S 时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，故障点A相电流发生变化，电流波形上移，然后逐步下降。在0.7s时，三相电路短路故障发生器

断开，相当于排除故障，此时，故障点的电流迅速变为0A。

图12

5.3 线路末端发生短路

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。激活仿真按钮，查看仿真波形图。

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，则得出故障点短路电流波形如图13所示，由图得：在稳态时，故障点电流为0A，在0.9s时，发生三相接地短路，故障点有电流通过，此时电流很大，然后逐步下降，在 1.0s 时三相短路故障发生器打开，排除故障，此时故障点电流立刻恢复为0A。

图13

图14

六、总结

通过本次实验熟悉了MATLAB对电力系统进行仿真分析，分析结果证明仿真的有效性，掌握了实验的流程和实验结果的分析，学会了将这种仿真运用到电力系统的应用。

附录：

单机-无穷大系统仿真图