Matlab在电力系统仿真实验中的应用_许允之

M a tl ab 在电力系统仿真实验中的应用

许允之,刘　昊,冯　宇,王世培,李素英,谷　波,张春华

(1.中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州　221008;2.江苏沙钢集团宏发炼钢厂,江苏张家港

　215600)

摘　要:在介绍Matlab 内容的基础上,以电力系统仿真实验为例,阐述了在Matlab 软件Si m ulink 环境下的电力系统工具箱(PS B ),是如何进行电力系统仿真实验与分析的。实践证明,利用Matlab 做仿真实验,学生可以通过实验现象较快地理解课程理论,初步掌握用仿真来分析复杂电力系统的能力。关键词:M atlab;电力系统;仿真实验

中图分类号:G434 文献标识码:B 文章编号:100224956(2007)0120103203

The applicati on of the Matlab in the po wer

syste m si m ulati on ex peri m ents

XU Yun 2zhi,L I U Hao,FE NG Yu,WANG Shi 2pei,L I Su 2ying,G U Bo,Z HANG Chun 2hua

(College of I nfor mati on &Electrical Engineering,China University of M ining &Technol ogy,Xuzhou 221008,Chi 2na;J iang Su Shagang Gang Gr oup Hong Fa Refining Fact ory,Zhangjiagang 215600,China )

Abstract:This paper expatiates on how t o do the power system si m ulati on experi m ents and analysis with the power syste m t oolbox under the s oft w areM atlab Si m ulink conditi on on the base of intr oducing the Matlab and takes the power syste m si m ulati on experi m ents as exa mp les .The p ractice p r oves that the students can understand the courses ’theory fast thr ough the experi m ents phenomenon using Matlab si m ulati on and they can master the way of analyzing comp lex power system using si m ulati on ele mentarily .

Key words:M atlab;power system;si m ulati on experi m ent

收稿日期:2006204220　修改日期:2006206204

作者简介:许允之(1961—),男,高级工程师,从事电力系统自

动化和高压技术方面的教学与科研.

现代电力系统是一个超高压、大容量和跨区域

的巨大的联合系统。电力系统事故具有突发性强、维持时间短、复杂程度高、破坏力大的特点,因而使得事后对故障原因分析、查找变得尤其困难。在这种情况下,许多大型电力科研与教学实验一则是实际条件难以满足,二则系统安全运行也不容许进行一些实验(如系统短路实验等)。

电力系统暂态仿真是了解电力系统在遭受扰动后系统中各种电气参数变化趋势的一种方法。电力系统故障暂态仿真是模拟短路发生时候故障点和故障线路的电压和电流的变化情况,开关暂态仿真是模拟一次闭合或操作后流过系统的暂态电流或一次开断操作后,当工频电流被遮断时,出现在遮断设备的端子上暂态恢复电压,从而了解不同电网配置

下电流和电压振荡的振幅、频率和形式。

[1]

现在专业教学中专业课时的大量压缩与实验设

备(专业性很强与电力设备昂贵)的不足,严重制约着教学的展开。为了达到预期的教学效果,使学生充分理解枯燥乏味的理论知识,在教学授课过程中必须更新教学手段和方法。我们尝试对电力系统分析课程,使用Matlab 设计出有典型意义的案例,让学生在课堂教学与实验中学会仿真,使学生在较短的时间内对电力系统分析的概念和基本原理有较好的理解和掌握。

1　M a tl ab 简介

Matlab (Matrix laborat ory )语言最初是在1980

年由美国的Cle Ve Moler 博士研制的,其目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段。Math Works 公司在80年代发行使之成为著名数值型计算软件。Matlab 具有编程效率高、程序设计灵活、图形处理功能强大等优点。为准确建立系统模型和进行仿真分析,Matlab 提供了系统模型图形输

I SS N 1002-4956CN11-2034/T 实　验　技　术　与　管　理Experi m ental Technol ogy and Management

第24卷　第1期　2007年1月

Vol .24　No .1　Jan .2007

入工具———Si m ulink工具箱。通过鼠标在模型窗口画出研究的系统的模型,直接对系统进行仿真。Si m ulink提供了用方框图进行建模的模型窗口,与传统的用微分方程和积分方程建模相比,更直接,更方便灵活。

在Matlab中的电力系统模块库PS B以Si m ulink 为运算环境,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成:电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。在这6个基本模块库的基础上,根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中,为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。

2　电力开关通断的仿真

电力网暂态过程仿真实验与分析,面向两个需求:一是再现暂态过程的细节,便于实验教学;一是服务于电力系统暂态分析课程的需求。仿真方案就以暂态过程中最多的故障暂态过程和操作暂态过程作为仿真对象[2,3]。

系统进行的操作暂态仿真以单相电路为分析对象,突出在开关打开、闭合时开关上电气参量的变化情况。电气开关作为控制系统的重要组成部分,对保障电力系统的安全运行起着至关重要的作用,因此在投入使用前,必须经过复杂的型式实验,以验证其性能。电气开关的通断性能集中体现在接通和分断的质量上,接通瞬间由于动静触头之间碰撞,起断续电弧导致触头腐蚀。分断瞬间由于电流急剧变化,引起持续燃弧并产生巨大的热量和分断过电压,所以分断瞬间的危害最为严重。分断过程中触头接触面积逐渐减小,电流密度逐渐增大,导致金属强烈发热并形成大量游离的电子,在电场的作用下,当电流达到最小起弧电流时便引发强烈的电弧过程。

操作暂态是指当负荷开关、断路器、隔离开关或者熔断器运行的时候,若在电网中发生一次操作,则电力系统的一些部件彼此分离或相互连接。对于一个切换设备来说,操作作用可以是一个闭合操作也可以是一个开断操作。在一次闭合操作后,暂态电流将流过系统,而在一次开断操作后,当工频电流被遮断时,一个暂态恢复电压将出现在遮断设备的端子上。从切换设备的端子来看,电网的配置确定了电流和电压的振荡的振幅、频率和形状。当在变电站内设置调整电压用的电容器组时,在正常情况时切换设备遮断的主要是电容性的负载。电流和电压之间的相角相差大约90°,电流超前电压。当一台大型变压器正常负载下切断时,电压和电流之间的相角也是90°,此时,电流滞后于电压。在主要是电容性或电感性电网中闭合或者开关断路器时,将产生冲击电流。

图1波形显示了开关上的电压随时间的变化情况。0～0.02s之间,开关闭合,开关两端点的电压为0V。0.02～0.05s开关打开,开关上承受一个暂态电压过程。0.05s后,开关重新闭合,开关两端点的电压在经历一次冲击跃变恢复为0V

。

图1　开关上的电压

由图2波形知道:在0～0.02s之间开关闭合时,开关上的电流是支路RLC3上的负载电。

0.02～0.05s开关打开,支路RLC3断开,开关上的电流迅速为零。0.05s后,开关重新闭合,流经开关的电流经历长久的暂态过程

。

图2　开关上的电流波形

由于开关电弧是一个复杂的物理和化学过程,它涉及到物质的组成和物性的变化、电磁场的分布、热量的散发与吸收等。将Matlab引入分析电弧现象是很有意义的[4]。

3　电网中性点下的故障分析

我们仿真的电力系统暂态过程以线路故障暂态为分析对象,所涉及的故障类型有:单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相短路和三相接地短路。故障暂态包括短路故障和断线故障等,对

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