电力系统仿真实验指导书.doc

电力系统仿真实验指导书杨静 编南京工业大学电气工程与控制科学学院 2015年5月目 录实验一 大电流接地系统短路故障仿真实验3实验二 简单电力系统暂态稳定性仿真11实验三 电力系统潮流计算仿真实验19参考资料29实验一 大电流接地系统短路故障仿真实验一、实验目的与要求通过实验教学加深学生的基本概念，掌握电力系统各类短路故障的特点，使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟，对大电流接地系统进行输电线路短路故障仿真实验，以达到理论联系实际的效果，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。二、实验内容 搭建如图1-1所示的系统模型并仿真，该系统有3个电源，4条输电线路，在Line1的末端设置各种类型的短路故障，观察示波器中的电压和电流波形，记录下故障电压电流的有效值。图1-1 大电流接地系统短路故障的Simulink仿真模型三、实验仪器设备及耗材1.每组计算机1台、软件Matlab7.0套。四、实验原理1、SimuLink简要说明SimuLink是基于 MATLAB的图形化仿真设计环境，它是MATLAB提供对系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。它使用图形化的系统模块对动态系统进行描述，并在此基础之上采用MATLAB引擎对动态系统在时域内进行求解。进入SimuLink的2种方法：1)在MATLAB命令行中敲出SimuLink，回车，就打开了SimuLink。2)点击工具栏中的按钮，看图：图1-2 进入Simulink2、SimPowerSystems说明SimuLink下的SimPowerSystems可以实现电路、电力系统、电机、电力电子电路的建模与仿真分析，它提供了典型的电气设备和元件，比如变压器、传输线、电机、电力电子器件等等。 进入SimPowerSystems的2种方法：1)在MATLAB命令行中敲出powerlib，回车，就打开了SimPowerSystems的元件库。2)进入simulink环境，从左侧的选出SimPowerSystems，看图：图1-3 进入SimPowerSystemsElectrical Sources，电源库，有各种电源，交流电压源、交流电流源、直流电压源、受控电压源、受控电流源、电池、三相电源、三相可编程电压源。Elements，元件库，有开关、传输线、电阻、电感、电容、变压器、故障等。Machines，电机库，里面有各种各样的电机，同步、异步、永磁、步进等，还分别给出了部分电机的简化模型和详细模型，SI单位制模型和标幺值模型。 Measurements，测量库，里面有各种测量设备，电压、电流、阻抗测量，三相电流电压测量，还有万用表。 Power Electronics，电力电子库，里面包括二极管、晶闸管、理想开关、通用桥、IGBT等电力电子器件。 Application，应用库，这里面是一些整合的应用小系统，有风力发电机、特种电机等。Extra Library，附加库。含有control block、discrete control block、discrete measurements、measurements、phasor library等子库。中间就有PLL，单稳态、PWM发生器、FFT、有功无功测量、有效值、平均值、相量测量等等非常有用的模块五、主要技术重点、难点设置算法、故障模块使用、连线的分支六、实验步骤1、新建一个simulink model文件。首先进入simulink界面。就像其他windows应用程序一样，可以通过点击“新建”快捷菜单，这个图标长的和Word中的新建是很像的；可以使用快捷键Ctrl+N；可以通过file-new-model。 2、保存新建的文件。文件格式为mdl。保存有三种操作方法：快捷菜单、快捷键和菜单操作。3、按照实验内容要求，将需要的模块“拖出来”。拖出来的分解动作是：左键选中模块，按住左键将其拖拉到工作空间中。 仿真电路中各模块名称及提取路径模块名提取路径电源Three-phase sourceSimPowerSystems/Eletrical Sources线路Distributed Parameters LineSimPowerSystems/Elements三相压电流测量模块ThreePhaseVI MeasurementSimPowerSystems/Measurements三相故障模块ThreePhase FaultSimPowerSystems/Elements有效值测量模块RMSSimPowerSystems/Exira Library/ Measurements三相序分量分析模块Three-phase-Sequence-AnalyzerSimPowerSystems/Exira Library/ Measurements示波器模块ScopeSimulink/Sinks4、重命名拖出来的模块。命名原则就是能根据名称看出它的功能；尽量简洁；符合行业规定和一般习惯。比如，电压源一般命名为Vs，等效电阻命名为R_eq。5、旋转模块。选中模块，鼠标右击执行菜单FormatRotate Block。6、对各个模块进行参数设置。电源采用“Three-phase source”，参数设置如图1-4所示，电源E2、E3的A相电势初相位分别为300、600，其他设置与E1相同。输电线路仿真模块采用“Distributed Parameters Line”分布参数模型，Line1的参数设置如图1-5所示。线路Line2、Line3、Line4的长度分别为150km、260km、300km，其他设置与Line1相同。图1-4电源参数设置图1-5 线路参数设置图1-6 故障类型设置故障类型分别设置为三相短路、A相接地短路、AB两相接地短路、AB两相相间短路，故障时间从0.08s开始，0.12s结束。7、根据实验内容添加测量模块。添加三相电压电流测量模块、有效值测量模块、三相序分量分析模块。图1-7 有效值测量模块设置图1-8 三相序分量分析模块三相序分量分析模块求解选项Sequence设置为 Zero，求解零序分量。8、添加显示设备（scope），将测量模块的输出接到显示设备（scope）。9、连线先将光标指向连线的起点，待光标变为十字后，按下鼠标左键后拖动至终点，释放鼠标。如果一个起点连接多个终点，将产生分支，操作方法如下：1)将光标指向分支线的起点(即在已有信号线上的某点)。2)按下鼠标右键，看到光标变为十字；或者按住键，再按下鼠标左键。3)拖动鼠标，直至分支线的终点处。10、设置算法依次点击菜单simulation-configuration parameters或者使用快捷键Ctrl+E。出现：图1-10 仿真参数设置算法设置为ode23tb，仿真时间长度设置为0.2秒，其他保持为默认值。11、开始仿真。启动仿真有三种方法。一是直接点击工具栏中的仿真按钮，是一个向右的黑三角，长的十分像播放器的“播放”按钮。第二种是菜单simulation-start。第三种就是使用快捷键Ctrl+T。 12、双击打开scope，观看电压、电流波形情况，记录下电压电流的有效值数据。建议查看曲线时鼠标右击选择菜单AutoScale使曲线以合适的大小显示。故障前短路电流最大时刻对应的电压、电流UIUaIaUbIbUcIcU0I0三相短路A相接地AB两相接地AB两相相间短路七、实验报告要求1、给出输电线路故障的仿真模型2、说明建模步骤和仿真过程3、给出不同短路类型下的电压、电流瞬时值波形。4、给出零序电压、零序电流的有效值曲线。5、整理不同短路类型下获得实验数据。6、通过对比，对不同短路类型进行定性分析。八、实验注意事项注意三相测量模块、有效值测量模块、三相序分量分析模块之间的连接九、思考题1、什么是短路电流的最大有效值？其计算公式如何？2、不同的短路类型，短路电流有什么特征？电压有什么特征？实验二 简单电力系统暂态稳定性仿真一、实验目的与要求通过实验教学加深学生的基本概念，了解系统遭受大干扰后(比如短路故障)系统能否稳定运行与故障切除时间等因素紧密相关，使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟，对简单电力系统暂态稳定仿真实验，以达到理论联系实际的效果，增强对系统稳定性的认识与理解，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。二、实验内容 对如图2-1所示的单机无穷大系统，分析在f点发生短路故障，通过线路两侧开关同时断开切除线路后，系统的暂态稳定性。图2-1 单机无穷大系统原理图发电机的参数：SGN=352.5MWA,PGN=300MW,UGN=10.5Kv,xd=1,xd=0.25,xd”=0.252,xq=0.6,xl=0.18,Td=1.01,Td”=0.053,Tq0”=0.1,Rs=0.0028,H(s)=4s;TJN=8s,负序电抗：x2=0.2变压器T-1的参数:STN1=360MVA,UST1%=14%,KT1=10.5/242;变压器T-2的参数:STN2=360MVA,UST2%=14%,KT2=220/121;线路的参数：l=250km,UN=220K,XL=0.41欧/km，rL=0.07欧/km，线路的零序电抗为正序电抗的5倍。三、实验仪器设备及耗材1.每组计算机1台、软件Matlab7.0套。四、实验原理1、powergui说明powergui是一个环境模块，它利用Simulink功能连接不同的电气元件，是分析电力系统模型有效的图形化用户接口工具。任何一个含有SimPowerSystems模块的模型中必须含有一个。它储存了电路模型的等效数学模型（状态空间方程）。没有它，仿真不能启动，会给出一个错误提示。 1）powergui模块可以显示系统处于稳定状态时的电流和电压及电路所有状态的变量值。为了执行仿真，powergui模块允许修改初始状态。2）Powergui可以执行负载潮流计算。3）当电路中出现阻抗测量模块时，powergui也可以显示阻抗随频率变化的波形。4）可以生成扩展名为rep的结果报告文件。powergui指定了解电路的方法。主要有：1)使用变步长Simulink求解策略的（时间）连续方法；2）理想开关（时间）连续方法；3）固定时间步长的（时间）离散方法；4）相量方法。找到powergui的2种方法：1）在simulink库浏览器的树形目录左侧点一下SimPowerSystems,右侧显示出来的图表中最后一个就是它。2）直接在MATLAB的命令行里敲进powerlib，调出powerlib库，它也是出现在最后一个。 2、SimPowerSystems工作机制每次仿真的时候，都要调用一个特殊的初始化机制。这个初始化机制计算出电路模型的状态空间模型，搭建出可以供Simulink软件仿真的等价模型。这个机制的等效步骤是这样的： 1) 将所有的SimPowerSystems模块分为线性和非线性两类，提取模块的参数，得出模型的网络拓扑结构。每一个电气节点自动赋予一个节点标号。 2) 网络拓扑得到后，线性模块的状态空间模型（矩阵A、B、C、D）被计算。本阶段，同时完成所有的稳态计算和初始化。 3) 搭建起电路模型的Simulink模型，将其存储于Powergui模块中。五、主要技术重点、难点同步发电机模块、调速器模块、励磁控制器模块、发电机参数输出模块的使用六、实验步骤仿真电路中各模块名称及提取路径模块名提取路径发电机模块Synchronous Machine pu StandardSimPowerSystems/machines发电机调速器模块Hydrauic Turbine and GovernorSimPowerSystems/machines发电机励磁模块Excitation SystemSimPowerSystems/machines三相双绕组变压器Three-Phase Transformer(Two Windings)SimPowerSystems/Elements电力图形用户界面模块PowerguiSimPowerSystems 或者 输入命令powerlibBus Selector模块Simulink/Single Routing三相电源模块Three-phase sourceSimPowerSystems/Eletrical Sources输电线路模块Three-phase PI LineSimPowerSystems/Elements三相RLC并联负荷模块Three-Phase Parallel RLC LoadSimPowerSystems/Elements三相压电流测量模块ThreePhaseVI MeasurementSimPowerSystems/Measurements三相故障模块ThreePhase FaultSimPowerSystems/Elements三相断路器模块Three-Phase BreakerSimPowerSystems/Elements终端连接器模块TerminatorSimulink/Sinks示波器模块ScopeSimulink/Sinks1、按照图2-2把各个模块从Sinmulink库中提取出来，放在合适的位置。图2-2 暂态稳定性SimuLink仿真模型图图2-3 发电机模块参数设置2、设置各模块参数1)在仿真模型中，发电机采用” Synchronous Machine pu Standard”模型，额定容量为352.5MWA，额定电压为10.5Kv,参数设置如图3-3所示。发电机调速器模块设置如图2-4所示：图2-4 发电机调速器模块参数设置发电机励磁控制系统模块设置如图2-5所示：图2-5 发电机励磁控制模块参数设置发电机模块输出参数m由两个Bus Selector引出，一个Bus Selector将运行参数反馈到调速器和励磁系统，另一个Bus Selector将信号输出到 Scope显示。其中一Bus Selector设置如图2-6所示，另一个Bus Selector设置按照模型2-2进行。图2-6 发电机运行参数m由Bus Selector引出2)无穷大系统采用”Three-phase source”模型，其参数设置如图2-4所示。图2-7 无穷大系统等值电源模块参数设置3）和发电机相连的升压变压器参数设置如图2-8所示。和无穷大系统相连的降压变压器参数设置：原边高压侧ABC接线方式为Yg，电压阻抗参数分别为220e3、0、0.07，低压侧接线方式为Delta(D1)，电压阻抗参数分别为110e3、0、0.07。其他设置和升压变压器设置相同。图2-8 升压变压器模块参数设置4）线路模型采用三相”形等值线路模块，参数设置如图2-9所示：图2-9 输电线路参数设置5）故障点的故障类型等参数采用三相线路故障模块”Three-Phase Fault”来设置，由于故障后线路两侧的断路器应同时断开切除线路，所以模型中的两个断路器模块Breaker的动作参数应与故障模块中的动作参数设置相配合。在故障模块中设置故障类型为AB两相接地故障，Transition time(s)设置为0.1 9，即0.1s时发生故障，9s时结束。如果在故障后0.1s切除线路，则两个断路器模块的参数设置应如图2-10所示。如果在故障后0.5s切除线路，断路器模块的参数Transition time(s)设置为0.6 9，即0.6s断路器动作切除线路。6)母线 Bus采用的是三相电压电流测量模块”ThreePhaseVI Measurement”，将其Back Color设置为black即可。7）完成以上设置后，利用Powergui模块对电机进行初始设置。单击Powergui，在 Simulation Type选项中选择Discretize electrical model,Sample time(s)设置为1e-5。打开”Load Flow and Machine Initialization ”潮流计算和电机初始化窗口，设置发电机节点的类型为PV节点，机端电压10.5kV,输出功率3e8MVA,然后点击按钮”Update Load Flow ”更新潮流计算。3、连线 4、设置算法算法设置为Discrete离散算法，仿真时间长度设置为5s，其他保持为默认值。5、开始仿真。将断路器模块的参数Transition time(s) 分别设置为0.2 9、0.6 9两种情况进行仿真。6、双击打开scope，查看发电机转速、功角、电压、电流等波形情况。建议查看曲线时鼠标右击选择菜单AutoScale使曲线以合适的大小显示。七、实验报告要求1、给出单机无穷大系统暂态稳定性Simulink仿真模型。2、说明建模步骤和仿真过程3、给出故障切除时间分别为故障后0.1s、0.5s两种情况下发电机转速、功角曲线。4、给出电压电流波形曲线。5、对比不同故障切除时刻的仿真结果。八、实验注意事项注意发电机模块、调速器、励磁模块之间的连接九、思考题1、功角和发电机惯性时间常熟TJ的物理意义是什么？2、提高电力系统静态稳定和暂态稳定的措施主要有哪些？实验三电力系统潮流计算仿真实验一、实验目的与要求通过实验教学加深学生的基本概念，了解电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行的一项基本计算，使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟，对电力系统进行潮流计算的仿真实验，以达到理论联系实际的效果，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。二、实验内容 如图3-1所示的2机5节点电力系统，分别采用潮流计算软件MATPOWER和电力图形用户分析界面（Powergui）对电网进行潮流分析。图3-1 2机5节点系统三、实验仪器设备及耗材1.每组计算机1台、软件Matlab7.0套。四、实验原理1MATPOWER软件安装步骤l 下载完毕后，解压缩。l 右击Matlab，点击性。点击“ 打开文件位置”找到Matlab的安装目录。按下Backspace,找到toolbox文件夹。l 将解压缩的matpower复制到toolbox文件夹下。l 打开Matlab,点击File,在下拉菜单中找到setpath。点击setpath,如图。l 点击Add with subfolds，在弹出框中将你复制到toolbox matpower文件夹找到。点击 确定。点击 save 然后离开。l 在Matlab中 输入 test_matpower回车后，出现以下命令，就代表已经安装好了。t_nested_struct_copy.okt_mpoption.okt_loadcase.okt_ext2int2ext.okt_jacobian.okt_hessian.okt_margcost.okt_totcost.okt_modcost.okt_hasPQcap.okt_mips.okt_qps_matpower.ok (216 of 324 skipped)t_pf.okt_cpf.okt_islands.okt_opf_model.okt_opf_fmincon.okt_opf_mips.okt_opf_mips_sc.okt_opf_dc_mips.okt_opf_dc_mips_sc.okt_opf_dc_ot.okt_opf_userfcns.okt_runopf_w_res.okt_dcline.okt_makePTDF.okt_makeLODF.okt_total_load.okt_scale_load.okt_psse.not ok# Ran 137 of 137 tests: 135 passed, 2 failedt_off2case.okt_auction_mips.okt_runmarket.okRan 3156 of 3156 tests: 2938 passed, 2 failed, 216 skippedElapsed time 57.16 seconds.2. 简要说明字段baseMVA是一个标量，用来设置基准容量，如100MVA。字段bus是一个矩阵，用来设置电网中各母线参数。 bus_i用来设置母线编号(正整数)。 type用来设置母线类型, 1为PQ节点母线, 2为PV节点母线, 3为平衡(参考)节点母线，4为孤立节点母线。 Pd和Qd用来设置母线注入负荷的有功功率和无功功率。 Gs、Bs用来设置与母线并联电导和电纳。 baseKV用来设置该母线基准电压。 Vm和Va用来设置母线电压的幅值、相位初值。 Vmax和Vmin用来设置工作时母线最高、最低电压幅值 area和zone用来设置电网断面号和分区号，一般都设置为1，前者可设置范围为1100，后者可设置范围为1999。字段gen为一个矩阵，用来设置接入电网中的发电机(电源)参数。 bus用来设置接入发电机(电源)的母线编号。 Pg和Qg用来设置接入发电机(电源)的有功功率和无功功率。 Pmax和Pmin用来设置接入发电机(电源)的有功功率最大、最小允许值。 Qmax和Qmin用来设置接入发电机(电源)的无功功率最大、最小允许值。 Vg用来设置接入发电机(电源)的工作电压。 mBase用来设置接入发电机(电源)的功率基准,如果为默认值,就是baseMVA变量的值。 status用来设置发电机(电源)工作状态, 1表示投入运行, 0表示退出运行。4)字段branch也是一个矩阵，用来设置电网中各支路参数。 fbus和tbus用来设置该支路由起始节点(母线)编号和终止节点(母线)编号。 r、x和b用来设置该支路的电阻、电抗和充电电纳。 rateA、rateB和rateC分别用来设置该支路长期、短期和紧急允许功率。序号变量名默认值功能描述1PF_ALG1潮流算法1牛顿法2快速解耦算法(XB版本)3快速解耦算法(BX版本)4高斯-赛德尔法2PF_TOLle8每一个单元（节点）的有功和无功最大的允许偏差3PF_MAX_IT10牛顿法的最大迭代次数4PF_MAX_IT_FD30快速解耦算法的最大迭代次数5PF_MAX_IT_GS1000高斯赛德尔法的最大迭代次数6ENFORCE_Q_LIMS0机组电压无功控制限制0或者17PF_DC0采用直流潮流模型0使用交流模型，采用交流算法选项1使用直流模型，忽略交流算法选项序号变量名默认值功能描述31VERBOSE1打印进程信息的数量0不打印进程信息1打印少量进程信息2打印大量进程信息3打印所有进程信息32OUT_ALL-1结果的打印控制-1用分散的标志来控制哪些需要输出0不打印任何内容1打印所有内容五、实验步骤1. 编写2机5节点M文件function mpc=case5_01% MATPOWER Case Format : Version 2mpc.version = 2; %- Power Flow Data -% system MVA basempc.baseMVA = 100; % bus data% bus_i type Pd Qd Gs Bs area Vm Va baseKV zone Vmax Vminmpc.bus =1 1 160 80 0 0 1 1 0 100 1 1.1 0.94; 2 1 200 100 0 0 1 1 0 100 1 1.1 0.94; 3 1 370 130 0 0 1 1 0 100 1 1.1 0.94; 4 2 0 0 0 0 1 1.050 0 100 1 1.1 0.94; 5 3 0 0 0 0 1 1.050 0 100 1 1.1 0.94;% generator data% bus Pg Qg Qmax Qmin Vg mBase status Pmax Pmin Pc1 Pc2 Qc1min Qc1max Qc2min Qc2max ramp_agc ramp_10 ramp_30 ramp_q apfmpc.gen = 4 500 0 9990 -9999 1.05 100 1 600 0; 5 0 0 9990 -9999 1.05 100 1 600 0;% branch data% fbus tbus r x b rateA rateB rateC ratio angle status angmin angmaxmpc.branch = 2 1 0.04 0.25 0.5 0 0 0 0 0 1 -360 360; 3 1 0.1 0.35 0 0 0 0 0 0 1 -360 360; 2 3 0.08 0.3 0.5 0 0 0 0 0 1 -360 360; 3 5 0 0.03 0 0 0 0 1.05 0 1 -360 360; 2 4 0 0.015 0 0 0 0 1.05 0 1 -360 360;return;2.在Matlab的命令窗口输入运行命令runpf(case5_01)3.分析迭代过程中的各节点电压变化情况和迭代过程中的各节点功率误差变化情况。4.构建2机5节点电力系统潮流计算仿真模型，见图3-2利用Powergui计算电力系统潮流，图3-2 2机5节点电力系统潮流计算仿真模型图5.模型参数计算及设置图3-3 变压器T1参数设置图3-4 线路L1的参数设置图3-5 负荷Load1的参数设置6. 在Powergui模块更新潮流，获得潮流结果。7.计算结果及比较。节点号电压幅值（p.u.）电压角度/PowerguiMATPOWER差值%PowerguiMATPOWER差值 %12345六、实验报告要求1、给出MATPOWER潮流计算程序和数据结果。2、说明建模步骤和仿真过程3、给出Powergui模块潮流计算结果。4、整理两种方式下潮流计算结果。5、通过对比，进行分析。七、思考题1、潮流计算的目的。2、有功功率P和无功功率Q对系统潮流分布的影响。3、影响系统网损和线损的因素。参考资料 1 电力系统分析理论.刘天琪,邱晓燕.科学出版社,20112 MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真.于群,曹娜.机械工业出版社,20113 电力系统分析（上下册）.何仰赞 温增银.华中科技大学出版社，20114 电子文档SimPowerSystem非标准教程.pdf5 电子文档SimPowerSystem用户指南.pdf6 电力研学网Matlab论坛http:/tech.cepsc.com/forum-99-1.html