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基于Matlab的电力系统短路故障下暂态稳定性的仿真与分析作者：刘洪涛赵朋洋张灿煜赵宇王暄轶来源：《科技资讯》2017年第03期摘要：短路故障作为电力系统最常见同时也是危害最大的扰动，是检验电力系统是否具有暂态稳定性的重要依据。
该文主要以Matlab SimPower Syetem电力系统工具箱作为平台，通过搭建电力系统单机-无穷大系统模型，来进行短路接地故障测试仿真。
关键词：暂态稳定 MATLAB大短路故障中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0051-05电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点电流小，因此称为小电流接地系统，而该系统接地故障最高。
由于3个线电压仍然对称，不影响负荷连续供电，故不必立即跳闸，但接地后非故障相电压会升高，长时间带故障运行会影响系统安全，因此，需要对故障时刻和故障线路进行检测。
另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小，这将影响故障检测的灵敏度。
因此，需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法来分析非平稳信号。
对配电网接地短路故障的研究，主要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂态分量等几种方法。
该文对电力系统短路故障下暂态稳定性的仿真系统进行了分析。
1 电力系统暂态稳定性简要分析1.1 保证电力系统稳定运行的有效策略提高电力系统暂态稳定的措施和提高静态稳定时不同，其首先考虑的是减少功率或能量差额的临时性措施。
这一方面是由于急剧扰动下机械与电磁、负荷与电源的功率或能量差额比微小扰动大得多，另一方面又由于这种扰动往往是暂时性的。
通常情况下，故障的快速切除与自动重合闸是相互配合运行的，通过对功率的降低或提升能量差额保证电力系统的稳定运行，该措施经济且有效。
单相重合也有利于提高负荷的稳定性，单向重合后满足系统电源的需求，达到负荷要求，进而有效维持负荷的稳定运行。
无穷大功率电源供电系统三相短路仿真实验报告一、实验目的1.学习使用matlab对无穷大功率电源供电系统三相短路的仿真2.学习运用simpowersystems的模块库3.了解无穷大功率电源系统二、实验原理电源功率为无限大时，外电路发生短路(一种扰动)引起的功率改变对于电源来说是微不足道的，因而电源的电压和频率(对应于同步电机的转速)保持恒定;无限大功率电源可以看作是由无限多个有限功率电源并联而成，因而其内阻抗为零，电源电压保持恒定。
无穷大功率电源供电系统就是容量相对于用户内部供配电系统容量大得多的电力系统，以致用户的负荷不论如何变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线的电压幅值和频率能基本维持不变。
无穷大功率电源供电系统三相短路：无穷大功率电源供电系统图：三、仿真模型搭建四、仿真过程及说明无穷大功率系统,顾名思义就是其内阻零,端口电压及频率恒定不变,不受外电路系统振荡或故障的影响,因此使用"Three-phase source"电源模块仿真,电压为110kv ,其参数设置为:短路前输电线路等值阻抗为:(R+ L) +(R' +L' ) , 短路故障发生后,输电线路系统等值阻抗变为: R +L ;由于阻抗变小,因此短路电流很大,且在短路瞬间有一个暂态过程;短路电流最大可能出现的瞬时值称为冲击电流值，-般出现在短路后约半个周期( T/2)时,它可以用来检验电气设备和载流导体在短路电流下的受力是否超过允许值,即所谓校验动态稳定性输电线路模型使用"Three- Phase Series RLC Branch”, 其参数设置如图:输电线路末端还装设了-个变压器,故障点设置在变压器二次侧出口处,压器的变比为110/11kv ,高低压绕组均为Y形联接,其余参数如图(此处采用有名值参数) : .测量模块使用"Three-Phase V-I Measurement" , 相当于母线的作用,同时有电压电流测量输出端口,连接于示波器中观察波形,故障点设置为三相短路(非接地),参数如图:电压出口处还设有一个负荷,参数如图:通过模型窗口菜单中的“ Simulation”-→“Configuration Parameters”命令打开设置仿真参数的对话框，选择可变步长的ode23t算法，仿真起始时间设置为0，终止时间设置为0. 2s,其他参数采用默认设置。
MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真实验报告姓名：******专业：电气工程及其自动化班级：*******************学号：*******************实验一无穷大功率电源供电系统三相短路仿真1.1 无穷大功率电源供电系统仿真模型构建运行MATLAB软件，点击Simulink模型构建，根据电路原理图，添加下列模块：（1）无穷大功率电源模块（Three-phase source）（2）三相并联RLC负荷模块（Three-Phase Parallel RLC Load）（3）三相串联RLC支路模块（Three-Phase Series RLC Branch）（4）三相双绕组变压器模块（Three-Phase Transformer (Two Windings)）（5）三相电压电流测量模块（Three-Phase V-I Measurement）（6）三相故障设置模块（Three-Phase Fault）（7）示波器模块（Scope）（8）电力系统图形用户界面（Powergui）按电路原理图连接线路得到仿真图如下：1.2 无穷大功率电源供电系统仿真参数设置1.2.1 电源模块设置三相电压110kV，相角0°，频率50Hz，接线方式为中性点接地的Y形接法，电源电阻0.00529Ω，电源电感0.000140H，参数设置如下图：1.2.2 变压器模块变压器模块参数采用标幺值设置，功率20MVA，频率50Hz，一次测采用Y型连接，一次测电压110kV，二次侧采用Y型连接，二次侧电压11kV，经过标幺值折算后的绕组电阻为0.0033，绕组漏感为0.052，励磁电阻为909.09，励磁电感为106.3，参数设置如下图：1.2.3 输电线路模块根据给定参数计算输电线路参数为：电阻8.5Ω，电感0.064L，参数设置如下图：1.2.4 三相电压电流测量模块此模块将在变压器低压侧测量得到的电压、电流信号转变成Simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用，勾选“使用标签（Use a label）”以便于示波器观察波形，设置电压标签“Vabc”，电流标签“Iabc”，参数设置如下图：1.2.5 故障设置模块勾选故障相A、B、C，设置短路电阻0.00001Ω，设置0.02s—0.2s发生短路故障，参数设置如下图：1.2.6 示波器模块为了得到仿真结果准确数值，可将示波器模块的“Data History”栏设置为下图所示：1.3 无穷大功率电源供电系统仿真结果及分析得到以上的电力系统参数后，可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故障时短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小，短路电流周期分量的幅值为Im=10.63kA，时间常数Ta=0.0211s，则短路冲击电流为Iim=17.3kA。
第五章无穷大功率电源供电系统三相短路仿真同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真方法发电机端突然三相短路时id，iq及if的电流仿真波形图发电机端突然三相短路时的定子电流仿真图发电机端突然两相短路时的三相定子电流仿真波形图中性点不接地系统的仿真模型及计算零序电流零序电压三相短路电压第六章系统故障期间δ-t曲线故障切除后系统的δ-t曲线二、同步发电机突然三相短路M文件图2-1 同步发电机突然三相短路M文件源程序同步发电机突然三相短路波形图三、同步发电机突然三相短路仿真同步发电机突然三相短路仿真连接图同步发电机突然三相短路A相图3-3 同步发电机突然三相短路时定子电流仿真波形图同步发电机突然三相短路时Id电流仿真波形图图3-5 同步发电机突然三相短路时Iq电流仿真波形图图3-6 同步发电机突然三相短路时If电流仿真波形图四、小电流接地系统仿真图4-1 小电流接地系统仿真连接图图4-2 小电流接地系统零序电流3I0仿真图图4-3 小电流接地系统零序电压3U0仿真图图4-4 小电流接地系统三相对地电压仿真图图4-5 小电流接地系统线电压仿真图图4-6 小电流接地系统接地电流仿真图图4-7 小电流接地系统零序电流幅值与相位仿真图图5-4 简单电力系统的静态稳定性仿真连接图图5-5 简单电力系统的静态稳定性仿真图（故障0.1s后切除线路）图5-6 简单电力系统的静态稳定性仿真图（故障0.55s后切除线路）六、简单电力系统暂态稳定性仿真图6-1 简单电力系统暂态稳定性仿真连接图图6-2 发电机励磁系统模块图6-3 发电机信号模块图6-4 小干扰信号模块图6-5 发电机有功功率为0.7376 pu 阶跃为0.6 pu 时发电机功角、转速随时间变化曲线（综合放大系数为5.7857）图6-6 发电机有功功率为0.7376 pu 阶跃为0.9195 pu 时发电机功角、转速随时间变化曲线（综合放大系数为5.7857）图6-7 发电机有功功率为0.7376 pu 阶跃为1.1 pu 时发电机功角、转速随时间变化曲线（综合放大系数为5.7857）图6-8-1 发电机有功功率为0.7376 pu 阶跃为0.7005 pu 时发电机功角、转速随时间变化曲线（综合放大系数为10）图6-8-2 发电机有功功率为0.7376 pu 阶跃为0.7005 pu 时发电机功角、转速随时间变化曲线（综合放大系数为10）。
同步发电机三相短路故障仿真分析摘要：电力系统中，发电机主要采用同步发电机，现代社会中使用的交流电，几乎全部由同步电机产生。
因此，同步电机对生产生活具有十分重要的意义。
本文采用MATLAB 建立同步电机仿真模型，对同步电机三相短路故障进行仿真分析，以便在同步电机运行尽量避免发生故障或在发生故障时能及时作出相应处理措施。
关键词：MATLAB 同步电机短路正序负序1前言同步电机是电力系统的电能供给设施，是电力系统中最重要和最复杂的设备，它的运行状态直接决定电力系统的安全与稳定。
在电力系统运行过程中，如果同步电机发生突然短路，则短路的暂态过程所产生的的冲击电流可能达到额定电流的十几倍，对同步电机本身和整个电力系统都可能产生严重的影响，因此，对同步电机的运行进行仿真及研究就显得尤为重要。
2发电机短路故障理论分析同步发电机的电磁暂态过程是一个很复杂的过程，为此假设同步发电机是理想机，即：(1)电机转子在结构上对本身的直轴和交轴完全对称，定子三相绕组也完全对称，在空间上相差为120°。
(2)定子电流在气隙上产生正弦分布的磁势，转子绕组和定子绕组之间的互感磁通也在气隙中按正弦规律分布。
(3)定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子绕组的电感。
此外，还假设：(1)在暂态过程期间同步发电机保持同步转速不变。
(2)发生短路后励磁电压始终保持不变。
(3)短路发生在电机的出线端口。
突然短路后，定子各相绕组出现的电流，可以根据各相绕组必须维持在短路瞬间的磁链不变的条件来确定。
为此，首先必须研究定子各相绕组磁链的变化规律。
假定短路前电机处于空载状态，短路前空载稳态运行时,转子以的转速旋转，主磁通交链定子abc绕组，即三相绕组的磁通如下式：在t=0(短路时刻)瞬间，各绕组的磁链初值为：由于绕组中的磁链不突变，若忽略电阻，则磁链守恒，绕组中的磁链将保持以上值。
3 仿真模型的建立设计一个只由发电机供电的简单电力网，该系统由一额定功率为500MW，额定电压为156KV的发电机和一负载构成。
目录第一章绪论 (3)1.1超导体闭合回路磁链守恒原理以及同步电机电枢反应原理: 31.2等效阻尼绕组的电流 (4)1.3三相短路计算的简化假设 (5)1.4发生短路故障时可能产生以下后果： (5)第二章Matlab简介 (6)2.1 MATLAB (6)2.2SimPowerSystem介绍 (7)第三章同步发电机突然短路的暂态过程仿真 (7)3.1同步发电机突然三相短路暂态过程简介 (8)3.2同步发电机突然三相短路的暂态过程的数值计算与仿真方法10 第四章有关暂态仿真实验图示 (12)第一章绪论在电源电压的幅值和频率保持恒定的情况下，三相电路发生三项短路的情形。
实际上，发生短路时，作为电源的发电机的内部也发生暂态过程，并不能保持其端电压和频率不变，一般讲，由于发电机转子的惯性较大，在分析短路电流时可以近似地认为转子保持同步转速，即频率保持恒定，但通常应计及发电机的电磁暂态过程。
三项短路虽然很少发生，但情况比較严重，且三相短路时电力系统仍是对称的，称为对称故障，故本次分析三项短路故障。
1.1超导体闭合回路磁链守恒原理以及同步电机电枢反应原理:（1）电机转子在结构上对直轴和交轴完全对称，定子三相绕组完全对称，在空间互差120°电角度。
（2）定子电流在气隙中产生正弦分布的磁动势，转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在气隙中按正弦规律分布。
（3）定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子绕组的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。
此外，假设:（1）在暂态过程期间同步发电机转子保持同步转速，即只考虑电磁暂态过程，而不计机械暂态过程。
（2）电机铁芯部分的导磁系数为常数，忽略磁路饱和的影响，在分析中可以应用叠加原理。
（3）发生短路后励磁电压始终保持不变，不考虑短路后发电机端电压降低引起的强行励磁。
（4）短路发生在发电机定子出线端口。
如果短路发生在出线端外，可以把外电路的阻抗合并至定子绕组的电阻和漏抗上，只要定子总回路的电阻交电抗仍小得多，则短路后的物理过程和出线端口短路是一样的。
MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真题目：同步发电机突然短路的暂态过程仿真专业：电气工程及自动化班级：电气201303姓名：白辉学号：201309611同步发电机突然短路的暂态过程仿真仿真题目：假设有一台有阻尼绕组同步发电机，P N =2000W ，U N 213.8 Kv ，f N 2100z ，x d 1380，x q 1086，x d ′108.0，x d "10803，x q "108.3，r108000，x σf 1083 ，x ∝D 1083，x σq 10800，T d0′10s ，T D 10s ，T q "1384s,若发电机空载，端电压为额定电压，端子突然发生三相短路，且∝010，利用matlab 对突然三相短路后的定子电流进行数值计算基本步骤如下：参数计算:计算各衰减时间常数T a =2x d "x q "ωr(x d "+x q ")12×0.21×0.3150×2π×(0.21+0.31)10836s T q "=x q"x q T q0"10.310.6×1.4s =0870s x αd ′=x ∝x αd x ∝+x αd =0.15×0.850.15+0.85=0.128 x f ′=x σf +x αd ′=0.18+0.128=0.308x D ′=x ∝D +x αd ′=0.10+0.128=0.228T f ′=x f ′x f T d0′=0.3080.18+0.85×5s =1.5s T d ′=x D ′x D T D =0.2280.10+0.85×2s =0.48s σfd f =1−(x αd ′)2x f ′×x D ′=1−0.12820.308×0.228=0.767 q =√1−4σfd f T f ′T d′(T f ′+T d ′)2=√1−4×0.767×1.5×0.48(1.5+0.48)2=0.66 T d "=12×(1−q )(T f ′+T d ′)=12×(1−0.66)(1.5+0.48)s =0.34s T d ′=12×(1+q )(T f ′+T d ′)=12×(1+0.66)(1.5+0.48)s =1.64s 根据公式i a =−E q [0]x d cos (ωt +∝0)−(E q0"x d "−E q [0]′x d ′)exp (−t T q ")cos (ωt +∝0)−(E q [0]′x d ′−E q [0]x d )exp (−t T q )cos (ωt +∝0)−E d0"x q exp (−t T q )sin (ωt +∝0)+V [0]2(1x d "+1x q ")exp (−t T a )cos (δ−∝0)+V [0]2(1x d "−1x q ")exp (−t T a )cos (2ωt +δ+∝0) 由于空载时，将E q[0]=E q[0]′=E q0"=V [0]=1，E d0"10， ∝010，带入公式可得i a =−cos (ωt +∝0)−1.43e −2.97t cos (ωt +∝0)−2.43e 0.608cos (ωt +∝0)+4e −6.3t cos (−∝0)+0.77e −6.43t cos (2ωt +∝0)Watlab 编程实现：N=48;t1=(0:0.02/N:1.00);fai=0*pi/180;Ia=(-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-...2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)+...4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180)+0.77*exp(-6.1*t1).*cos(2*2*50*pi*t1+fai));Ia1=-cos(2*pi*50*t1+fai)-1.43*exp(-2.97*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai)-...2.34*exp(-0.608*t1).*cos(2*pi*50*t1+fai);Ia2=0.77*exp(-6.3*t1).*cos(2*pi*2*50*t1+fai);Iap=4*exp(-6.3*t1).*cos(-fai*pi/180);subplot(4,1,1);plot(t1,Ia);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Ia(p.u.)');subplot(4,1,2);plot(t1,Ia1);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Ia1(p.u.)');subplot(4,1,3);plot(t1,Ia2);grid on;axis([0 1 -1 1]);ylabel('Ia2(p.u.)');subplot(4,1,4);plot(t1,Iap);grid on;axis([0 1 -10 10]);ylabel('Iap(p.u.)');xlabel('t/s');运行以上程序得到突然发生三相短路时的a相定子电流，以及基频分量，倍频分量和非周期分量的波形，并且短路后的冲击电流标幺值为983707。
