基于Simulink的电力系统仿真研究

张惠萍

(淮阴工学院电子与电气工程学院，江苏淮安223003)

0 引言

我国电力系统的自动化水平越来越高，电气元件越来越复杂，使得供电系统以及系统中各个电气元件的构建和仿真变得越来越困难。MATLAB中的SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散或两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的系统。SIMULINK为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。自MATLAB发展到6.5版本以来，它在电力系统的分析中得到越来越广泛的应用。

1 理论分析

图1是某供电系统示意图。无穷大理想电源，断路器的短路容量为1000MVA，线路L为架空钢芯铝绞线 LGJ－120，线间几何均距为 3.5m，长50km，其单位电阻r为0.27Ω/km，单位电抗x为0.4Ω/km;变压器 T 的型号为 SFZ9 －10000/110，变比110/11=10，空载电压百分比Uk%为10.5，空载损耗为14.24KW，短路损耗为53.1KW，空载电流百分数I0%为0.91。

图1 简单的供电系统电路图

根据电力系统理论分析，K点发生短路后，短路电流出现极大值要满足以下两个条件:

(1)短路前空载;

(2)短路瞬间电压瞬时值刚好过零值。将供电点等效为理想电压源，断路器的电抗折合成理想电源的内阻抗。同时忽略线路和变压器中的并联导纳。

线路电阻:Rl=r× L=0.135Ω

线路电抗:Xl=x× L=0.2Ω

线路的单位电感:l=x/ω =0.4/100π =0.00127H

变压器电抗:

电源至短路点K的阻抗为:

求出K点的短路电流稳态幅值为:

将时间常数 Ta=l/r=0.00127/0.27=0.00471

代入下式得短路电流冲击值为:ish=Ipm×(1

2 构建仿真电路图及参数设置

按图1搭建根据各个环节搭建仿真电路如图2所示。

2.1 电源模块

电源模块设置额定电压为110KV，电源内电阻为零，内电感设置为系统电抗所对应的电感，为

0.038H。

2.2 输电线路模块

输电线路设置为Π形等效电路，根据给定条件分别设置单位长度的线路正序和零序电阻为［0.27 0.62］Ω /k m、电感为［1.27 e－34.38e－3］H/km、电容为［56e－928e－9］F/km。

图2 仿真系统图

2.3 变压器模块

变压器模块参数设置是比较困难的地方，打开变压器的设置参数对话框，需要设置其一次绕组、二次绕组以及励磁回路的单位电阻和电感值，以上数据可以根据电压器的实际参数结合变压器的T型等效电路通过推导求出。

根据变压器的T型等效电路，可以得到以下三式:

3 仿真结果分析

设置三相故障发生器在0.04秒时短路，在0.22秒时结束短路过程，短路前后变压器均为空载运行。符合前面分析的发生三相短路最大值的条件。设置仿真时间为0.3秒，采用ode23tb算法。

图3为变压器T的A相空载电压波形，从图中可以得出短路前变压器二次侧的A相空载电压幅值为9.1KV，则其空载电压百分数为:△Uk% =，与铭牌参数 10.5 基本吻合。证明变压器模型的参数设置正确。

图3 变压器A相空载电压波形

图4为通过万用表模块检测出的A相电流的波形，从图中可以看出，短路发生后约经过6个周期短路电路达到稳态，其稳态峰值电流为5.6KA与理论计算结果5.61KA相差了0.17%;在发生短路后约半个周期短路电流达到冲击值9.55KA，与理论计算值9.61KA相差了0.6%。这是由于仿真时短路发生器本身存在内阻，所以导致仿真结果比理论计算偏小。

图4 三相短路电流波形图

通过对构建的供电系统进行仿真分析后，可以发现仿真得到的短路电流周期分量以及冲击电流大小和理论计算一致，证明了本文模型的正确性，而仿真结果的准确性则依赖于各个模块参数的正确设置。

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