电力系统过电压实验指导

电力系统过电压实验指导书电气与电子工程学院高电压与绝缘技术专业2011年9月实验一MATLAB/SIMULINK软件应用基础一．实验目的：1．了解MATLAB/SIMULINK软件以及SimPowerSyetems库的特点。

2．熟练掌握SIMULINK模块的基本操作。

3．掌握振荡电路的暂态过程的仿真方法。

二．实验内容：1．MATLAB/SIMULINK软件的特点：MathWorks公司推出的MATLAB，具有优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力，并以交互式程序设计的方式为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的科学计算环境。

SIMULINK是MATLAB中的一种基于框图设计思想的可视化仿真工具，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统，具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，已被广泛应用于控制理论、数字信号处理以及图像处理等领域中。

2．SimPowerSyetems库的特点：SimPowerSystems库是SIMULINK中的一个专用模块库，是在SIMULINK环境下进行电力、电子系统建模和仿真的先进工具。

它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将仿真系统图变化成状态方程描述的系统形式，然后在SIMULINK下进行仿真分析，可为电路、电力电子系统、电机系统、发电系统、输变电系统和配电计算提供了强有力的解决方法。

3．SIMULINK模块的基本操作：1)移动：选中需要移动的模块后，按住鼠标左键不放，将其拖拽到所需位置即可。

2)改变大小：选中需要改变大小的模块后，直接拖拽模块四角出现的4个黑色标记即可。

3)旋转：选中需要旋转的模块，然后选择菜单命令“Format”中的“Rotate”，模块将顺时针方向旋转90度，而“FlipBlock”可将模块旋转180度。

4)复制：选中需要复制的模块后，按住鼠标右键不放，将其拖拽到所需的位置即可，也可通过“Edit”菜单下的“Copy”和“Paste”命令来实现。

5)删除：选中需要删除的模块，按Delete键可直接将其删除6)选中多个模块：当需要对多个模块同时进行操作时(如移动、复制和删除等)，可按住Shift键，并用鼠标单击想要选中的模块。

7)模块标签：在标签的位置上双击鼠标，则模块标签进行编辑状态。

编辑完标签后，在标签外的任意位置上单击鼠标，则出现新的合法标签。

8)参数设定：在SIMULINK中，几乎所有模块的参数都允许用户自行设置，只要双击要设置的模块或在模块上按鼠标键，在弹出的快捷菜单中选择相应的模块参数设置命令，就会弹出参数模块参数设置对话框，利用此对话框就可实现模块参数的设置。

4．振荡电路的暂态过程的仿真电路图：三．实验要求：在振荡电路的暂态过程的仿真电路中，已知电阻R = 2kΩ，电容C = 2.5μF，电感L = 2H，电压源V s = 100sin(100πt+π/3)。

试建立仿真电路，并观察电路中电流变化情况。

四．实验步骤：1.搭建仿真系统图：运行MATLAB后，可通过在命令窗口(如图1-1所示)中输入simulink 或是单击MATLAB工具栏中的Simulink图标，打开SIMULINK模块库浏览器主窗口(如图1-2所示)。

图1-1MATLAB命令窗口点击图1-2菜单栏中的菜单项[File>New>Model](如图1-3所示)，打开一个名为untitled的空模型窗口，以文件名exam1存盘(如图1-4所示)。

图1-3创建新模型的菜单项图1-2SIMULINK模块库浏览器主窗口图1-4创建的新模型文件在图1-2中找到名为SimPowerSystems的模块库，双击该图标，以打开电力系统模块库如图1-5所示。

图1-5SimPowerSystems模块库单击“ElectricalSources”图标，打开该模块库，选中交流电压源模块(ACVoltageSource)，鼠标左键按下，拖曳到文件exam1中，鼠标左键松开,将其添加到exam1模型文件中。

在该交流电压源模块的标签位置双击，则模块标签呈现编辑状态，输入新标签vs，则电压源模块的名称将变更为vs。

双击vs模块，打开其参数对话框，并按照图1-6输入电压幅值、相角和频率，然后单击确定回到文件exam1窗口中。

图1-6交流电压源vs的参数设置对话框图1-7串联RLC支路的参数设置对话框单击“Elements”图标，打开该模块库，选中串联RLC支路(SeriesRLCBranch)，拖曳到文件exam1中；并将该元件标签更改为Z_eq；双击该元件，打开参数设置对话框，并按照图1-7进行设置。

同时，从“Elements”库中选择接地元件(Groundblock)，拖曳到exam1。

为了观测到回路电流的波形，模型总还需要添加两个元件：电流表和示波器。

单击“Measurements”图标，打开该模块库，选中电流表模块(CurrentMeasurement)，拖曳到文件exam1中；双击“Simulink”图标，选中“Sinks”模块库中的示波器(Scope)，拖曳到文件exam1中，从而完成电流表模块和示波器模块的添加，最后，重新排列各模块位置并连接，得到仿真电路如图1-8所示。

图1-8振荡电路的暂态过程的仿真电路2.电路仿真：在仿真开始前，将仿真终止时间设置为0.2，如图1-9所示。

之后，单击图1-9中的“”图标，就可进行数值仿真。

仿真结束后，双击示波器，观察电流波形，如图1-10所示。

图1-9仿真终止时间的设置图1-10振荡电路的暂态过程仿真结果五．结果分析：按题意，回路电流幅值为初始相角为观察图1-10的仿真结果可知，通过SIMULINK仿真所得到的电流波形幅值与理论计算结果一致，可见SIMULINK软件能很好的实现电路的仿真。

六．实验报告要求：1、阐述对MATLAB/SIMULINK软件的认识；2、参数RLC以及电压的幅值、相角的设置禁止出现雷同，否则一律作废；3、要求有理论结果与仿真结果的对比分析。

实验二长线路中波过程的仿真分析一．实验目的：1、了解描述输电线路的等值电路模型。

2、掌握SIMULINK中用于实现输电线路的等效模块及其对应参数含义。

3、掌握多段PI型等效电路模块实现长线路阻抗的频率特性。

二．实验内容：1.输电线路的等值电路模型：输电线路的基本电气参数有电阻、电抗、电纳和电导，这些参数主要取决于导线的种类、尺寸和布置方式等因素。

输电线路的参数实际上是沿线路均匀分布的，可将参数均匀分布的输电线路看成由无数个长度为d x的小段组成，若每单位长度导线的电感及电阻分别为L和R，每单位长度导线对地电容及电导分别为C和G，则单相等值电路如图2-1所示。

图2-1输电线路的等效电路模型2.RLC串联支路模块：在电力系统中，对于电压等级不高的短线路(长度不超过100 km 的架空线路)，通常忽略线路电容的影响，用RLC串联支路来等效。

SimPowerSystems库提供的RLC串联支路如图2-2所示，具体的参数含义如下：图2-2RLC串联支路图标(1)“电阻”(ResistanceR)文本框：电阻(单位：Ω)。

(2)“电感”(InductanceL)文本框：电感(单位：H)。

(3)“电容”(CapacitanceC)文本框：电容(单位：F)。

(4)“测量参数”(Measurements)下拉框：对以下变量进行测量。

①“无”(None)：不测量任何参数；②“支路电压”(Branchvoltages)：测量支路电压；③“支路电流”(Branchcurre nts)：测量支路电流；④“所有变量”(Branchvoltagesandcurrents)：测量支路电压和电流。

注意：选中的测量变量需要通过万用表模块进行观察。

3.PI型等效电路模块：在电力系统中，对于长度大于100 km的架空线路以及较长的电缆线路，电容的影响一般是不能忽略的。

因此，潮流计算、暂态稳定分析等计算中常使用PI型电路等效模块，其等效电路及单相和三相图标如图2-3所示。

a)PI型等效电路b)PI型等效电路模块单相和三相图标图2-3PI型等效电路及其模块图标单相PI型等效电路模块的参数对话框中参数的含义：(1)“基频”(FrequencyusedforRLCspecification)文本框：仿真系统的基频用于计算RLC参数值。

(2)“单位长度电阻”(Positive-andzero-sequenceresistances)文本框：正序和零序电阻[R1R0](单位：ohms/km)。

(3)“单位长度电感”(Positive-andzero-sequenceinductance)文本框：正序和零序电感[L1 L0](单位：H/km)。

(4)“单位长度电容”(Posi tive-andzero-sequencecapacitance)文本框：正序和零序电容[C 1 C 0](单位：F/km)。

(5)“线路长度”(Linesectionlength)文本框：线路长度(单位：km)。

长度不超过300 km 的线路可用一个PI 型电路来代替，对于更长的线路，可用串级联接的多个PI 型电路来模拟。

PI 型电路限制了线路中电压、电流的频率变化范围，可以满足基频下的电力系统以及电力系统与控制系统之间的相互关系的计算精度，但是对于研究开关开合时的瞬变过程等含高频暂态分量的问题时，就不能不考虑分布参数的特性了，这时应该使用分布参数线路模块。

4. 多段PI 型等效电路模块实现长线路阻抗的频率特性仿真： 一条300kV 、50Hz 、500km 的输电线路，其z =(0.1+j0.5)Ω/km ，y =j3.2×10-6S/km ，试分析用多段PI 型等效参数表示的线路阻抗的频率特性。

三．实验步骤：(1) 理论分析。

由已知，L =0.0016H ，C = 0.0102μF ，可得线路传播速度为电压在300km 线路上从其首段传播到尾端的时间为T =54.247300=1.212ms 振荡频率为8251==T f Hz 按理论分析，第一次谐振发生在1/4f ，即频率206Hz 处。

此后，每206 + n × 412Hz(n =1，2，…)，即618，1031，1444，…处均发生谐振。

(2)按图2-4搭建仿真电路。

选用的各模块的名称及提取路径如表2-1所示。

图2-4多段PI 型等效电路模块仿真电路图表2-1仿真各模块的名称及其提取路径(3)设置模块参数和仿真参数。

设置PI型输电线路参数如图2-5所示。