基于Matlab的小型电力系统的建模与仿真
中南大学 自动化0606班 李珲
内容提要 利用Matlab/Simulink/SimPowerSystems建立电力系统三相短路和单相接地短路模型，通过短路故障进行设计、仿真、分析，加深对工厂供电和电力系统知识的了解，并学会使用MATLAB电力系统仿真工具。
关 键 词 电力系统 短路故障 MATLAB 建模与仿真
随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大。在这种情况下，许多大型的电力科研实验很难进行，一是实际的条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的。因此，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具必不可少。而在众多的仿真工具中，Matlab以其优越的运算能力、方便和完善的绘图功能，以及其带有的功能强大的Simulink仿真，越来越受到使用者的青睐。
1、MATLAB PSB简介
Matlab PSB(SimPowerSystems)以Simulink为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电气学科中常用的基本元件和系统仿真模型，它主要由6个子模块库组成。
(1)电源模块库：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源、可控电流源、三相电源、三相可编程电压源；
(2)基本元件模块库：串联(并联)RLC/负载/支路、变压器(单相、三相等)、断路器和三相故障部分；
(3)电力电子模块库：二极管、晶闸管、GTO、IGBT、MOSFET、理想开关以及各种电力电子控制模块；
(4)电机模块库：励磁装置、异步电动机、同步电动机、直流电动机以及配套的电机测量部件；
(5)测量仪器库：电流测量和电压测量等；
通过以上模块可以完成各种基本的电力电子电路、电力系统电路和电气传动电路，还可以通过其他模块的配合完成更高层次的建模，如风力发电系统、机器人控制系统等等。
2、仿真模型的设计和实现
在三相电力系统中，大多数故障都是由于短路故障引起的，在发生短路故障的情况下，电力系统从一种状态剧烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。下图为理想情况下小型电力系统的模型。
图1 小型电力系统模型
模型中主要模块的选择和参数：
(1)电源模块：理想三相电压源元件(3-Phase Source)，
相电压有效值：25e3V；
A相相角：0°；
频率：60Hz；
内部连接方式：Y型(表示三相电源Y型连接，中性点不接地)；
三相电源电阻：0.321欧姆；
三相电源电感：6.63e-3H；
(2)输电线路模块：输电线路元件(Distributed Parameters Line)：Line1、Line2，
线路相数：3；
频率：60Hz；
单位长度电阻：[0.01273 0.3864]；
单位长度电感：[0.9377e-3 4.1264e-3]；
单位长度电容：[12.74e-9 7.751e-9]；
线路长度：100km；
测量：选择不测量电气量；
(3)故障模块：三相电路短路故障发生器元件(3-Phase Fault)，
故障点电阻：0.001欧姆；
故障点接地电阻：0.001欧姆；
转换状态:[1 0]；
转换时间[0.01 0.04]；
内部计时器的采样时间：0；
缓冲电阻：1e6；
缓冲电容：inf；
测量：选择测量故障点支路电压和支路电流；
(4)显示模块：从SIMULINK元件库SINKS目录下选择示波器(SCOPE)，分别改名为，
V-I：用于电压源出口处三相电流和电压的显示，输入轴为2；
Vf-If：用于故障点三相电流和电压的显示。输入轴为1；
A-Phase Sequence：用于故障点A相电流和电压的正序、负序和零序显示，输入轴为2；
(5)测量模块：从电路测量一起哭中选择万用表元件(MULTIMETER)和三相序分量分析(3-Phase Sequence Analyzer)，
万用表元件：将相应待测量加入万用表的测量量中；
三相序分量分析：基频频率：60Hz；谐波次数：1(基频)；序量选择：所有序分量(Positive，Negative and Zero)；
(6)其他模块：相应的接地元件、节点等，以及电力系统分析工具。
(7)仿真参数设置：当电路图设计完成后，对其进行仿真，以达到观察短路接地电路中暂态变化情况，
开始时间：0s；
停止时间：0.06s；
求解程序类型选项：可变步长，ode15s(stiff/NDF)；
最大步长、最小步长、初始步长：auto；
相对容差：1e-3；
绝对容差：auto；
3、仿真结果及波形分析
(1)三相短路：
将三相电路短路故障发生器中的故障相选择三相故障都选择，并选择故障相接地选项，万用表中选择A相
