2 ® 2 2 2 第 24 卷 　第 3 期 2006 年 6 月 石河子大学学报 (自然科学版) Journal of Shihezi University(Natural Science) Vol. 24 　No. 3 Jun. 2006 文章编号 :1007 7383 (2006) 01 0332 03 Matlab 在同步发电机短路分析中的仿真应用 刘新刚 ,加玛力汗 ,晁 　勤 (新疆大学电气工程学院 新疆乌鲁木齐 830008) 摘要 : 通过 Matlab 在同步发电机短路分析中的仿真应用 ,将 Matlab 中的 SimPowerSystems 模块引入到电力系统的分 析研究中 ,使大家对电力系统抽象的理论有一个生动 、形象的认识 ,从而增强分析实际工程的能力 。 关键词 : 同步发电机 ; 电力系统 ; SimPowerSystems 中图分类号 : TM307 1 　　　　文献标识码 : A 　　　　 　　由于电力系统分析理论性强 ,内容抽象 ,学习和 实验难度大 ,而 Matlab 软件提供了图形输入与仿真 工具 Simulink ,用户只要根据所建立的数学模型和 一些具体的模拟要求 ,从 Simulink 中的 SimPowerSys tems 模块库中拖放合适的模块组合在一起 ,就可以 很方便地进行电力系统分析 、仿真 、数值处理和设 计 。 同步发电机在带负载情况下突然三相短路 ,可 利用 SimPowerSystems 模块对其相间短路中的电流波 形 、电压波形和故障点的各相电流序分量图进行模 拟仿真分析 。 1 　数学模型 图 1 为一台带有负载的三相同步发电机 ,其端 U| 0| 表示端电 点突然发生三相短路的等值图 ,图中 压相量 。 图 1 　短路等值示意图 由电力系统分析知识可知发生短路后衰减的 i a 表达式为 (无阻尼绕组) : i a = [ ( ]cos ( t +θ0) - - ) e - t d + T′ Eq| 0| x d E′q| 0| x′d - t Tα cos (δ0 - θ0) - ) e Eq| 0| x d u| 0| 2 - + ) e - t Tα 1 xq 1 xq ( 1 x′d ( 1 x′d u| 0| 2 cos (2 t +δ0 +θ0) 式 (1) , E′q| 0| 为正常运行时的暂态电势 , Eq| 0| 为空载 电势 , x′d 为直轴暂态电抗 , xq 为交轴电抗 ,θ0 为 d 轴和α相磁链轴线的夹角 , T′d 为励磁绕组在定子 开路下的时间常数 , Tα 为非周期分量和二倍基频分 量的衰减时间常数 。 由此表达式可以看出 : 1) 同步发电机在三相突然短路后 , 短路电流中 除了周期分量外 , 还有非周期分量和二倍同步频率 分量 ; 2) 短路电流周期分量起始幅值大 , 经过衰减而 到稳态值 ; 3) 非周期分量的衰减主要取决于定子电阻和定 子的等值电抗 (介于 x′d 和 xq 间的平均值) 。 2 　Matlab 仿真电路及其分析 使用简化的同步电机 (Simplified Synchronous Ma chine) ,使用三相并联 RLC 负载 (3 Phase Parallel RLC Load) ,并 通 过 三 相 短 路 故 障 发 生 器 元 件 ( 3 Phase Fault) 实现同步电机的三相短路 。由相量选择器 (Selector) 来选择要测量的相进行分析 ,通过三相序 分量分析元件 (3 Phase Sequence Analyzer) 用于观测 各序分量的波形 。 在 Command Window 下键入 Powerlib ,打开窗口 　收稿日期 : 2005 12 06 作者简介 : 刘新刚 (1978 ) ,男 ,硕士生 ,从事电力系统综合自动化研究 。xingang liu2008 @hotmail. com 

第 3 期 　　　　　　　　　　　刘新刚 ,等 : Matlab 在同步发电机短路分析中的仿真应用 　　　　　　　　　　　　 333 后建立新文件 ,用鼠标将要用到的图标拖放到新建 的窗口文件 ,然后将各模块连接 ,构成如图 2 所示的 系统仿真电路图 。 其中发电机的视在功率为 500MVA ,额定线电 压为 156kV ,额定频率为 50Hz。故障发生的时刻为 0. 05s ,在 0. 4s 时可将故障排除 。 图 2 　同步发电机突然短路电路模型 　　双击三相短路故障发生器元件 ,选中 A、B 、C 三 相故障 ,并选择故障相接地 。点击 Start Simulation 按 钮进行仿真 ,点击示波器 V、I 观察三相短路时的电 压和电流波形如图 3 所示 。 由图 3 可以看到 ,当同步发电机在 0. 05s 发生 三相短路时 ,A、B 、C 三相的电压瞬间为零 ,而电流 突然增大 ,且幅值不等 ,随着时间的推移 ,电流在逐 渐衰减 ,到 0. 4s 时 ,故障切除 ,发电机又回到稳定状 态 。 对称分量法可以把故障电流 、故障电压分解为 正序 、负序 、零序三组对称分量 ,通过比较各种故障 时各序分量的相位变化规律 ,对故障进行分析 。 选中正序 (positive) 、负序 (negative) 、零序 (zero) 进行 A 相电压和电流序分量幅值和相角图仿真 ,波 形如图 4 所示 。 通过仿真电路 ,可改变各元件的关键参数来观 察该参数对整个系统的影响过程 ,同时还可以观测 各相的详细情况 ,例如要观测 A 相的电流电压波 形 ,或 A 相的正序波形等等 ,只需要对仿真电路中 的相量选择器和三相序分量分析元件进行设置即 可 。 图 3 　三相短路时的电压和电流波形 　　　　　　　图 4 　故障点 A 相电压电流序分量幅值和相角 3 　结论 利用 Matlab 的 SimPowerSystems 模块库可方便地 对所研究的电力系统对象进行各种暂态和稳态数字 仿真 。依靠仿真图形化的帮助 ,可使工程技术人员 直观地了解电气参数变化对电力系统分析 、运行的 

433　　　　　　　　　　　　　　　　　　　石河子大学学报 (自然科学版) 　　　　　　　　　　　　　　　　第 24 卷 影响 ,验证理论分析结果 ,从而加深对理论的理解和 认识 。 参考文献 : 1 李光琦. 电力系统暂态分析 M . 北京 : 水利水电出版 社 ,1985. 2 吴天明 ,谢小竹. 彭彬. Matlab 电力系统设计与分析 M . 北京 :国防工业出版社 ,2004. 3 周 　鹗. 电机学. 东南大学 M . 北京 :中国电力出版社 , 1995. The Emulation Application of Matlab in the Analysis of Short Circuit in Synchronous Generator LIU Xin gang ,Jiamalihan ,CHAO Qin (Department of Electrical Engineering ,Xinjiang University ,Wulumuqi ,Xinjiang 830008 ,China) Abstract : Through the emulation application of Matlab in the analysis of short circuit in Synchronous Generator ,the arti cle leads SimPowerSystems module in Matlab into the analysis and research of power system , making readers have a vivid and lively understanding to the abstract theory of power system ,thereby improving the ability of analyzing real projects. Key words : Synchronous Generator ; power system ; SimPowerSystems