基于Simulink的5次諧波濾波器仿真實驗

電力系統(tǒng)仿真課程實驗報告基于MATLAB/Simulink的Park變換、三相序分量分析與5次諧波濾波器時域分析仿真實驗報告專業(yè):電力系統(tǒng)及其自動化課程名稱:電力系統(tǒng)仿真指導教師:易斌學員姓名:豆興偉學號:11109042023/12/23摘要：以對三相電路的Park變換、三相序分量分析和5次諧波濾波器時域分析的Simulink仿真為例，介紹了在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中建立電力系統(tǒng)仿真模型的根本方法，以及如何利用仿真模型對電路節(jié)點進行需要的波形分析和時域分析。通過比照電路仿真結果和理論計算結果，分析電路各器件工作原理與工作方式，論證了Simulink/SimPowerSystem仿真平臺可以很方便地創(chuàng)立和維護一個完整的電力系統(tǒng)模型，對不同電路結構進行精確分析并驗證系統(tǒng)性能。關鍵詞：Park變換；三相序分量；5次諧波；時域分析；Simulink一、實驗原理1、Park變換同步電機是電力系統(tǒng)的重要元件，主要由定子和轉子兩局部組成。一般情況下，推導同步電機的數(shù)學模型時是用abc坐標系統(tǒng)表示的電壓和磁鏈方程。abc三軸就是定子三相繞組的中心軸線。定子三相繞組中的電流分別表示如下：iii利用該坐標系統(tǒng)建立同步電機的電壓和磁鏈方程時非常容易理解，但是所建立的方程為變系數(shù)微分方程，求解比擬困難。為克服這一困難，將定子abc三相繞組的磁鏈和電壓方程用一組新的變量替換，即進行一次坐標變換，此處省略推導過程，直接給出最常用的變換是Park變換。Park變換是將abc坐標系統(tǒng)下的ia、ib、ic表示成dq0坐標系統(tǒng)下的id、iqi=iiiAbc坐標系統(tǒng)變換為dq0坐標系統(tǒng)的變換公式如下：iSimPowerSystem元件庫中提供了abc_to_dq0Transformation元件可以直接實現(xiàn)Park變換。其元件圖形與對話框如下圖：圖1abc_to_dq0Transformation元件圖形與對話框2、三相序分量分析電力系統(tǒng)正常運行時可以認為是三相對稱的，即三相阻抗相同，各處三相電壓和電流對稱，且具有正弦波形和正常相序。當電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或斷路時，那么對稱運行方式遭到破壞，三相電壓和電流將不對稱，且波形發(fā)生畸變。一般情況下，在電力系統(tǒng)分析中，對于不對稱故障采用簡單的對稱分量法進行分析。對稱分量法是指任意不對稱的三相相量均可以分解為三組相序不同的對稱分量：正序、負序、零序分量。它們之間的數(shù)學關系如下：F正序、負序、零序分量時，可以用下式合成三相量：FSimPowerSystem元件庫中提供了3-PhaseSequenceAnalyzer元件，可專門對電力系統(tǒng)進行三相序分量分析。在其參數(shù)對話框中，包括三個選項，分別是Fundamentalfrequencyf1：設置三相輸入信號的基波頻率；Harmonicn：指定進行序分量分析的諧波；Sequence：選擇顯示的序分量，包括：Positive，Negative，Zero和PositiveNegativeZero。參數(shù)設置界面如下列圖所示：圖23-PhaseSequenceAnalyzer元件圖形與對話框3、5次諧波濾波器時域分析5次諧波濾波器設計較簡單，主要的濾波是通過一個RLC串聯(lián)電路實現(xiàn)，通過對其參數(shù)的合理設置，到達濾波的目的。RLC串聯(lián)支路及其設置如下圖：圖3RLC串聯(lián)支路作為5次諧波濾波器的元件圖形與對話框設置二、實驗步驟及結果分析1、Park變換在Simulink仿真環(huán)境中搭建的Park變換仿真電路圖如下圖：圖4在Simulink仿真環(huán)境中搭建的Park變換仿真電路圖經(jīng)過調試，參數(shù)設置合理后，運行仿真得到輸出結果如下圖：圖5Park變換仿真輸出波形其中上局部曲線為三相坐標系統(tǒng)下電壓波形，下局部曲線為dq0坐標系統(tǒng)下電壓曲線。2、三相序分量分析在Simulink仿真環(huán)境中搭建如下圖電路圖模型：圖6三相序分量分析電路圖模型分別對Three-PhaseSource〔三相交流電壓源〕、DistributedParametersLine〔三相分布參數(shù)等值線路元件〕、Three-PhaseFault〔三相短路元件〕、3-PhaseSequenceAnalyzer〔三相序分量分析元件〕設置仿真參數(shù)，其中三相短路元件參數(shù)設置如以下對話框所示：圖7三相短路元件參數(shù)設置最下面一項Measurement應該選擇Faultvoltagesandcurrent，否那么Multimeter將無法工作，也就無法向三相序分量分析元件所需要的波形。仿真得到B相單相接地時三相電壓和電流曲線，如圖8所示：圖8B相單相接地時三相電壓和電流曲線單相接地發(fā)生前，A、B、C三相電壓、電流均對稱運行。0.03秒時，發(fā)生B相接地短路，此時三相電壓、電流發(fā)生變化B相電壓幅值迅速下降，其值大于零但小于相電壓，A、C相電壓迅速上升，其值大于相電壓但小于線電壓。B相電流幅值迅速上升。在0.06秒時，故障解除，三相電壓、電流又逐漸恢復為三相對稱運行的狀態(tài)。在Multimeter元件中選擇故障點A、B、C電壓：Ub:Three-PhaseFault/FaultAUb:Three-PhaseFault/FaultBUb:Three-PhaseFault/FaultC得到故障相B相電壓的正序、負序、零序分量的幅值和相位，如下圖：圖9B相電壓的正序、負序、零序分量在Multimeter元件中選擇故障點A、B、C電流：Ib:Three-PhaseFault/FaultAIb:Three-PhaseFault/FaultBIb:Three-PhaseFault/FaultC得到故障相B相電流的正序、負序、零序分量的幅值和相位，如下圖：圖10B相電流的正序、負序、零序分量這種情況下，故障相B相電流的正序、負序、零序分量均相等，與電力系統(tǒng)理論分析的結果相同，證明了此仿真分析方法的有效性和可靠性。3、5次諧波濾波器時域分析3.15次諧波濾波電路設計與搭建設計一個基于RLC串聯(lián)電路的5次諧波濾波器，并在Simulink仿真環(huán)境中搭建如下圖電路圖模型：圖11在Simulink仿真環(huán)境中搭建的5次諧波濾波器對線性電路各元件參數(shù)的初步分析，對到達穩(wěn)態(tài)的時間進行估算，仿真參數(shù)設置如下：Starttime：0；Stoptime：0.1；Type：Variable-step,ode45(Dormand-Prince)Maxstepsize：auto；Minstepsize：auto；Initialstepsize：auto；Relativetolerance：1e-3；Absolutetolerance：1e-6。3.2仿真結果及分析運行仿真，雙擊scope，看到輸出波形如下列圖所示：圖125次諧波濾波器輸出波形以上結果的上面曲線是Voltage，為5次諧波濾波器穩(wěn)態(tài)電壓輸出波形，下面曲線是Current，為5次諧波濾波器穩(wěn)態(tài)電流輸出波形。從結果看，濾波器RLC串聯(lián)支路元件參數(shù)設置合理。下面利用powergui對以上搭建的電路進行時域分析。雙擊powergui，選擇InitialStateSetting，那么可以看到初始狀態(tài)設置對話框，選擇tozero，將所有的狀態(tài)變量初始值設置為零，那么得到濾波器的輸出為零狀態(tài)響應，輸出結果如下圖：圖135次諧波濾波器的零狀態(tài)響應在powergui中選擇UseLTIView，在這里選擇阻抗測量元件的電流I_ImpedanceMeasurement作為系統(tǒng)輸入量，選擇阻抗測量元件的電壓作為系統(tǒng)輸出量，可以得到階躍響應曲線如下圖：圖14濾波器的階躍響應曲線在powergui中選擇ImpedancevsFrequencyMeasurement，那么出現(xiàn)阻抗或頻率測量對話框，在右側選擇需要顯示的頻率響應元件后，那么可以出現(xiàn)相應的變化曲線，此處選擇阻抗測量元件，那么出現(xiàn)的是阻抗值與頻率之間的關系曲線，如下圖：圖15阻抗與頻率的關系曲線三、心得體會本次仿真實驗通過對三相電路的Park變換、三相序分量分析和5次諧波濾波器時域分析的Simulink仿真為例，