【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第 12 頁(yè) 第 2 章 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 電 力系統(tǒng)在運(yùn)行中易受到多種因素的影響而發(fā)生故障，威脅系統(tǒng)的安全可靠性，因此迅速、準(zhǔn)確地探測(cè)出電纜故障并對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)提高供電可靠性、減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值 [1]。目前，線路保護(hù)已經(jīng)進(jìn)入微機(jī)保護(hù)時(shí)代，電力系 統(tǒng)繼電保護(hù)中的信號(hào)處理仍以分析為主，同時(shí)考慮到電力運(yùn)行實(shí)際情況，在 Matlab/Simulink 平臺(tái)下更好的運(yùn)用仿真手段更突出了現(xiàn)實(shí)意義。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制 電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾 ( 如短路故障 , 突然增加或減少發(fā)電機(jī)出力、大量負(fù)荷 , 突然斷開線路等 ) 后 , 各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力 , 通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的 , 本文以單機(jī) —無(wú)窮大系統(tǒng)為例 , 主 要 利用 matlb 軟件對(duì)單機(jī) —無(wú)窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)線路發(fā)生接地短路故障在一定時(shí)間內(nèi)切除后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況 ,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。通過仿真參數(shù)來證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。 MATLAB 及 SimPowerSystem 簡(jiǎn)介 MATLAB 是 Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，由 Mathworke 公司開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的軟件，最早它主要用于科學(xué)計(jì)算。后來隨著 MATLAB 功能的不斷增強(qiáng)和應(yīng)用的普及，很多領(lǐng)域的專家為 MATLAB 寫了專門的工具箱，用以拓展MATLAB 的功能，這大大擴(kuò)大了 MATLAB 的應(yīng)用范圍。所以現(xiàn)在的 MATLAB 已不僅僅局限與現(xiàn)代控制系統(tǒng)分析和綜合應(yīng)用，它已是一種包羅眾多學(xué)科的功能強(qiáng)大的技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言，是當(dāng)今世界上最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算軟件之一。它強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算與可視化功能，簡(jiǎn)單易用，開放式可擴(kuò)展環(huán)境，特別是所附帶的 30 多種面向不同領(lǐng)域的工具箱支持，使得它在許多科學(xué)領(lǐng)域中成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，算法研究和應(yīng)用開發(fā)的基本工具和首選平臺(tái) [2]。 MATLAB 環(huán)境下的 Simulink 是用于對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建 模和仿真的圖形化交互式平臺(tái)。運(yùn)行于 Simulink 下的 PSB（ Power System Blockset）是針對(duì)電力系統(tǒng)的畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 佳木斯大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 第 13 頁(yè) 工具箱，從 Matlab 開始它被重新命名為 SPS（ SimPowerSystem）。 SimPowerSystem是以 HydroQuebec39。研究中心的專家為主的 MATLAB 的開發(fā)的工具箱，主要用于電力系統(tǒng)電力，電子電路的仿真。隨著 MATLAB 的不斷升級(jí)， SimPowerSystem 也得到了很大的發(fā)展?，F(xiàn)在，從 MATLAB13 版的開始， SimPowerSystem 和 SimMechanies 一起作為現(xiàn)實(shí)模型產(chǎn)品族的成員，結(jié)合 Simulink 的使用，可以仿真電氣，機(jī)械以及控制系統(tǒng)。使用 SimPowerSystem，不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的軟件命令，編寫軟件代碼，用戶可以專注于物理模型本身，通過與實(shí)際電路圖非常相似的符號(hào)，表示復(fù)雜的電網(wǎng)，這有助于大大提高仿真的效率。 配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析 電力系統(tǒng)中壓配電網(wǎng)一般采用不直接接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，因其發(fā)生接地故障時(shí)，流過接地點(diǎn)的電流小，所以稱為小電流接地系統(tǒng)。此系統(tǒng)中接地故障最高，由于三個(gè)線電壓仍然對(duì)稱，不影響負(fù)荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，但接地后 非故障相電壓會(huì)升高，長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)影響系統(tǒng)安全，因此需要對(duì)故障時(shí)刻和故障線路進(jìn)行檢測(cè)。另外故障初期接地點(diǎn)常常伴有很大的接地電阻，各次諧波電流分量很小這將影響故障檢測(cè)的靈敏度。因此，需要具有很強(qiáng)的處理微弱信號(hào)能力的數(shù)字信號(hào)處理方法去分析非平穩(wěn)信號(hào)。 對(duì)配電網(wǎng)接地短路故障的研究，主要有利用短路后的穩(wěn)態(tài)分量、諧波分量和暫態(tài)分量等幾種方法。利用故障后的穩(wěn)態(tài)分量進(jìn)行故障檢測(cè)，存在的問題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小常導(dǎo)致選線裝置不能正確動(dòng)作而且該方法要求有一個(gè)持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過程因此在發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)便不再適用，因此利用能 對(duì)突變的微弱的非平穩(wěn)故障信號(hào)進(jìn)行精確處理的小波分析理論 ,可以很好地分析電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程并提取出故障特征 ,。 電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾 (如短路故障，突然增加或減少發(fā)電機(jī)出力、大量負(fù)荷，突然斷開線路等 )后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力。通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的。 利用 matlb 軟件對(duì)單機(jī) —無(wú)窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)線路發(fā)生接地短路故障在一定時(shí)間內(nèi)切除后，發(fā) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況 ,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又影響了畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 佳木斯大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 第 14 頁(yè) 電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。通過仿真參數(shù)來證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程 由于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真研究將不能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬得以實(shí)現(xiàn)。因此在判定一個(gè)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性時(shí)，都可以首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究，它的突出優(yōu)點(diǎn)是可行、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。 Matlab 電力系統(tǒng)工具箱包含的模塊有：Electrical Sources(電源庫(kù) )、 Elements(元件庫(kù) )、 PowerElectronics(電力電子元 件庫(kù) )、Machines(電機(jī)庫(kù) )、 Connectors(連接器庫(kù) )、 Measurements(測(cè)量?jī)x器庫(kù) )、 Extra Library(附加元件庫(kù) )、 Demos(示例庫(kù) )、 Powergui(圖形用戶界面 graphical user interface)等， 為了研究電力系統(tǒng)的特性，搭建的系統(tǒng)應(yīng)最大限度的再現(xiàn)實(shí)際中的電力系統(tǒng)。利用模塊庫(kù)中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，對(duì)各環(huán)節(jié)元件作了一定的理想化。對(duì)各元件的參數(shù)也作了一定的取舍與簡(jiǎn)化，隨著模塊庫(kù)的不斷更新與完善，利用已有模塊搭建的系統(tǒng)基本能模擬實(shí)際電力系統(tǒng)的 特性．成為對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、仿真的一個(gè)有力工具。 畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 佳木斯大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 第 15 頁(yè) 第 3 章 單機(jī) —無(wú)窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題是指電力系統(tǒng)運(yùn)行中受到擾動(dòng)后能否保持發(fā)電機(jī)間同步運(yùn)行的問題，根據(jù)擾動(dòng)大小所確定的穩(wěn)態(tài)問題的性質(zhì)，把它分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。所謂電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性，一般是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行中受到微小擾動(dòng)后，獨(dú)立地恢復(fù)到它原來的運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行情況下突然受到大的干擾后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，是相對(duì)于小干擾而言的。如果系統(tǒng)受到大的 干擾后仍能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，則系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大的干擾后不能建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，而是各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子間一直有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)角不斷變化，因而系統(tǒng)的功率電流和電壓都不斷振蕩，以至整個(gè)系統(tǒng)不能再繼續(xù)運(yùn)行下去，則稱為系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的原因 主要有以下幾種： （ 1）負(fù)荷的突然變化，如投入或切除大容量的用戶等； （ 2）切除或投入系統(tǒng)的主要原件，如發(fā)電機(jī)，變壓器及線路等； （ 3）發(fā)生短路故障。 其中短路故障的擾 動(dòng)最為厲害，常以此作為檢驗(yàn)系統(tǒng)是否具有暫態(tài)穩(wěn)定的依據(jù)。而且短路故障中，單相接地短路故障最多。在發(fā)生短路的情況下，電力系統(tǒng)從一種狀態(tài)激烈變化到另一種狀態(tài)，產(chǎn)生復(fù)雜的暫態(tài)現(xiàn)象。在三相系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路等。當(dāng)動(dòng)態(tài)電路從某一穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，一些物理量（如電容電壓，電感電流等）并不會(huì)突變，而是需要一定時(shí)間。在這期間，電路將呈現(xiàn)出不同于穩(wěn)態(tài)的特別現(xiàn)象，即電路的過渡過程或暫態(tài)現(xiàn)象。分析電路的暫態(tài)現(xiàn)象時(shí)，可建立電壓電流的微分方程，并按初始來求解。 定性分 析 在正常運(yùn)行情況下，若原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率為 Pm，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率就與原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率相平衡，發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)由 P1和 Pm 線的交點(diǎn)確定，即畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計(jì)） 用 紙 佳木斯大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 第 16 頁(yè) 為 a 點(diǎn)，與此對(duì)應(yīng)的功率角為 0? ，見圖 中虛線所示為不計(jì)阻尼作用的曲線，實(shí)線所示為計(jì)阻尼作用的曲線。 39。k? 圖 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定 圖 電力系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定 在發(fā)生短路瞬間，由于不考慮定子回路的非周期分量，則周期分量的功率是可以突變的，于是發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)有 PI突然將為 PII。又由于發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)的慣性所致，功率角 ? 不可能突變，仍為 0? 。那么運(yùn)行點(diǎn)由 a 點(diǎn)躍降到短路時(shí)功 角特性曲線 PII 上的 b 點(diǎn)。達(dá) b 點(diǎn)后，輸入的機(jī)械功率 Pm大于輸出的電磁功率 PIIb，不平衡凈加速功率大于零。依轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式，于是轉(zhuǎn)子 開始加速，即 0??? ，功率角 ? 開始增大， 0??? ，運(yùn)行點(diǎn)將沿功 角特性曲線 PII 移動(dòng)，設(shè)經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)功率角增大至 ? c 時(shí)，此時(shí)運(yùn)行在 c 點(diǎn)，速度達(dá)到最大 max? 。若在 c 點(diǎn)事切除線路故障，在切除線路故障的瞬間，仍由于不考慮定子回路電流的非周期分量及機(jī)組轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性，? 為 ? c，運(yùn)行點(diǎn)從 PII 上的 c 點(diǎn)突升到 PIII 上的 e 點(diǎn)，此時(shí)速度仍為 max? 。在達(dá)到 e點(diǎn)后，機(jī)械功率 PmPIIIe（電磁功率 ），轉(zhuǎn)子開始減速。由于 Ne ??? 及機(jī)組轉(zhuǎn)子的慣性作用，則功率角 ? 還在增大，運(yùn)行點(diǎn)沿 PIII 由 e 點(diǎn)向 f 點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá) f 點(diǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速 Ne ??? （同步轉(zhuǎn)速），功率角 ? 不再繼續(xù)增大，這時(shí)的功率角為最大功率角 max? 。但在 f 點(diǎn)， PmPIIIf，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)減速，功率角 ? 開始減小，運(yùn)行點(diǎn)仍將沿功 角特性畢 業(yè)