【文章內容簡介】 第 12 頁 第 2 章 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 電 力系統(tǒng)在運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、準確地探測出電纜故障并對其進行分析，對提高供電可靠性、減少故障修復費用及停電損失具有重要理論意義和實用價值 [1]。目前，線路保護已經進入微機保護時代，電力系 統(tǒng)繼電保護中的信號處理仍以分析為主，同時考慮到電力運行實際情況，在 Matlab/Simulink 平臺下更好的運用仿真手段更突出了現實意義。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的控制 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)電機出力、大量負荷 , 突然斷開線路等 ) 后 , 各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力 , 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 —無窮大系統(tǒng)為例 , 主 要 利用 matlb 軟件對單機 —無窮大系統(tǒng)進行仿真，對線路發(fā)生接地短路故障在一定時間內切除后，發(fā)電機的轉速隨時間的變化情況 ,發(fā)電機轉速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機電磁功率的變化。通過仿真參數來證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。 MATLAB 及 SimPowerSystem 簡介 MATLAB 是 Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫，由 Mathworke 公司開發(fā)的一套功能強大的軟件，最早它主要用于科學計算。后來隨著 MATLAB 功能的不斷增強和應用的普及，很多領域的專家為 MATLAB 寫了專門的工具箱，用以拓展MATLAB 的功能，這大大擴大了 MATLAB 的應用范圍。所以現在的 MATLAB 已不僅僅局限與現代控制系統(tǒng)分析和綜合應用，它已是一種包羅眾多學科的功能強大的技術計算語言，是當今世界上最優(yōu)秀的數值計算軟件之一。它強大的科學運算與可視化功能，簡單易用，開放式可擴展環(huán)境，特別是所附帶的 30 多種面向不同領域的工具箱支持，使得它在許多科學領域中成為計算機輔助設計和分析，算法研究和應用開發(fā)的基本工具和首選平臺 [2]。 MATLAB 環(huán)境下的 Simulink 是用于對復雜動態(tài)系統(tǒng)進行建 模和仿真的圖形化交互式平臺。運行于 Simulink 下的 PSB（ Power System Blockset）是針對電力系統(tǒng)的畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 13 頁 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， SimPowerSystem 也得到了很大的發(fā)展。現在，從 MATLAB13 版的開始， SimPowerSystem 和 SimMechanies 一起作為現實模型產品族的成員，結合 Simulink 的使用，可以仿真電氣，機械以及控制系統(tǒng)。使用 SimPowerSystem，不需要學習復雜的軟件命令，編寫軟件代碼，用戶可以專注于物理模型本身，通過與實際電路圖非常相似的符號，表示復雜的電網，這有助于大大提高仿真的效率。 配電網的故障現狀及分析 電力系統(tǒng)中壓配電網一般采用不直接接地或經消弧線圈接地方式，因其發(fā)生接地故障時，流過接地點的電流小，所以稱為小電流接地系統(tǒng)。此系統(tǒng)中接地故障最高，由于三個線電壓仍然對稱，不影響負荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，但接地后 非故障相電壓會升高，長時間帶故障運行會影響系統(tǒng)安全，因此需要對故障時刻和故障線路進行檢測。另外故障初期接地點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的靈敏度。因此，需要具有很強的處理微弱信號能力的數字信號處理方法去分析非平穩(wěn)信號。 對配電網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)分量進行故障檢測，存在的問題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小常導致選線裝置不能正確動作而且該方法要求有一個持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過程因此在發(fā)生間歇性電弧接地時便不再適用，因此利用能 對突變的微弱的非平穩(wěn)故障信號進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)電機出力、大量負荷，突然斷開線路等 )后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力。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 軟件對單機 —無窮大系統(tǒng)進行仿真，對線路發(fā)生接地短路故障在一定時間內切除后，發(fā) 電機的轉速隨時間的變化情況 ,發(fā)電機轉速的變化又影響了畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 14 頁 電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機電磁功率的變化。通過仿真參數來證明電力系統(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)的動態(tài)仿真研究將不能在實驗室進行的電力系統(tǒng)運行模擬得以實現。因此在判定一個電力系統(tǒng)設計的可行性時，都可以首先在計算機上進行動態(tài)仿真研究，它的突出優(yōu)點是可行、簡便、經濟。 Matlab 電力系統(tǒng)工具箱包含的模塊有：Electrical Sources(電源庫 )、 Elements(元件庫 )、 PowerElectronics(電力電子元 件庫 )、Machines(電機庫 )、 Connectors(連接器庫 )、 Measurements(測量儀器庫 )、 Extra Library(附加元件庫 )、 Demos(示例庫 )、 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)應最大限度的再現實際中的電力系統(tǒng)。利用模塊庫中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，對各環(huán)節(jié)元件作了一定的理想化。對各元件的參數也作了一定的取舍與簡化，隨著模塊庫的不斷更新與完善，利用已有模塊搭建的系統(tǒng)基本能模擬實際電力系統(tǒng)的 特性．成為對電力系統(tǒng)進行分析、設計、仿真的一個有力工具。 畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 15 頁 第 3 章 單機 —無窮大暫態(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)運行中受到擾動后能否保持發(fā)電機間同步運行的問題，根據擾動大小所確定的穩(wěn)態(tài)問題的性質，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)在運行中受到微小擾動后，獨立地恢復到它原來的運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個運行情況下突然受到大的干擾后，能否經過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)或者恢復到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，是相對于小干擾而言的。如果系統(tǒng)受到大的 干擾后仍能達到穩(wěn)定運行，則系統(tǒng)在這種運行情況下是暫態(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)運行狀態(tài)，而是各發(fā)電機組轉子間一直有相對運動，相對角不斷變化，因而系統(tǒng)的功率電流和電壓都不斷振蕩，以至整個系統(tǒng)不能再繼續(xù)運行下去，則稱為系統(tǒng)在這種運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)大擾動的原因 主要有以下幾種： （ 1）負荷的突然變化，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，變壓器及線路等； （ 3）發(fā)生短路故障。 其中短路故障的擾 動最為厲害，常以此作為檢驗系統(tǒng)是否具有暫態(tài)穩(wěn)定的依據。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)，產生復雜的暫態(tài)現象。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。當動態(tài)電路從某一穩(wěn)定狀態(tài)轉換到另一穩(wěn)定狀態(tài)時，一些物理量（如電容電壓，電感電流等）并不會突變，而是需要一定時間。在這期間，電路將呈現出不同于穩(wěn)態(tài)的特別現象，即電路的過渡過程或暫態(tài)現象。分析電路的暫態(tài)現象時，可建立電壓電流的微分方程，并按初始來求解。 定性分 析 在正常運行情況下，若原動機輸入的機械功率為 Pm，發(fā)電機輸出的電磁功率就與原動機輸入的機械功率相平衡，發(fā)電機的工作點應由 P1和 Pm 線的交點確定，即畢 業(yè) 論 文 （設 計） 用 紙 佳木斯大學繼續(xù)教育學院 第 16 頁 為 a 點，與此對應的功率角為 0? ，見圖 中虛線所示為不計阻尼作用的曲線，實線所示為計阻尼作用的曲線。 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)電機運行點有 PI突然將為 PII。又由于發(fā)電機組轉子機械運動的慣性所致，功率角 ? 不可能突變，仍為 0? 。那么運行點由 a 點躍降到短路時功 角特性曲線 PII 上的 b 點。達 b 點后，輸入的機械功率 Pm大于輸出的電磁功率 PIIb，不平衡凈加速功率大于零。依轉子運動方程式，于是轉子 開始加速，即 0??? ，功率角 ? 開始增大， 0??? ，運行點將沿功 角特性曲線 PII 移動，設經過一段時間，當功率角增大至 ? c 時，此時運行在 c 點，速度達到最大 max? 。若在 c 點事切除線路故障，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組轉子的機械慣性，? 為 ? c，運行點從 PII 上的 c 點突升到 PIII 上的 e 點，此時速度仍為 max? 。在達到 e點后，機械功率 PmPIIIe（電磁功率 ），轉子開始減速。由于 Ne ??? 及機組轉子的慣性作用，則功率角 ? 還在增大，運行點沿 PIII 由 e 點向 f 點移動，當到達 f 點時，其轉速 Ne ??? （同步轉速），功率角 ? 不再繼續(xù)增大，這時的功率角為最大功率角 max? 。但在 f 點， PmPIIIf，轉子將繼續(xù)減速，功率角 ? 開始減小，運行點仍將沿功 角特性畢 業(yè)