【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，或降低對(duì)切除故障和重合閘速度的要求。 顯然，單相重合對(duì)提高負(fù)荷的穩(wěn)定性也是有利的。因重合成功會(huì)使系統(tǒng)電源充足，易滿足負(fù)荷的要求，從而保證負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性。 （ 2） 強(qiáng)行勵(lì)磁和快速關(guān)閉汽門 這兩種措施是從自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)入手，通過減少功率或能量的差額來提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，也 是很經(jīng)濟(jì)而有效的措施。 ? 強(qiáng)行勵(lì)磁 發(fā)電機(jī)都備有強(qiáng)行勵(lì)磁裝置，以保證當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而使發(fā)電機(jī)端電壓 UG低于85%～ 90%的額定電壓時(shí)，迅速大幅度的增加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流 if，從而使發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì) Eq、發(fā)電機(jī)端電壓 UG增加，一般保持發(fā)電機(jī)端電壓 UG為恒定值 [6]。這樣也增加了發(fā)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 8 電機(jī)輸出的電磁功率。因此強(qiáng)行勵(lì)磁對(duì)提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行和負(fù)荷的暫態(tài)穩(wěn)定性都是很有利的。強(qiáng)行勵(lì)磁的效果和勵(lì)磁的倍數(shù)（最大可能的勵(lì)磁電壓與發(fā)電機(jī)在額定條件下運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電壓之比）有關(guān)，勵(lì)磁倍數(shù)愈大，效果就愈好。此外，強(qiáng)行勵(lì)磁的效果還與強(qiáng)行勵(lì)磁的 速度有關(guān)，勵(lì)磁速度愈快，效果就愈好。 由于強(qiáng)行勵(lì)磁作用，可使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流 if增大 3～ 5 倍，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組過熱。此外，強(qiáng)勵(lì)時(shí)還增大了短路電流。這些都應(yīng)給予足夠的重視。 ? 快速關(guān)閉汽門 由于水輪機(jī)油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)不能過小，以及在迅速關(guān)閉或打開導(dǎo)水葉片時(shí)，導(dǎo)管中水壓迅速上升或下降而產(chǎn)生的水錘影響比較突出，因此水輪發(fā)電組借調(diào)速系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性是不大可能的。這樣對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組在暫態(tài)穩(wěn)定中可認(rèn)為機(jī)械功率 Pm等于定值。 對(duì)于汽輪機(jī)，可以研究快速關(guān)閉汽門。按目前的的技術(shù)水平油動(dòng)機(jī)的時(shí)間常數(shù) Ts大致 上不大于 ，汽容時(shí)間常數(shù) Tch也不大于 。所謂汽容時(shí)間常數(shù)，是汽輪機(jī)第一級(jí)噴嘴與調(diào)節(jié)汽門之間有一定空間，當(dāng)汽門改變開度時(shí)至第一級(jí)噴嘴壓力改變需要滯后一段時(shí)間，這時(shí)間稱為汽容時(shí)間常數(shù)。由于上述原因，快速關(guān)閉汽門使汽輪發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功率 Pm（ t）的改變需要 ，從而也可提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。 單機(jī) — 無窮大系統(tǒng)原理 電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定分析中，常采用的模型是單機(jī)對(duì)無窮大系統(tǒng) （ SIMB） ，單機(jī) — 無窮大系統(tǒng)認(rèn)為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，是工程上最常用的手段，也是電力系統(tǒng)模擬仿真最簡(jiǎn)單、最 基本的的運(yùn)行方式，即對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行近似處理，以簡(jiǎn)化模型，更有利于得出結(jié)論，簡(jiǎn)化計(jì)算過程 [7]。 發(fā) 電 機(jī)G T變 壓 器無 窮 大 母 線 圖 3 無輸電線的單機(jī) — 無窮大系統(tǒng) 原理 圖 假定聯(lián)絡(luò)阻抗為純電感，則由發(fā)電機(jī)向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的 P為 P sinm UZE ?? ? (1) 式中 Z? — 包括發(fā)電機(jī)阻抗在內(nèi)的發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗 ； ? — 功角； mE — 發(fā)電機(jī)電勢(shì)； U — 系統(tǒng)母線電壓。 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 9 假定在發(fā)電機(jī)高壓母線上發(fā)生三相金屬性短路。 0Tt? 時(shí)刻切除故障，可以將采用仿真來觀察發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況。在我國(guó)，目前仍然以三相短路作為考核暫態(tài)穩(wěn)定的擾動(dòng)模式之一。因此在以下的仿真中采用的故障形式為短路故障為主，考慮到 PSS(Power System Stabilizer） 屬于 Simulink 下 SimPowerSystem 庫(kù)的 machines 分支下的模塊）作為勵(lì)磁系統(tǒng)的一 個(gè)子模塊，它的輸出時(shí)勵(lì)磁輸入信號(hào)的一種，通過 OnOff開關(guān)控制投退。專門為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵(lì)磁控制技術(shù)。它在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中，引入領(lǐng)先于軸速度的附加信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩，去克服原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩作用。用于提高電力系統(tǒng)阻尼、解決低頻振蕩問題，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。它抽取與此振蕩有關(guān)的信號(hào)，如發(fā)電機(jī)有功功率、轉(zhuǎn)速或頻率，加以處理，產(chǎn)生的附加信號(hào)加到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩。 圖 4 單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)仿真原理圖 小結(jié) PSS能有效改善阻尼低頻振蕩，是提高電力系統(tǒng)小信號(hào)穩(wěn)定成本最低、收效最大的方法。因此短路故障仿真和 PSS模塊的應(yīng)用結(jié)合是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要手段。 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 10 4 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真 電 力電纜在運(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。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) — 無窮大系統(tǒng)為例 , 主要對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、快速切除故障 、故障限流器、單相自動(dòng)重合閘等措施在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的作用運(yùn)用 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真模塊集 SimPowerSystemsBlockset( 以下簡(jiǎn)稱 PSB) 進(jìn)行仿真分析 。 MATLAB及 SimPowerSystem 簡(jiǎn) 介 1980 年，美國(guó)的 Cleve Moler 博士在新墨西哥大學(xué)講授線性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用高級(jí)語言編程極不方便，于是建立了 MATLAB（ Matrix Laboratory 的縮寫），即矩陣實(shí)驗(yàn)室，早起開發(fā) MATLAB 軟件是為了幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好地授課和學(xué) 習(xí) [8]。 1984年，由美國(guó) Math Works 公司推出了商業(yè)版，經(jīng)過二十多年的不斷升級(jí)，目前 MATLAB 最新版本為 MATLABR2021b。 MATLAB 是 Matrix Laboratory（ 矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，由 Math works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)。 SimPowerSystems 是進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真的理想工具，與 PSPICE 和 SABER 等仿真軟件進(jìn)行器件級(jí)別的仿真分析不同 [9]， SimPowerSystems 中的模型更加關(guān)注器件的外特性，易于與控制系統(tǒng)相連接。 SimPowerSystems 模型庫(kù)中包含常用的電源、電力電子器件和電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 11 模 塊、電機(jī)模型及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、控制和測(cè)量模塊，使用這些模塊進(jìn)行電力電子電路系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電力傳動(dòng)等的仿真，能夠簡(jiǎn)化編程工作，以直觀易用的圖形方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行模塊描述。 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 [10]。 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 [11]。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的。 論文以單機(jī) — 無窮大系統(tǒng)為例。主要對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、快速切除故障、單相自動(dòng)重合閘等措施在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的 作用運(yùn)用 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真模塊集 SimPowerSystems Blockset(以下簡(jiǎn)稱 SPS)進(jìn)行仿真分析。 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 [12]， 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)。利用電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 12 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。 圖 5 SPS 仿真電力系統(tǒng)流程圖 5 Simulink 下 SimPowerSystem 模型應(yīng)用 Simulink 由于其能用最小的代價(jià)來模擬真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行，依托數(shù)百種預(yù)定義系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進(jìn)有效地積分算法和直觀的圖形化工具，依托強(qiáng)健的交互式仿真能力，可以方便調(diào)整模型參數(shù)設(shè)置，而電力系統(tǒng) SimPowerSystem 由于使用標(biāo)準(zhǔn)的電氣符號(hào)、各種模型模塊，高精度的仿 真結(jié)果，優(yōu)化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分發(fā)揮了 SPS在電力系統(tǒng)仿真的靈活仿真優(yōu)勢(shì) [13]。 仿真系統(tǒng)模型步驟 (1) 進(jìn)入 MATLAB 環(huán)境，鍵入 Simulink 命令或直接用鼠標(biāo)點(diǎn) Simulink 按鍵即可打開 相 應(yīng)的系統(tǒng)模型庫(kù)： (2) 對(duì)于電力方面仿真應(yīng)用模塊， Matlab 從專業(yè)角度對(duì)其專門設(shè)置了 Powerlib 模擬庫(kù)，用于 對(duì)復(fù)雜的電氣系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究， 應(yīng)用非常方便，集成了所需電力方面的所有方面，啟動(dòng)步驟是： 進(jìn)入 MATLAB 環(huán)境，鍵入 Powerlib 命令 ，出現(xiàn)圖 7： (3)建立系統(tǒng)框圖： 選擇 File/New 菜單項(xiàng)， 建立 New Model， 再打開所需模塊庫(kù)的圖標(biāo)， 根據(jù)本次電力仿真選取相應(yīng)模塊， 用鼠標(biāo)點(diǎn)中其中子模塊并拖動(dòng)到模型窗口中去，兩個(gè)模塊的連接只需用鼠標(biāo)點(diǎn)一下起點(diǎn)模塊的輸出端并拖動(dòng)到終點(diǎn)模塊的輸入端即可。 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 13 圖 6 Simulink 界面圖 示 圖 7 Powerlib 模塊圖示 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 14 仿真模型的搭建 利用 MATLAB下的 SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(kù) (SimPowerSystems)進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡(jiǎn)單和直 觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK 環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來。SimPowerSystems 是進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真的理想工具，與 PSPICE 和 SABER 等仿真軟件進(jìn)行器件級(jí)別的仿真分析不同 [14]， SimPowerSystems 中的模型更加關(guān)注器件的外特性，易于與控制系統(tǒng)相連接。 SimPowerSystems 模型庫(kù)中包含常用的電源、電力電子器件和模塊、電機(jī)模型及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、控制和測(cè)量模塊，使用這些模塊進(jìn)行電力電子電路系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、 電力傳動(dòng)等的仿真，能夠簡(jiǎn)化編程工作，以直觀易用的圖形方式對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行模塊描述。 對(duì)原理分析的基礎(chǔ)上，利用 SIMULINK 軟件仿真能對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為方便的調(diào)整，可以更為直觀