【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 SPS仿真電力系統(tǒng)流程圖： 圖 131 SPS仿真電力系統(tǒng)流程圖 6 第 2 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(wèn)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(wèn)題，根據(jù)擾動(dòng)大小所確定的穩(wěn)態(tài)問(wèn)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(lái)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(guò)暫態(tài)過(guò)程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來(lái)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。 復(fù)雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的原因主要有下列幾種： （ 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(guò)渡過(guò)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(lái)求解。 MATLAB 提供了常微分方程初值問(wèn)題的數(shù)值解法，對(duì)于穩(wěn)態(tài)一般用快速而準(zhǔn)確的 ode45 函數(shù)，對(duì)于暫態(tài)一般用 ode23 函數(shù)。也可采用自適應(yīng)變不長(zhǎng)的求解方法，即當(dāng)解的變化較快時(shí)，步長(zhǎng)會(huì)自動(dòng)的變小，從而提高計(jì)算精度。 7 單機(jī) — 無(wú)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(wú)窮大系統(tǒng)（ SIMB），單機(jī) — 無(wú)窮大系統(tǒng)認(rèn)為功率無(wú)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 [7]，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(guò)程。 圖 221 無(wú)輸電線的單機(jī) — 無(wú)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(wú)窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的 P為： P sinm UZE ??? （ ） 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(wú)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。 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(lái)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 [3]。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(guò) OnOff 開(kāi)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(wèn)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。 8 圖 222 單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)仿真原理圖 結(jié) 論 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。 9 第 3 章 Simulink 下 SimPowerSystem 模型應(yīng)用 Simulink 由于其能用最小的代價(jià)來(lái)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)。 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(kāi) 相 應(yīng)的系統(tǒng)模型庫(kù)： 圖 311 Simulink 界面圖示 (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 312： 10 圖 312 Powerlib 模塊圖示 (3)建立系統(tǒng)框圖：選擇 File/New 菜單項(xiàng)， 建立 New Model， 再打開(kāi)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。 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(guò) SIMULINK 環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過(guò)程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來(lái)。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，可以更為直觀地得到系統(tǒng)仿真的結(jié)果，從而加深對(duì)電力系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方法的理解。 本次仿真選出需要用到如下模塊： （ 1） Powerlib 電力系統(tǒng)工具箱： 1） Electrical Sources 中的 ThreePhase Source（ 三相電源 ） 模塊 2） Elements 中的 ThreePhase Parallel RLC Load（ 三相負(fù)載 RLC并聯(lián) ） 模塊和 Ground（ 交流接地 ） 模塊 以及 ThreePhase Breaker （ 三相斷路器 ） 模塊 ， ThreePhase Fault （ 三相故障整流器 ） 模塊 ， Distributed Parameters Line（ 分布參數(shù)線路 ） 模塊 ， ThreePhase Transformer（ Two Windings）（ 三相變壓器繞組 ） 模塊 3） Machines里 Synchronous Machine pu Standad（ 標(biāo)么標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī) ） 模塊 ， Excitation System（ 勵(lì)磁系統(tǒng) ） 模塊 ， Generic Power System Stabilizer（ 通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 ） 模塊 4） Measurements里 Voltage Measurement（ 電壓測(cè)量 ） 模塊 5） powergui 模塊 11 （ 2） Simulink 常用工具箱： 1） Simulink 模塊集 Commonly Used Blocks （常用模塊）下的 Constant（常量 )模塊， Demux（多路分配器）模塊， Gain （獲得）模塊， Ground 模塊（直流）， Scope （顯示器）模塊， Sum（求和）模塊 2） Signal Routing（信號(hào)路由）模塊庫(kù)下的 Manual Switch （手動(dòng)開(kāi)關(guān)）模塊 3） SimPowerSystem（電力系統(tǒng)）模塊庫(kù)下的 Machines 集中 Machines Measurement Demux（電機(jī)測(cè)量復(fù)合） 模塊，需要雙擊設(shè)置相關(guān)的輸入輸出接口。 至此，我們已經(jīng)把仿真結(jié)構(gòu)框圖所需的模塊都已拖入模型編輯窗口。 圖 321 模塊拖動(dòng)選擇后的效果圖 12 對(duì)各個(gè)模塊連線并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置， 電力 單機(jī) — 無(wú)窮大 系統(tǒng)仿真模型為：