【文章內容簡介】 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。 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 — 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(jù)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(jīng)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。 復雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析 引起電力系統(tǒng)大擾動的原因主要有下列幾種： （ 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(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(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，可建立電壓電流的微分方程，并按初始來求解。 MATLAB 提供了常微分方程初值問題的數(shù)值解法，對于穩(wěn)態(tài)一般用快速而準確的 ode45 函數(shù)，對于暫態(tài)一般用 ode23 函數(shù)。也可采用自適應變不長的求解方法，即當解的變化較快時，步長會自動的變小，從而提高計算精度。 7 單機 — 無窮大系統(tǒng)原理 電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定分析中，常采用的模型是單機對無窮大系統(tǒng)（ SIMB），單機 — 無窮大系統(tǒng)認為功率無窮大，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)模擬仿真最簡單、最基本的的運行方式 [7]，即對現(xiàn)實進行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結論，簡化計算過程。 圖 221 無輸電線的單機 — 無窮大系統(tǒng) 原理 圖 假定聯(lián)絡阻抗為純電感，則由發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的 P為： P sinm UZE ??? （ ） 式中 Z? — 包括發(fā)電機阻抗在內的發(fā)電機電動勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗； ? — 功角； mE — 發(fā)電機電勢； U — 系統(tǒng)母線電壓。 假定在發(fā)電機高壓母線上發(fā)生三相金屬性短路。 0Tt? 時刻切除故障，可以將采用仿真來觀察發(fā)電機運行情況。在我國，目前仍然以三相短路作為考核暫態(tài)穩(wěn)定的擾動模式之一 [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庫的 machines 分支下的模塊 ）作為勵磁系統(tǒng)的一個子模塊，它的輸出時勵磁輸入信號的一種，通過 OnOff 開關控制投退。專門 為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵磁控制技術。它在勵磁電壓調節(jié)器中，引入領先于軸速度的附加信號，產(chǎn)生一個正阻尼轉矩，去克服原勵磁電壓調節(jié)器中產(chǎn)生的負阻尼轉矩作用。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)動態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。它抽取與此振蕩有關的信號，如發(fā)電機有功功 率、轉速或頻率，加以處理，產(chǎn)生的附加信號加到勵磁調節(jié)器中，使發(fā)電機產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩。 8 圖 222 單機無窮大電力系統(tǒng)仿真原理圖 結 論 PSS 能有效改善阻尼低頻振蕩，是提高電力系統(tǒng)小信號穩(wěn)定成本最低、收效最大的方法。因此短路故障仿真和 PSS 模塊的應用結合是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要手段。 9 第 3 章 Simulink 下 SimPowerSystem 模型應用 Simulink 由于其能用最小的代價來模擬真實動態(tài) 系統(tǒng)的運行，依托數(shù)百種預定義系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進有效地積分算法和直觀的圖形化工具，依托強健的交互式仿真能力，可以方便調整模型參數(shù)設置，而電力系統(tǒng) SimPowerSystem 由于使用標準的電氣符號、各種模型模塊，高精度的仿真結果，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。 仿真系統(tǒng)模型步驟 (1) 進入 MATLAB 環(huán)境，鍵入 Simulink 命令或直接用鼠標點 Simulink 按鍵即可打開 相 應的系統(tǒng)模型庫： 圖 311 Simulink 界面圖示 (2) 對于電力方面仿真應用模塊， Matlab 從專業(yè)角度對其專門設置了 Powerlib 模擬庫，用于 對復雜的電氣系統(tǒng)進行分析和研究， 應用非常方便，集成了所需電力方面的所有方面，啟動步驟是： 進入 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， 建立 New Model， 再打開所需模塊 庫的圖標， 根據(jù)本次電力仿真選取相應模塊， 用鼠標點中其中子模塊并拖動到模型窗口中去，兩個模塊的連接只需用鼠標點一下起點模塊的輸出端并拖動到終點模塊的輸入端即可。 仿真模型的搭建 利用 MATLAB 下的 SIMULINK 軟件和電力系統(tǒng)模塊庫 (SimPowerSystems)進行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，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系統(tǒng)的仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來。對原理分析的基礎上，利用 SIMULINK 軟件仿真能對調節(jié)器 的參數(shù)進行更為方便的調整，可以更為直觀地得到系統(tǒng)仿真的結果，從而加深對電力系統(tǒng)仿真設計方法的理解。 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（ 標么標準同步電機 ） 模塊 ， Excitation System（ 勵磁系統(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（信號路由）模塊庫下的 Manual Switch （手動開關）模塊 3） SimPowerSystem（電力系統(tǒng)）模塊庫下的 Machines 集中 Machines Measurement Demux（電機測量復合） 模塊，需要雙擊設置相關的輸入輸出接口。 至此，我們已經(jīng)把仿真結構框圖所需的模塊都已拖入模型編輯窗口。 圖 321 模塊拖動選擇后的效果圖 12 對各個模塊連線并進行相關參數(shù)進行設置， 電力 單機 — 無窮大 系統(tǒng)仿真模型為：