【正文】 圖 4 單機(jī) — 無(wú)窮大 系統(tǒng) Simulink 仿真模型 各種提高暫態(tài)穩(wěn)定性措施的運(yùn)行效果仿真 由于大擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率的差額 (即加速功率 PmPe)是導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因。 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 5 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 （ 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。 Simulink 仿真模型仿真模型的搭建 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)。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。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。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。 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。 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，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。 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)。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。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。而且短路故障中，單相接地短路故障最多。 3 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。 SPS 仿真電力系統(tǒng)流程圖： 圖 1 正反饋放大器電路原理 3 單機(jī) — 無(wú)窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析 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。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。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)。使用SimPowerSystem，不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的軟件命令，編寫(xiě)軟件代碼，用戶可以專注于物理模型本身，通過(guò)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。隨著 MATLAB 的不斷升級(jí)， SimPowerSystem 也得到了很大的發(fā)展。 SimPowerSystem 是以HydroQuebec39。 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)。 論文以 MATLAB R2020a 電力系統(tǒng)工具箱為平臺(tái)，通過(guò) SimPowerSyetem 搭建了電力系 統(tǒng)運(yùn)行中常見(jiàn)的單機(jī) — 無(wú)窮大系統(tǒng)模型，實(shí)驗(yàn)得到了在該系統(tǒng)發(fā)生各種短路接地故障并由斷路器自動(dòng)跳閘隔離故障的仿真結(jié)果。 ? 通過(guò)實(shí)例說(shuō)明，若將該方法應(yīng)用到電力系統(tǒng)短路故障的診斷中，快速實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)診斷、檢測(cè)。 (2)基本要求 ? Simulink 下單機(jī) — 無(wú)窮大仿真系統(tǒng)的搭建。 MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練 2020年 3 月 07日 課 程 MATLAB電氣應(yīng)用訓(xùn)練 題 目 基于 MATLAB的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn) 定仿真分析 院 系 電氣信息工程學(xué)院電氣工程系 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 目 錄 1 任務(wù)和要求 ............................................................. 1 2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇 ..................................................... 1 題目剖析及分析 ..................................................... 1 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程 ................................................... 2 3 單機(jī) — 無(wú)窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析 ........................................... 2 復(fù)雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定 性分析 ......................................... 3 單機(jī) — 無(wú)窮大系統(tǒng)原理 ............................................... 3 4 Simulink 下 SimPowerSystem 模型應(yīng)用 ..................................... 4 Simulink 仿 真模型仿真模型的搭建 ..................................... 4 各種提高暫態(tài)穩(wěn)定性措施的運(yùn)行效果仿真 ............................... 6 5 設(shè)計(jì)總結(jié) ............................................................... 8 參考文獻(xiàn) ................................................................. 10 1 1 任務(wù)和要求 (1)任務(wù)：本次仿真以單機(jī) — 無(wú)窮大系統(tǒng)或兩極系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行仿真。分析了運(yùn)行故障對(duì)穩(wěn)態(tài)的干擾，對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定具有參考價(jià)值，仿真實(shí)踐表明， MATLAB是電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定分析的有力工具。 ? 系統(tǒng)故障仿真測(cè)試分析 。 2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇 題目剖析及分析 隨著電 力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益龐大和復(fù)雜，出現(xiàn)的各種故障，會(huì)給發(fā)電廠以及用戶和電廠內(nèi)的多種動(dòng)力設(shè)備的安全帶來(lái)威脅，并有可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故的擴(kuò)大，從技術(shù)和安全上考慮直接進(jìn)行電力試驗(yàn)可能性很小，迫切要求運(yùn)用電力仿真來(lái)解決這些問(wèn)題依據(jù)電網(wǎng)用電供電系統(tǒng)電路模型要求，因此，論文利用 MATLAB 的動(dòng)態(tài)仿真軟件 Simulink 搭建了單機(jī) — 無(wú)窮大電力系統(tǒng)的仿真模型，能夠滿足電網(wǎng)在其可能遇到的多種故障方面運(yùn)行的需要。并利用小波分析具有很強(qiáng)的信號(hào)特征提取能力，尤其對(duì)暫態(tài)突變信號(hào)或微弱變化信號(hào)的處理變現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了仿真的目的。運(yùn)行于 Simulink 下的 PSB（ Power System Blockset）是針對(duì)電力系統(tǒng)的工具箱，從 Matlab 開(kāi)始它被重新命名為 SPS（ SimPowerSystem）。研究中心的專家為主的 MATLAB 的開(kāi)發(fā)的工具箱，主要用于電力系統(tǒng)電力，電子電路的仿真?，F(xiàn)在，從 MATLAB13 版的開(kāi)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)。 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)。 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)。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。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。 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)。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。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。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。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。 假定在發(fā)電機(jī)高壓母線上發(fā)生三相金屬性短路。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。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)。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。 圖 2 單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)仿真原理圖 4 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)。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。 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。因此減少大擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)的加速功率是首先考慮的措施。設(shè)置線路 L2出口處發(fā)生短路故障 (故障發(fā)生時(shí) 間均定在 ls)作為對(duì)系統(tǒng)的大擾動(dòng)。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真