簡單系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真

1、南 京 理 工 大 學(xué)動態(tài)電力系統(tǒng)分析課程報告姓名學(xué) 號：學(xué)院(系):自動化學(xué)院專 業(yè):智能電網(wǎng)與控制題 目:基于matlab的單機(jī)無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析任課教師碩士導(dǎo)師2016年1月13號目錄摘要引言11、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述11.1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性11.2電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究的目的及意義21.2.1研究目的21.2.2研究意義21.2.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性遭到破壞的原因及解決措施31.3.1引起電力系統(tǒng)大擾動的主要原因31.3.2提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施41.3.3配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析42、MATLAB 的簡要介紹52.1概述52.2 Simulink

2、下的SimPowerSystem模型介紹52.3電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程63、Simulink 下單機(jī)-無窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析73.1單機(jī)-無窮大系統(tǒng)原理分析73.2 Simulink下單機(jī)-無窮大系統(tǒng)仿真模型的搭建73.3系統(tǒng)各模塊相關(guān)參數(shù)設(shè)置93.4各種提高暫態(tài)穩(wěn)定性措施的運行效果仿真164、總結(jié)與展望20參考文獻(xiàn)21 摘要本文介紹了電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的概念、MATLAB環(huán)境下Simulink動態(tài)仿真工具、電力系統(tǒng)工具箱的功能和特點及仿真數(shù)學(xué)模型。同時，使用MATLAB電力系統(tǒng)仿真模塊集SimPowerSystems構(gòu)建了單機(jī)-無窮大系統(tǒng)的Simulink模型，通過對該電力系統(tǒng)的故障

3、仿真分析，表明此模型能夠比較準(zhǔn)確直觀地體現(xiàn)暫態(tài)過程中電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，表現(xiàn)了MATLAB在電力系統(tǒng)仿真中的強(qiáng)大功能。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；SPS；單機(jī)無窮大；暫態(tài)穩(wěn)定仿真；ABSTRACTThe basic characteristics of power system transient stability, the function and feature, and mathematical model of power s

4、ystem blockset and Simulink based on MATLAB are in the paper. MATLAB SimPowerSystems are used to build up Simulink models of a single-machine system. Powerful functions o

5、f Matlab in the simulation of power system are shown by the simulation of power system failure. The result shows that the dynamic behavior of power system during

6、0;transient processes can be observed quite accurately and directly.Keywords: Power system; SPS; Single-infinite; Transient stability simulation引言電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，一方面它必須時刻保證必要的電能質(zhì)量及數(shù)量；另一方面它又處于不斷的擾動之中，擾動發(fā)生的時間、地點、類型、嚴(yán)重性均有隨機(jī)性，在擾動發(fā)

7、生后的系統(tǒng)動態(tài)過程中一旦發(fā)生穩(wěn)定性被破壞的問題，系統(tǒng)可能在幾秒內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的后果，會對經(jīng)濟(jì)造成極大的損失，甚至對社會也會造成極大的影響。電力系統(tǒng)穩(wěn)定是指系統(tǒng)在某一正常運行狀態(tài)下受到某種擾動后，能否經(jīng)過一定的時間后恢復(fù)到原來的運行狀態(tài)或者過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。如果能過回到原來的運行狀態(tài)或建立一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)，則認(rèn)為系統(tǒng)在該運行狀態(tài)下是穩(wěn)定的。反之，若系統(tǒng)不能回到原來運行狀態(tài)或者不能建立一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)，則說明系統(tǒng)的狀態(tài)變量沒有一個穩(wěn)態(tài)值，而是隨時間不斷增大或振蕩，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞后，將造成大量用戶供電中斷，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)瓦解，后果極為嚴(yán)重。因此，保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)

8、定性，對于電力系統(tǒng)安全可靠運行，具有非常重要的意義。若對一個特定的穩(wěn)定運行狀態(tài)，在發(fā)生了某一特定的擾動后，如果在擾動后系統(tǒng)可以回到原來的運行狀態(tài)或過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)，則說明系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的主要目的是檢查電力系統(tǒng)在大擾動下，各發(fā)電機(jī)組間能否保持同步運行，如果能保持同步運行，并具有可以接受的電壓和頻率水平，則稱此電力系統(tǒng)在這一大擾動下是暫態(tài)穩(wěn)定的。通過暫態(tài)穩(wěn)定性分析，還可以研究和考察各種穩(wěn)定措施的效果以及穩(wěn)定控制的性能。1、 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述1.1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在某個運行狀態(tài)下，突然受到較大的干擾后，能夠過渡到一個新的穩(wěn)態(tài)運行

9、狀態(tài)（或者回到原來的運行狀態(tài)）的能力。由于受到的是較大的干擾，系統(tǒng)的狀態(tài)方程不能線性化。另外，在受到達(dá)到大擾動的過程中往往伴隨著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變，也就是說系統(tǒng)的狀態(tài)方程是有變化的。本文主要以一個單機(jī)無窮大系統(tǒng)（如圖1.1所示）為例，對該系統(tǒng)受外界干擾時的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在模型中設(shè)置三相接地短路和單相接地短路。然后分別采取提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一些有效措施，如采取快速切除故障、故障限流器等措施并進(jìn)行仿真。最后結(jié)合仿真的圖形比較分析在這兩種短路情況中各種穩(wěn)定器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。由于大擾動后發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率的差額是導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因，因此減少大擾動后發(fā)電機(jī)的加速功率

10、是首先考慮的措施。在MATLAB仿真當(dāng)中，短路故障的類型和發(fā)生及切除時間可由三相短路模塊（Three-Phase Fault）進(jìn)行設(shè)置。動態(tài)仿真時選擇ode23tb算法，并采用略去直流分量和其他濾波分量計算的Phasors法，可以顯著加快仿真速度。圖1.1單機(jī)無窮大系統(tǒng)1.2電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究的目的及意義1.2.1研究目的加深對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性基本概念的理解，通過建立電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的模型并進(jìn)行仿真，掌握其基本機(jī)理，提高在實際應(yīng)用中分析問題解決問題的能力，能夠形成需求分析、方案分析、方案設(shè)計、更正調(diào)整以及差異分析等一系列的四維體系。1.2.2研究意義隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)變

11、得越來越大，也越來越復(fù)雜。這樣的發(fā)展趨勢在給電力系統(tǒng)到來巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的同時，也使得穩(wěn)定性破壞所造成的事故波及范圍更加廣泛。電力市場的日益開放會使運行方式更加靈活多變，對穩(wěn)定性的實時性判斷要求更高。同時，由于受到環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等因素的制約，區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)距離大容量輸電系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，系統(tǒng)運行更加接近極限狀態(tài)，這使得電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題日趨嚴(yán)重，電力系統(tǒng)一旦失去穩(wěn)定，往往造成大范圍、較長時間停電，則可能使電力系統(tǒng)崩潰和瓦解。因此，準(zhǔn)確、快速地分析電力系統(tǒng)在大擾動下的暫態(tài)穩(wěn)定行為，必要時采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，以保證系統(tǒng)對暫態(tài)穩(wěn)定性的要求，是電力系統(tǒng)設(shè)計及運行人員最重要也是最復(fù)雜的任務(wù)之一。1.2.

12、3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀實際上,如何保證和提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性是從多個方面進(jìn)行考慮的。在系統(tǒng)規(guī)劃階段應(yīng)合理選擇發(fā)電廠廠址,采用合理的輸電方案以及配置相應(yīng)的保護(hù)和自動裝置等。在運行管理方面,控制中心對運行方式的良好安排也有助于保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；在線動態(tài)安全評價,通過對發(fā)生預(yù)想事故后系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,可以為在線進(jìn)行預(yù)防性控制提供依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)遭受擾動后，施加控制是改善和提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一,而嚴(yán)重故障后的緊急控制措施可將由于安全性破壞而對系統(tǒng)造成的影響減小到最低程度。電力系統(tǒng)在突然遭受大擾動后的暫態(tài)過程中,由于發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功率輸入與電氣功率輸出的不平衡,引起發(fā)電

13、機(jī)轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生相對搖擺,如果系統(tǒng)沒有足夠的能力阻尼這種搖擺,使系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài),那么系統(tǒng)將失去穩(wěn)定。因此,暫態(tài)穩(wěn)定控制的作用應(yīng)當(dāng)是減少因擾動引起的不平衡功率或提供適當(dāng)?shù)淖枘?。多年?電力系統(tǒng)研究人員正是沿著這條思路致力于暫態(tài)穩(wěn)定控制問題的研究,提出過很多種控制措施和方法。目前暫態(tài)穩(wěn)定分析的基本方法可分為兩類：數(shù)值解法和直接法。數(shù)值解法（時域仿真法）是暫態(tài)穩(wěn)定分析基本方法，它以穩(wěn)態(tài)工況或潮流解為初值，對上述方程組聯(lián)立求解或交替求解，逐步求得狀態(tài)量和代數(shù)量，并根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子搖擺曲線來判定系統(tǒng)在擾動下能否保持同步。 目前時域仿真法主要采用的數(shù)值計算方法包括顯式積分法和隱式積分法。前者包

14、括歐拉法、龍格-庫塔法和線形多步法等。后者包括改進(jìn)的歐拉法和隱式積分法。歐拉法的精度低，數(shù)值穩(wěn)定性較差，一般適用于簡單模型和較短的暫態(tài)持續(xù)時間。龍格-庫塔法擬合了泰勒級數(shù)的高階項，具有比較高的精度，數(shù)值穩(wěn)定性好。它的缺點是計算量大，計算速度慢。線形多步法精度高，運算量比龍格-庫塔法小，但計算結(jié)果受初始值的影響較大，需要選擇適當(dāng)?shù)钠鸩剿惴▉肀ＷC其精度。改進(jìn)的歐拉法用隱式積分校正歐拉法的結(jié)果，精度比歐拉法有所提高。隱式梯形積分法在聯(lián)立求解微分一代數(shù)方程時可以消除交接誤差，具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性，可以采用較大的步長。雖然時域仿真法可以考慮電機(jī)的詳細(xì)模型，而且能夠得到足夠準(zhǔn)確的結(jié)果，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)

15、大，時域仿真法的計算量將很大，計算速度不能滿足在線監(jiān)測和控制的要求，并且其不能定量給出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。所以對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究致力于尋找一種快速、準(zhǔn)確、實用的暫態(tài)分析算法。我國電力科學(xué)界對穩(wěn)定分析的直接法與快速算法的研究大致始于80年代，其中最早發(fā)表的一篇是夏道止與Heydt等人關(guān)于分解-聚合法在線穩(wěn)定的研究。隨后有電力部電力科學(xué)研究院的傅書逷等人關(guān)于PEBS法的研究：清華大學(xué)倪以信與美國Fouad等人對UEP法的直流輸電模型與勵磁系統(tǒng)模型的研究：1988年我國學(xué)者南京電力自動化研究院薛禹勝與比利時Pavella教授等人提出了擴(kuò)展等面積法（EEAC法），將多機(jī)系統(tǒng)變成等值兩機(jī)系統(tǒng)，利用等面積

16、準(zhǔn)則和泰勒展開式導(dǎo)出臨界切除時間和穩(wěn)定裕度的解析式，根據(jù)這一解析在注入空間定義穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定域，推算聯(lián)絡(luò)潮流的穩(wěn)定極限。近年來該法經(jīng)不斷完善，已擴(kuò)展到動態(tài)EEAC法，使得計算精度大大提高。到了90年代，直接法與快速算法的研究尤為活躍，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)郭志忠，柳焯等人用高階Taylor級數(shù)研究快速暫態(tài)穩(wěn)定計算問題,上海交通大學(xué)劉笙等人關(guān)于PEBS法的復(fù)雜模型的研究，東北電力學(xué)院蔡澤祥和清華大學(xué)倪以信等人關(guān)于快關(guān)氣門、電氣制動和切機(jī)問題的研究等，都使得直接發(fā)在線穩(wěn)定分析的研究進(jìn)一步走向?qū)嵱没４送?，關(guān)于應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、災(zāi)變理論和熵網(wǎng)絡(luò)理論的研究也有不少論文發(fā)表。李雅普諾夫穩(wěn)定性理論在1892年提出的，

17、它是從一個古典力學(xué)的概念發(fā)展而來。1947年美國學(xué)者M(jìn)agnusson提出將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析領(lǐng)域當(dāng)中。1958年，Aylett提出了用于多機(jī)系統(tǒng)的能量積分準(zhǔn)則。1966年，Gless和E1-Abiad等人又提出了不計電網(wǎng)中轉(zhuǎn)移電導(dǎo)的李雅普諾夫函數(shù)。自上世紀(jì)70年代后，用李雅普諾夫法研究直接法穩(wěn)定分析得文章逐漸增多，初期的研究只要集中于用不同的方法建立運用于電力系統(tǒng)的李雅普諾夫函數(shù)（V函數(shù)）和如何求不穩(wěn)定平衡點（UEP）的方法，但是早期研究未計入故障地點和轉(zhuǎn)移電導(dǎo)的作用，所以計算結(jié)果偏于保守。1978年日本學(xué)者Kakimoto等人首次提出了勢能界面法（PEBS）法，直接利用持續(xù)的故障

18、軌跡求取臨界勢能，從而求取臨界切除時間CCT，省去了求UEP的麻煩，使得速度大大加快。1979年Athay等人提出的能量函數(shù)第一次計入了故障地點和轉(zhuǎn)移電導(dǎo)的作用，使得能量函數(shù)法在客服保守性方面邁出了重要的第一步。 20世紀(jì)80年代以后，Michel等人提出了單機(jī)能量法。Fouad等人在動能修正、能量裕度以及求解相關(guān)UEP等方面作了大量研究工作進(jìn)一步豐富和發(fā)展了暫態(tài)能量函數(shù)法的理論和方法。Padiyar等人給出了能夠計入詳細(xì)發(fā)電機(jī)，模型和復(fù)合模型的拓?fù)淠芰亢瘮?shù)。1988年Chiang和Zaborsky等人提出了穩(wěn)定域的概念，對勢能界面法進(jìn)行了理論分析，并提出了使勢能界面法計算準(zhǔn)確的條件

19、。1991年Chiang等人在其穩(wěn)定域理論的基礎(chǔ)上，又提出了BCU法（將UEP法和PEBS法結(jié)合起來的方法），是UEP法的實用化又進(jìn)了一步。本文采用了Matlab軟件對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行了仿真分析，運行于Simulink下的PSB(Power System Blockset)是針對電力系統(tǒng)的工具箱，從Matlab6.0開始它被重新命名為SPS(SimPowerSystems).該工具箱的研究領(lǐng)域是用微分方程刻畫的電力系統(tǒng)動態(tài)過程，如電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)分析以及電力電子設(shè)備的仿真。MATLAB  SPS 提供了豐富的電力及電氣系統(tǒng)元件模型,可以快速地組建仿

20、真模型, 從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)的仿真計算，效率高并且靈活方便。 1.3電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性遭到破壞的原因及解決措施1.3.1引起電力系統(tǒng)大擾動的主要原因（1）負(fù)荷突然變化；（2）切除或投入系統(tǒng)的主要元件；（3）電力系統(tǒng)的短路故障。1.3.2提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施（1）快速切除故障或自動重合閘；（2）強(qiáng)行勵磁和快速關(guān)閉汽門；（3）電氣制動和變壓器中性點經(jīng)小電阻接地；（4）采用單元接線方式；（5）連鎖切機(jī)和切除部分負(fù)荷；（6）系統(tǒng)解列、異步運行和再同步。1.3.3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，流過接地點的電流

21、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(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(jìn)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(qiáng)的處理微弱信號能力的數(shù)字信號處理方法去分析非平穩(wěn)信號。 對配電網(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，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作，并且該方法要求有一個持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過程，因

22、此在發(fā)生間歇性電弧接地時便不再適用。所以利用能對突變的微弱的非平穩(wěn)故障信號進(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。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(jī)出力、大量負(fù)荷，突然斷開線路等)后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運行并過渡到新的或恢復(fù)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。同時，有上文可知提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多種多樣的。2、MATLAB 的簡要介紹2.1概述MATLAB是Matrix  Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫

23、，由Mathworke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。MATLAB 語言是當(dāng)今國際上科學(xué)界（尤其是自動控制領(lǐng)域）最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運算，并已經(jīng)發(fā)展成一種高度集成的計算機(jī)語言。MATLAB 集科學(xué)計算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個高度的集成系統(tǒng)，有良好的用戶界面，并有良好的幫助功能。MATLAB 不僅流行于控制界，在機(jī)械工程、生物工程、語音處理、圖像處理、信號分析、計算機(jī)技術(shù)等各行各業(yè)中都

24、有極廣泛的應(yīng)用。 Matlab(Matrix laboratory )語言最初是在1980年由美國的CleVeMoler博士研制的, 其目的是為線性代數(shù)等課程提供一種方便可行的實驗手段。MathWorks公司在80年代發(fā)行使之成為著名數(shù)值型計算軟件。Matlab具有編程效率高、程序設(shè)計靈活、圖形處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點。為準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型和進(jìn)行仿真分析,Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具Simulink工具箱。通過鼠標(biāo)在模型窗口畫出研究的系統(tǒng)的模型,直接對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。Simulink提供了用方框圖進(jìn)行建模的模型窗口,與傳統(tǒng)的用微分方程和積分方程建模相比, 更直接,更方便靈活。在Matlab中的

25、電力系統(tǒng)模塊庫PSB以Simulink為運算環(huán)境,涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個子模塊組成: 電源模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫、基本元件模塊庫、電力電子模塊庫、電機(jī)模塊庫。在這6個基本模塊庫的基礎(chǔ)上,根據(jù)需要還可以組合出常用的、復(fù)雜的其它模塊添加到所需的模塊庫中,為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方便。PSB模塊中含有豐富的元件模型，包括同步機(jī)、異步機(jī)、變壓器、直流機(jī)、特殊電機(jī)的線性和非線性、有名的和標(biāo)么值系統(tǒng)的、不同仿真精度的設(shè)備模型庫；單相、三相的分布和集中參數(shù)的傳輸線；單相、三相斷路器及各種電力系統(tǒng)的負(fù)荷模型、電力半導(dǎo)體器件

26、庫以及控制和測量環(huán)節(jié)。再借助其他模塊庫或工具箱以及自己在Simulink下搭建的模塊，在提供的仿真平臺上可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計算，尤其可以進(jìn)行復(fù)雜控制系統(tǒng)的仿真，如模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。2.2 Simulink下的SimPowerSystem模型介紹運行于Simulink下的PSB（Power System Blockset）是針對電力系統(tǒng)的工具箱，從Matlab 6.0開始它被重新命名為SPS（SimPowerSystem）。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'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

27、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?，F(xiàn)在，從MATLAB13版的開始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作為現(xiàn)實模型產(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)。使用SimPowerSystem，不需要學(xué)習(xí)復(fù)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(fù)雜的電網(wǎng)，這有助于大大提高仿真的效率。大體來說，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(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)

28、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、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。本文以MATLAB R2009a電力系統(tǒng)工具箱為平臺，通過SimPowerSystems搭建了電力系統(tǒng)運行中常見的單機(jī)-無窮大系統(tǒng)模型，實驗得到在該系統(tǒng)發(fā)生短路接地故障并由斷路器跳閘隔離故障的仿真結(jié)果。2.3電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程因為很多因素導(dǎo)致電力系統(tǒng)的動態(tài)仿真研究將不能在實驗室進(jìn)行的電力系統(tǒng)運行模擬得以實現(xiàn)。所以可以首先在計算機(jī)上進(jìn)行動態(tài)仿真研究來判斷其設(shè)計的可行性，它

29、的突出優(yōu)點是可行、簡便、經(jīng)濟(jì)。并且Matlab電力系統(tǒng)工具箱中包含有很多豐富的模塊，所以使用起來更加的靈活方便。為了更好地研究電力系統(tǒng)的特性，搭建的系統(tǒng)應(yīng)最大限度地再現(xiàn)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)，對各個環(huán)節(jié)做了一定的理想化。對各元件的參數(shù)也作了一定的取舍和簡化，隨著模塊庫的不斷更新和完善，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。SPS仿真電力系統(tǒng)流程圖如圖2.1所示。圖2.1 SPS仿真電力系統(tǒng)流程圖3、Simulink 下單機(jī)-無窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析3.1單機(jī)-無窮大系統(tǒng)原理分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行分析，常采用的模型是單機(jī)-無窮大系統(tǒng)，單機(jī)-無窮大系統(tǒng)認(rèn)為

30、功率無窮大、頻率恒定、電壓恒定，是工程最常用的手段，也是電力系統(tǒng)模擬仿真最簡單、最基本的運行方式，即對現(xiàn)實進(jìn)行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結(jié)論，簡化計算過程。圖3.1所示的單機(jī)-無窮大系統(tǒng)原理圖。圖3.1單機(jī)-無窮大系統(tǒng)原理圖由上圖所示，假定聯(lián)絡(luò)阻抗為純電感，那么由發(fā)電機(jī)向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率P為： （3.1）式中-包括發(fā)電機(jī)阻抗在內(nèi)的發(fā)電機(jī)電動勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗；-功角；-發(fā)電機(jī)電動勢；-系統(tǒng)母線電壓。如果在發(fā)電機(jī)高壓母線上發(fā)生三相金屬性短路。在T時刻切除故障，可以采用仿真來觀察發(fā)電機(jī)的運行工況。目前來看，仍就以三相短路作為考核暫態(tài)穩(wěn)定的擾動模式之一。所以，在下面的仿真中

31、采用的故障形式以短路故障為主，考慮到PSS作為勵磁系統(tǒng)的一個子模塊,它的輸出是勵磁輸入信號的一種，通過On-Off開關(guān)控制投退。它是專門為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵磁控制技術(shù)。它在勵磁電壓調(diào)節(jié)器中，引入領(lǐng)先于轉(zhuǎn)軸速度的附加信號、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。它抽取與此振蕩相關(guān)的信號，例如發(fā)電機(jī)有功功率、轉(zhuǎn)速或頻率，并加以處理，產(chǎn)生的附加信號到勵磁調(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。3.2 Simulink下單機(jī)-無窮大系統(tǒng)仿真模型的搭建MATLAB SPS提供了豐富的電力及電氣系統(tǒng)元件模型,在Simulink運行環(huán)境下,用戶只需應(yīng)用鼠標(biāo)拖放的

32、方式將所需電氣元件的模塊添加到模型編輯窗口,并將它們連接起來,就可以快速地組建仿真模型,從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)的仿真計算?，F(xiàn)在運用SPS提供的模塊構(gòu)建一個單臺發(fā)電機(jī)經(jīng)過線路與無窮大功率母線相連的簡單電力系統(tǒng),即單機(jī)無窮大系統(tǒng)的Simulink仿真模型. 利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫（SimPowerSystems）進(jìn)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(jié)果在示波器上顯示出來。對原理分析的基礎(chǔ)上，利用SIMULINK軟件仿真能對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為方便的調(diào)整，

33、可以更為直觀地得到系統(tǒng)仿真的結(jié)果，從而加深對電力系統(tǒng)仿真設(shè)計方法的理解本次仿真中所用到的模塊如下：（1） Powerlib:電力系統(tǒng)工具箱：l Electrical sources中的three-phase source(三相電源)模塊；l Elements中的three-phase parallel RLC load(三相負(fù)載RLC并聯(lián))模塊和ground(交流接地)模塊以及three-phase breaker(三相斷路器)模塊，three-phase fault(三相故障整流器)模塊，distributed parameters line(分布參數(shù)線路)模塊，three-phase tr

34、ansformer (two windings)(三相變壓器繞組)模塊；l Machines里synchronous machine pu standad(標(biāo)幺標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī))模塊，excitation system(勵磁系統(tǒng))模塊，generic system stabilizer(通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)模塊；l Measurements里voltage measurement(電壓測量)模塊；l Powergui模塊；（2）常用工具箱l Simulink模塊集commonly used blocks(常用模塊)下的constant(常量)demux(多路分配器)模塊，gain(獲得)模塊，gr

35、ound(直流)模塊，scope(顯示器)模塊，sum(求和)模塊；l Signal routing(信號路由)模塊庫下的manual switch(手動開關(guān))模塊；l Simpowersystem(電力系統(tǒng))模塊庫下的machines中machines measurement demux(電機(jī)測量復(fù)合)模塊，需要雙擊設(shè)置相關(guān)的輸入輸出接口。至此，把仿真結(jié)構(gòu)框圖所需的模塊都已拖入模型編輯窗口，如圖3.2所示。圖3.2.1仿真所需模塊框圖對各個模塊連線并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，從而可以得到單機(jī)-無窮大系統(tǒng)的Simulink仿真模型如下圖所示：圖3.2.2單機(jī)-無窮大系統(tǒng)仿真原理圖3.3系統(tǒng)各模塊相關(guān)

36、參數(shù)設(shè)置設(shè)置模塊參數(shù)：雙擊該模塊并彈出對話框，在對話框相關(guān)欄目里修改參數(shù)，具體操作如下：(1) 雙擊constant、constant1、constant2模塊，彈出圖3.3.1、圖3.3.2、圖3.3.3所示的對話框，在欄目里設(shè)置相關(guān)參數(shù)即可。圖3.3.1 constant參數(shù)設(shè)置圖3.3.2 constant1參數(shù)設(shè)置圖3.3.3constant2參數(shù)設(shè)置(2)雙擊sum1模塊，參數(shù)設(shè)置如圖所示：圖3.3.4 sum1參數(shù)設(shè)置(3)雙擊Gain、Gain1模塊，參數(shù)設(shè)置如下圖所示：圖3.3.5 Gain、Gain1參數(shù)設(shè)置 (4)雙擊Voltage Measurement模塊，參數(shù)設(shè)置如下

37、圖所示：圖3.3.6 Voltage Measurement參數(shù)設(shè)置 (5)雙擊Machines Measurement Demux，參數(shù)設(shè)置如下圖所示：圖3.3.7 Machines Measurement Demux參數(shù)設(shè)置(6)雙擊Synchronous Machine pu Standard模塊，參數(shù)設(shè)置如下：圖3.3.8 Synchronous Machine pu Standard參數(shù)設(shè)置(7)雙擊Three-Phase Transformer(Two Windings)、Three-Phase Source、Three-Phase Parallel RLC Load模塊，參數(shù)設(shè)置

38、如下：圖3.3.9 Three-Phase Transformer(Two Windings)參數(shù)設(shè)置圖3.3.10 Three-Phase Source參數(shù)設(shè)置圖3.3.11 Three-Phase Parallel RLC Load參數(shù)設(shè)置(8)雙擊Distributed Parameters Line、Distributed Parameters Line1模塊，參數(shù)設(shè)置如下：圖3.3.12 Distributed Parameters Line、Distributed Parameters Line1參數(shù)設(shè)置(9)雙擊Three-Phase Breaker、Three-Phase Br

39、eaker1模塊，參數(shù)設(shè)置如下：圖3.3.13 Three-Phase Breaker、Three-Phase Breaker1參數(shù)設(shè)置(10)雙擊Excitation System模塊，參數(shù)設(shè)置如下：圖3.3.14 Excitation System參數(shù)設(shè)置(11)雙擊PSS、Powergui模塊，參數(shù)設(shè)置如下：圖3.3.15 PSS參數(shù)設(shè)置圖3.3.16 Powergui參數(shù)設(shè)置3.4各種提高暫態(tài)穩(wěn)定性措施的運行效果仿真由于大擾動后發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率的差額(即加速功率Pm-Pe)是導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因。因此減少大擾動后發(fā)電機(jī)的加速功率是首先考慮的措施。因此提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)

40、定性的一些有效措施，包括電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、快速切除故障、故障限流器、自適應(yīng)單相自動重合閘等，進(jìn)行仿真分析。設(shè)置線路L2出口處發(fā)生短路故障(故障時間均發(fā)生在2S)作為對系統(tǒng)最大的擾動。在進(jìn)行動態(tài)仿真時分別設(shè)置以下的一些情況：(1)線路L2出口處發(fā)生單相接地短路，2.3S時切除故障，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的效果進(jìn)行分析(PSS可通過切換開關(guān)進(jìn)行投退)，仿真結(jié)果見圖3.4.1所示。圖3.4.1 2.3s時刻切除故障的機(jī)端電壓（未加PSS）結(jié)論分析：未投入PSS時，盡管采用了快速切除故障的措施。由于系統(tǒng)本身有延遲，故障斷開之后仍然出現(xiàn)短時間的震蕩。圖3.4.2 2.3s時刻切除故障的機(jī)端電壓（加PSS）

41、結(jié)論分析：可知，對于單相接地短路故障，采用PSS可有效地增加系統(tǒng)對振蕩的阻尼效果，使波形更平緩，同時對其它故障諧波有一定的消除作用。（2）線路L2出口處發(fā)生單相接地短路，在2.6S時切除故障，仿真時不附加PSS，仿真結(jié)果見圖3.4.3所示；將此仿真效果與(1)中的2.3S時切除故障的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，對快速切除故障的效果進(jìn)行分析。圖3.4.3 2.6s時刻切除故障的機(jī)端電壓（未加PSS）結(jié)論分析： 未投入PSS時，系統(tǒng)發(fā)生故障時暫時失去穩(wěn)定性，相比圖3.4.1，2.6S后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要時間更長，而且造成的波動較大，穩(wěn)定性更差一些，震蕩持續(xù)時間較長，由于進(jìn)一步對參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，所示的穩(wěn)態(tài)波

42、形更加平穩(wěn)。圖3.4.4 2.6s時刻切除故障的機(jī)端電壓（加PSS）結(jié)論分析：采用PSS可有效地增加系統(tǒng)的阻尼振蕩效果，使系統(tǒng)迅速地趨向穩(wěn)定。(3)線路L2出口處發(fā)生三相接地短路，2.3S時切除故障，仿真時不加PSS，對自適應(yīng)單相重合閘的效果進(jìn)行分析，3.3S時重合L2故障相(A相)，仿真結(jié)果見圖3.4.5。圖3.4.5 2.3s時刻切除故障的相電流（未加PSS）結(jié)論分析：由于三相接地短路，系統(tǒng)脫離暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間增加相電流會在短時間內(nèi)迅速增加，此時系統(tǒng)崩潰。短路故障的類型和發(fā)生及切除時間可由三相短路模塊(Three-Phase Fault)進(jìn)行設(shè)置。動態(tài)仿真時選擇ode23tb，并采用

43、略去直流分量和其他復(fù)雜濾波分量的Phasors法，可顯著地加快仿真速度。由此可知，對于單相接地短路這樣故障形式，采用PSS可有效地增加系統(tǒng)的阻尼振蕩效果，使系統(tǒng)迅速地趨向穩(wěn)定；而未投入PSS時，盡管采用了快速切除故障的措施，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。在系統(tǒng)附加PSS的前提下。對比圖3.4.4的慢切除故障和圖3.4.2中快速切除故障的發(fā)電機(jī)運行指標(biāo)的仿真運行結(jié)果可見快速切除故障對于提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性有著決定性的作用。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS模塊的輸入信號即可采用發(fā)電機(jī)加速功率的Pa=Pm-Pe(p.u),也可以采用轉(zhuǎn)子角速度變化量d(p.u),本仿真采用后一種。而未投入PSS時，盡管采用了快速切除故障的措

44、施，系統(tǒng)仍然失去了穩(wěn)定性。同時采用自動重合閘也是提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一個有效經(jīng)濟(jì)地方法，本次穩(wěn)態(tài)故障仿真對自適應(yīng)單相重合閘的效果進(jìn)行仿真分析。與傳統(tǒng)的單相重合閘不同，自適應(yīng)重合閘不是盲目進(jìn)行，可在重合前判別單相接地短路故障的性質(zhì)，若為永久性故障，則重合閉鎖；若為瞬時性故障，則重合進(jìn)行閉鎖。若單相接地短路為瞬時性故障，重合成功可有效提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于高壓架空線路以發(fā)生瞬時性單相接地短路故障居多(占線路故障的（70%-80%)，而一般重合閘的成功率可達(dá)90%以上，因此單相重合閘的使用可以提高供電的可靠性和暫態(tài)穩(wěn)定性。4、總結(jié)與展望隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，復(fù)雜的電力控制系統(tǒng)在技術(shù)和安全對電網(wǎng)的