簡(jiǎn)單系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真

1、南 京 理 工 大 學(xué)動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)分析課程報(bào)告姓名學(xué) 號(hào)：學(xué)院(系):自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān) 業(yè):智能電網(wǎng)與控制題 目:基于matlab的單機(jī)無(wú)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(hào)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(guó)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(dòng)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(jiǎn)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(wú)窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析73.1單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)原理分析73.2 Simulink下單機(jī)-無(wú)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(yùn)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(dòng)態(tài)仿真工具、電力系統(tǒng)工具箱的功能和特點(diǎn)及仿真數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，使用MATLAB電力系統(tǒng)仿真模塊集SimPowerSystems構(gòu)建了單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)的Simulink模型，通過(guò)對(duì)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(guò)程中電力系統(tǒng)的動(dòng)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(wú)窮大；暫態(tài)穩(wěn)定仿真；ABSTRACTThebasiccharacteristicsofpowersystemtransientstability,thefunctionandfeature,andmathematicalmodelofpowersystemblocksetandSimulinkbasedonMATLABareinthepaper.MATLABSimPowerSystemsareusedtobuildupSimulinkmodels

4、ofasingle-machinesystem.PowerfulfunctionsofMatlabinthesimulationofpowersystemareshownbythesimulationofpowersystemfailure.Theresultshowsthatthedynamicbehaviorofpowersystemduringtransientprocessescanbeobservedquiteaccuratelyanddirectly.Keywords:Powersystem;SPS;Single-infinite;Transientstabilitysimulat

5、ion引言電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，一方面它必須時(shí)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(dòng)之中，擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、類(lèi)型、嚴(yán)重性均有隨機(jī)性，在擾動(dòng)發(fā)生后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中一旦發(fā)生穩(wěn)定性被破壞的問(wèn)題，系統(tǒng)可能在幾秒內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的后果，會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)造成極大的損失，甚至對(duì)社會(huì)也會(huì)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(yùn)行狀態(tài)下受到某種擾動(dòng)后，能否經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)或者過(guò)渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。如果能過(guò)回到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)或建立一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則認(rèn)為系統(tǒng)在該運(yùn)行狀態(tài)下是穩(wěn)定的。反之，若系統(tǒng)不能回到原來(lái)運(yùn)行狀態(tài)或者不能建立一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則說(shuō)明系統(tǒng)的狀態(tài)

6、變量沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)態(tài)值，而是隨時(shí)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(gè)系統(tǒng)瓦解，后果極為嚴(yán)重。因此，保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)于電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，具有非常重要的意義。若對(duì)一個(gè)特定的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)生了某一特定的擾動(dòng)后，如果在擾動(dòng)后系統(tǒng)可以回到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)或過(guò)渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則說(shuō)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(dòng)下，各發(fā)電機(jī)組間能否保持同步運(yùn)行，如果能保持同步運(yùn)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(dòng)下是暫態(tài)穩(wěn)定的。通過(guò)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

7、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(gè)運(yùn)行狀態(tài)下，突然受到較大的干擾后，能夠過(guò)渡到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)（或者回到原來(lái)的運(yùn)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(dòng)的過(guò)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(shuō)系統(tǒng)的狀態(tài)方程是有變化的。本文主要以一個(gè)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)（如圖1.1所示）為例，對(duì)該系統(tǒng)受外界干擾時(shí)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

8、圖形比較分析在這兩種短路情況中各種穩(wěn)定器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。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(dòng)后發(fā)電機(jī)的加速功率是首先考慮的措施。在MATLAB仿真當(dāng)中，短路故障的類(lèi)型和發(fā)生及切除時(shí)間可由三相短路模塊（Three-Phase Fault）進(jìn)行設(shè)置。動(dòng)態(tài)仿真時(shí)選擇ode23tb算法，并采用略去直流分量和其他濾波分量計(jì)算的Phasors法，可以顯著加快仿真速度。圖1.1單機(jī)無(wú)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(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性基本概念的理解，通過(guò)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

9、高在實(shí)際應(yīng)用中分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，能夠形成需求分析、方案分析、方案設(shè)計(jì)、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)變得越來(lái)越大，也越來(lái)越復(fù)雜。這樣的發(fā)展趨勢(shì)在給電力系統(tǒng)到來(lái)巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，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(chǎng)的日益開(kāi)放會(huì)使運(yùn)行方式更加靈活多變，對(duì)穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)性判斷要求更高。同時(shí)，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(yùn)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(wèn)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(zhǎng)時(shí)間停電，則可能使電力系統(tǒng)崩潰和瓦解。因此

10、，準(zhǔn)確、快速地分析電力系統(tǒng)在大擾動(dòng)下的暫態(tài)穩(wěn)定行為，必要時(shí)采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧员ＷC系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的要求，是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行人員最重要也是最復(fù)雜的任務(wù)之一。1.2.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀實(shí)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(gè)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(dòng)裝置等。在運(yùn)行管理方面,控制中心對(duì)運(yùn)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(yùn)行；在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)價(jià),通過(guò)對(duì)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(dòng)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

11、障后的緊急控制措施可將由于安全性破壞而對(duì)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(dòng)后的暫態(tài)過(guò)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)電機(jī)轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生相對(duì)搖擺,如果系統(tǒng)沒(méi)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(dòng)引起的不平衡功率或提供適當(dāng)?shù)淖枘帷６嗄陙?lái),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(wèn)題的研究,提出過(guò)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(lèi)：數(shù)值解法和直接法。數(shù)值解法（時(shí)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(duì)上述方程組聯(lián)立求解或交替求

12、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(lái)判定系統(tǒng)在擾動(dòng)下能否保持同步。目前時(shí)域仿真法主要采用的數(shù)值計(jì)算方法包括顯式積分法和隱式積分法。前者包括歐拉法、龍格-庫(kù)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(jiǎn)單模型和較短的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間。龍格-庫(kù)塔法擬合了泰勒級(jí)數(shù)的高階項(xiàng)，具有比較高的精度，數(shù)值穩(wěn)定性好。它的缺點(diǎn)是計(jì)算量大，計(jì)算速度慢。線形多步法精度高，運(yùn)算量比龍格-庫(kù)塔法小，但計(jì)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▉?lái)保證其精度。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

13、代數(shù)方程時(shí)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(zhǎng)。雖然時(shí)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)大，時(shí)域仿真法的計(jì)算量將很大，計(jì)算速度不能滿足在線監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)用的暫態(tài)分析算法。我國(guó)電力科學(xué)界對(duì)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(shū)逷等人關(guān)于PEBS法的研究：清華大學(xué)倪以信與美國(guó)Fouad等人對(duì)UEP法的直流輸電模型與勵(lì)磁系統(tǒng)模

14、型的研究：1988年我國(guó)學(xué)者南京電力自動(dòng)化研究院薛禹勝與比利時(shí)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)，利用等面積準(zhǔn)則和泰勒展開(kāi)式導(dǎo)出臨界切除時(shí)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(lái)該法經(jīng)不斷完善，已擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)EEAC法，使得計(jì)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(jí)數(shù)研究快速暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算問(wèn)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(mén)、電氣制動(dòng)和切機(jī)問(wèn)題的研究等，都使

15、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，它是從一個(gè)古典力學(xué)的概念發(fā)展而來(lái)。1947年美國(guó)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(jì)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(yùn)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(diǎn)（UEP）的方法，但

16、是早期研究未計(jì)入故障地點(diǎn)和轉(zhuǎn)移電導(dǎo)的作用，所以計(jì)算結(jié)果偏于保守。1978年日本學(xué)者Kakimoto等人首次提出了勢(shì)能界面法（PEBS）法，直接利用持續(xù)的故障軌跡求取臨界勢(shì)能，從而求取臨界切除時(shí)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(jì)入了故障地點(diǎn)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(dòng)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(jì)入詳細(xì)發(fā)電機(jī)，模型和復(fù)合模

17、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(duì)勢(shì)能界面法進(jìn)行了理論分析，并提出了使勢(shì)能界面法計(jì)算準(zhǔn)確的條件。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(lái)的方法），是UEP法的實(shí)用化又進(jìn)了一步。本文采用了Matlab軟件對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行了仿真分析，運(yùn)行于Simulink下的PSB(PowerSystemBlockset)是針對(duì)電力系統(tǒng)的工具箱，從Matlab6.0開(kāi)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(huà)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，如電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)分析

18、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,可以快速地組建仿真模型,從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的仿真計(jì)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(dòng)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(dòng)重合閘；（2）強(qiáng)行勵(lì)磁和快速關(guān)閉汽門(mén)；（3）電氣制動(dòng)和變壓器中性點(diǎn)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(yùn)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

19、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(guò)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(wèn)題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小，常導(dǎo)致選線

20、裝置不能正確動(dòng)作，并且該方法要求有一個(gè)持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過(guò)程，因此在發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)便不再適用。所以利用能對(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(guò)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(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(kāi)線路等)后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的或恢復(fù)到原來(lái)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。同時(shí)，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(jiǎn)要介紹2.1概述MATLAB是MatrixLa

21、boratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫(xiě)，由Mathworke公司開(kāi)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(lái)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(zhuān)家為MATLAB寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)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(yǔ)言是當(dāng)今國(guó)際上科學(xué)界（尤其是自動(dòng)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(yùn)算，并已經(jīng)發(fā)展成一種高度集成的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。MATLAB 集科學(xué)計(jì)算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個(gè)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(yǔ)音處理、圖像處理

22、、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。 Matlab(Matrix laboratory )語(yǔ)言最初是在1980年由美國(guó)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(shí)驗(yàn)手段。MathWorks公司在80年代發(fā)行使之成為著名數(shù)值型計(jì)算軟件。Matlab具有編程效率高、程序設(shè)計(jì)靈活、圖形處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。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(guò)鼠標(biāo)在模型窗口畫(huà)出研究的系統(tǒng)的模型,直接對(duì)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

23、直接,更方便靈活。在Matlab中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)PSB以Simulink為運(yùn)算環(huán)境,涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)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(gè)子模塊組成: 電源模塊庫(kù)、連接模塊庫(kù)、測(cè)量模塊庫(kù)、基本元件模塊庫(kù)、電力電子模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)。在這6個(gè)基本模塊庫(kù)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(kù)中,為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來(lái)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(kù)；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

24、種電力系統(tǒng)的負(fù)荷模型、電力半導(dǎo)體器件庫(kù)以及控制和測(cè)量環(huán)節(jié)。再借助其他模塊庫(kù)或工具箱以及自己在Simulink下搭建的模塊，在提供的仿真平臺(tái)上可以進(jìn)行電力系統(tǒng)的仿真計(jì)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(yùn)行于Simulink下的PSB（PowerSystemBlockset）是針對(duì)電力系統(tǒng)的工具箱，從Matlab6.0開(kāi)始它被重新命名為SPS（SimPowerSystem）。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec研究中心的專(zhuān)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

25、路的仿真。隨著MATLAB的不斷升級(jí)，SimPowerSystem也得到了很大的發(fā)展?，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)。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(zhuān)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。大體來(lái)說(shuō)，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

26、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)。本文以MATLAB R2009a電力系統(tǒng)工具箱為平臺(tái)，通過(guò)SimPowerSystems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?yàn)楹芏嘁蛩貙?dǎo)致電力系統(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)。所以可以首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究來(lái)判斷其設(shè)計(jì)的可行性，它的突出優(yōu)點(diǎn)

27、是可行、簡(jiǎn)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(lái)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(shí)際中的電力系統(tǒng)。利用模塊庫(kù)中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)做了一定的理想化。對(duì)各元件的參數(shù)也作了一定的取舍和簡(jiǎn)化，隨著模塊庫(kù)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(shí)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(wú)窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析3.1單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)原理分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行分析，常采用的模型是單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)，單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)認(rèn)為功率無(wú)窮大

28、、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(jiǎn)單、最基本的運(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(guò)程。圖3.1所示的單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)原理圖。圖3.1單機(jī)-無(wú)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(wú)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(dòng)勢(shì)到無(wú)窮大系統(tǒng)母線的總阻抗；-功角；-發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)；-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(shí)刻切除故障，可以采用仿真來(lái)觀察發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況。目前來(lái)看，仍就以三相短路作為考核暫態(tài)穩(wěn)定的擾動(dòng)模式之一。所以，在下面的仿真中采用的故障

29、形式以短路故障為主，考慮到PSS作為勵(lì)磁系統(tǒng)的一個(gè)子模塊,它的輸出是勵(lì)磁輸入信號(hào)的一種，通過(guò)On-Off開(kāi)關(guān)控制投退。它是專(zhuān)門(mén)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)先于轉(zhuǎn)軸速度的附加信號(hào)、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。它抽取與此振蕩相關(guān)的信號(hào)，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(hào)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。3.2 Simulink下單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)仿真模型的搭建MATLABSPS提供了豐富的電力及電氣系統(tǒng)元件模型,在Simulink運(yùn)行環(huán)境下,用戶只需應(yīng)用鼠標(biāo)拖放的方式將所需電氣元件的模

30、塊添加到模型編輯窗口,并將它們連接起來(lái),就可以快速地組建仿真模型,從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算。現(xiàn)在運(yùn)用SPS提供的模塊構(gòu)建一個(gè)單臺(tái)發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)線路與無(wú)窮大功率母線相連的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng),即單機(jī)無(wú)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(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，

31、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 transformer (two wi

32、ndings)(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(lì)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(cè)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，ground(直流)模塊，scope(

33、顯示器)模塊，sum(求和)模塊；l Signal routing(信號(hào)路由)模塊庫(kù)下的manual switch(手動(dòng)開(kāi)關(guān))模塊；l Simpowersystem(電力系統(tǒng))模塊庫(kù)下的machines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，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(duì)各個(gè)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(wú)窮大系統(tǒng)的Simulink仿真模型如下圖所示：圖3.2.2單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)仿真原理圖3.3系統(tǒng)各模塊相關(guān)參數(shù)設(shè)置設(shè)置模塊參數(shù)：雙擊該模塊并

34、彈出對(duì)話框，在對(duì)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(duì)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)置如下圖所示：圖3.3.6 Voltag

35、e 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)置如下：圖3.3.9 Three-P

36、hase 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 Breaker1模塊，參數(shù)設(shè)置如下：圖

37、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(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(dòng)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)定性的一些有效措施，包括電力系統(tǒng)穩(wěn)

38、定器、快速切除故障、故障限流器、自適應(yīng)單相自動(dòng)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(shí)間均發(fā)生在2S)作為對(duì)系統(tǒng)最大的擾動(dòng)。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真時(shí)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(shí)切除故障，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的效果進(jìn)行分析(PSS可通過(guò)切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行投退)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3.4.1所示。圖3.4.1 2.3s時(shí)刻切除故障的機(jī)端電壓（未加PSS）結(jié)論分析：未投入PSS時(shí)，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(kāi)之后仍然出現(xiàn)短時(shí)間的震蕩。圖3.4.2 2.3s時(shí)刻切除故障的機(jī)端電壓（加PSS）結(jié)論分析：可知，對(duì)于單相接地短路故

39、障，采用PSS可有效地增加系統(tǒng)對(duì)振蕩的阻尼效果，使波形更平緩，同時(shí)對(duì)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(shí)切除故障，仿真時(shí)不附加PSS，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3.4.3所示；將此仿真效果與(1)中的2.3S時(shí)切除故障的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)快速切除故障的效果進(jìn)行分析。圖3.4.3 2.6s時(shí)刻切除故障的機(jī)端電壓（未加PSS）結(jié)論分析： 未投入PSS時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)暫時(shí)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(shí)間更長(zhǎng)，而且造成的波動(dòng)較大，穩(wěn)定性更差一些，震蕩持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，由于進(jìn)一步對(duì)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，所示的穩(wěn)態(tài)波形更加平穩(wěn)。圖3.4.4 2.6s

40、時(shí)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(shí)切除故障，仿真時(shí)不加PSS，對(duì)自適應(yīng)單相重合閘的效果進(jìn)行分析，3.3S時(shí)重合L2故障相(A相)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3.4.5。圖3.4.5 2.3s時(shí)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(shí)間增加相電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增加，此時(shí)系統(tǒng)崩潰。短路故障的類(lèi)型和發(fā)生及切除時(shí)間可由三相短路模塊(Three-Phase Fault)進(jìn)行設(shè)置。動(dòng)態(tài)仿真時(shí)選擇ode23tb，并采用略去直流分量和其他復(fù)雜濾波分量的P

41、hasors法，可顯著地加快仿真速度。由此可知，對(duì)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(shí)，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(duì)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(yùn)行指標(biāo)的仿真運(yùn)行結(jié)果可見(jiàn)快速切除故障對(duì)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(hào)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(shí)，盡管采用了快速切除故障的措施，系統(tǒng)仍然失去了穩(wěn)定性。同時(shí)采用自動(dòng)重合閘也是提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一個(gè)有效經(jīng)濟(jì)地方法，本次穩(wěn)態(tài)故障仿真對(duì)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(shí)性故障，則重合進(jìn)行閉鎖。若單相接地短路為瞬時(shí)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(shí)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