基于MATLAB 的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真分析

李麗霞，李 凱，路 靜，姚興佳

(1.沈陽工程學院自動控制工程系，沈陽110136;2.沈陽工業(yè)大學風能技術研究所，沈陽110023;3.沈陽晟昱咨詢有限公司，沈陽110168)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的第一道防線是電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制.電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，暫態(tài)穩(wěn)定性會受到干擾，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的方法很多，由于電力是國名經濟的支柱和命脈，實際考核電力系統(tǒng)穩(wěn)定性將對經濟和人身安全帶來損失.因此，這里利用MATLAB 的動態(tài)仿真軟件Simulink 搭建了含發(fā)電機、變壓器、輸電線路等的單機－無窮大系統(tǒng)仿真模型，對短路故障時所采取的不同措施的結果進行了仿真.

1 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到大擾動后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的運行狀態(tài)或恢復到初始運行狀態(tài)的能力.

引起大擾動的原因主要包括:①發(fā)生短路故障;②切除或投入系統(tǒng)的主要元件，如發(fā)電機，變壓器以及線路;③負荷的突然變化，如大用戶的投入.

其中發(fā)生短路故障的危害最大，單相短路接地占大多數，約為65%，而三相短路的幾率雖然小，但是后果最為嚴重，短路的特征是故障點電壓降低.短路對電力系統(tǒng)的正常運行和電氣設備的危害很大，短路電流可達幾萬甚至幾十萬安培，產生熱效應和電動力沖擊.分析電路暫態(tài)現象時，可建立電流電壓微分方程，并按初始來求解.對于穩(wěn)態(tài)一般用快速而準確的ode45 函數，對于暫態(tài)用ode23 函數.

2 基于MATLAB 的單機無窮大系統(tǒng)模型

電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定分析中，常應用的系統(tǒng)是單機—無窮大系統(tǒng)，即功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，如圖1 所示.單機—無窮大系統(tǒng).同時也是工程上常采用的，也是電力系統(tǒng)仿真模擬最基本、最簡單的運行方式.對實際系統(tǒng)近似處理，用來簡化模型，方便得出結論，有利于計算過程的簡化.單機—無窮大系統(tǒng)是具有一定代表性的，主要基于以下2 點考慮:①復雜系統(tǒng)都可以通過等值的第復方法歸結到這一模型或者雙機系統(tǒng)上來;②可以大大降低動態(tài)數字仿真的運算量，提高仿真速度，并很好地滿足繼電保護測試要求.

圖1 單機－無窮大系統(tǒng)

應用MATLAB 中的Simulink 軟件可以用圖形建立仿真模型，直接用Simulink 環(huán)境中的菜單啟動仿真過程，結果就顯示在示波器上.Simulink 中能對調節(jié)器的參數進行調整，得到很清晰的仿真結果.目前我國以三相短路作為考查電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定擾動的方式之一.因此仿真過程中設置短路故障為主要的故障方式.圖2 應用MATLAB 電力系統(tǒng)單機－無窮大系統(tǒng)仿真模型.

圖2 SPS 單機－無窮大系統(tǒng)仿真模型

3 單機－無窮大系統(tǒng)仿真模型參數設置

3.1 圖中各模塊參數設置

三相電源:無窮大系統(tǒng)采用三相電源模塊代替，參數設置為230 kV，100 GVA，A 相相角為0°，X/R =10.三相短路器使用默認參數. 輸電線路選擇分布參數模型，每回參數設置為R1= 0.038 42 hms /km，R0=0.220 19 hms /km，L1=1.037 8e－3 H/km，L0=2.839 4e－3H/km，C1=11.2584e－9 F/km，C0=8.157e－9 F/km，220 kV，110 km，極限傳輸容量為350 MW.三相變壓器參數設置為900 MVA，50 Hz，Delta(D1)/Yg 接線，20 /230 kV，R1=R2=1e－6(p.u.)，L1=0(p.u.)，L2=0.15(p. u.)，Rm=Lm=500(p. u.)，其中p. u. 表示單位是標幺值.三相負載RLC 并聯:P =1 W，QL=1 Var，QC=1 Var.勵磁系統(tǒng)使用默認參數. 同步發(fā)電機的參數設置為round(隱極機)，900 MVA，20 kV，50 Hz，xd=1.8，xd' =0.3，xd″=0.25，xq=1.7，xq' =0.55，xq″=0.25，xl=0.2，Rs=0.002 5，Td0'=8 s，Td0″=0.03 s，Tq0'=0.4 s，Tq0″=0.05 s，H=6.5 s，p=4.各電抗、電阻均為標幺值(p.u.).通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器使用默認參.Vref 常量設置為1.Pmec(pu)常量設置為0.5374.復合測量模塊設置為選擇vs－qd;d－theta;dw. Gain設置為60/2/Pi. Powergui 模塊:雙擊POwergui;單擊Configure parameters:將Simlation type 選擇為phasor，潮流計算方式頻率改為50 Hz.

4 各種提高暫態(tài)穩(wěn)定性措施的運行效果仿真

系統(tǒng)受到大的擾動后發(fā)電機機械功率和電磁功率的差額(即加速功率Pm－ Pe)是導致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因，因此減少大擾動后發(fā)電機的加速功率是首先考慮的措施［4］.在圖2 中，沒有采取有效措施來提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，在此情況下系統(tǒng)受到大的擾動后很容易失去平衡. 現在圖2 的基礎上采取一些有效措施，包括使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，附加故障限流器等，并在這些措施的基礎上進行仿真運行.由于引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的大擾動中，短路故障最常見，危害也最大，因此在線路L2 出口處設置各種短路故障作為對系統(tǒng)的大擾動，短路故障發(fā)生時間均定在1 s.

在動態(tài)仿真時設置下列情況:

1)在線路L2 出口處設置三相接地短路故障，1.1 s時將故障切除，通過投入和退出PSS 來分析使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS 對提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的效果.如圖3、圖4 所示.

2)在線路L2 出口處設置三相接地短路故障，1.4 s時將故障切除，仿真時投入PSS，將此仿真結果與1)中1.1 s 時切除故障的仿真結果進行比較，對快速切除故障的效果進行分析.如圖5 所示.

3)在線路L2 出口處設置三相接地短路故障，1.4 s時將故障切除，仿真時附加故障限流器(FCL)并投入PSS，對比圖2 來分析采用FCL 對于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的效果.如圖6 所示.

圖3 三相接地短路(1.1 s 切除故障，仿真不投PSS)

圖4 三相接地短路(1.1 s 切除故障，仿真附加PSS)

圖5 三相接地短路(1.4 s 切除故障，仿真附加PSS)

圖6 三相接地短路(1.4 s 切除故障，仿真附加FCL 同時投PSS)

圖3 系統(tǒng)附加PSS，三相接地短路1.1 s 時切除故障，系統(tǒng)4 s 時趨于穩(wěn)定，圖4 系統(tǒng)未投入PSS，盡管采取了快速切除故障的措施，但系統(tǒng)直到16 s 時才趨于穩(wěn)定.將圖3 與圖4 的仿真結果作對比，可見在系統(tǒng)中使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)可有效增加系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定. 因此使用PSS 是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有力措施.

圖5 系統(tǒng)附加PSS，三相接地短路1.4 s 時切除故障，系統(tǒng)失去了穩(wěn)定性.比較圖5 慢切除故障和圖4 快速切除故障的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，可見快速切除故障是保證系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的有效措施.

圖6 系統(tǒng)附加PSS，并在線路首端裝設故障限流器FCL，三相接地短路1.4 s 時切除故障，系統(tǒng)4 s 時趨于穩(wěn)定.將圖6 與圖5 的仿真結果作對比，可見裝設故障限流器(FCL)，可快速限制短路電流，即使采取慢切除故障措施，系統(tǒng)仍能保持暫態(tài)穩(wěn)定性.因此裝設故障限流器(FCL)也可有效地提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性.

5 結 論

通過單機－大系統(tǒng)對單力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定領域的故障判斷與分析，以MATLAB Simulink 仿真系統(tǒng)為依托，非常容易的建立了電力系統(tǒng)的各個組成部分，聯接成了電力系統(tǒng)的模型，最終建立了系統(tǒng)仿真的模型.通過模型模擬了一些故障，并對這些故障進行的檢測與分析，最終解決了故障，通過對故障的分析驗證了方法的正確性與準確性，利用MATLAB Simulink 系統(tǒng)為電力系統(tǒng)仿真提供了更加準確與方便的辦法. 結果表明，MATLAB SPS 具有強大地仿真功能，利用MATLAB 進行電力系統(tǒng)仿真準確率高，而且沒有風險，通過精準的計算，大大的提高了精度，是分析電力系統(tǒng)的有力工具.

［1］張少如，李志軍，吳永儉，等.Matlab 與電力系統(tǒng)仿真［J］.河北工業(yè)大學學報，2005，34(6):5－9.

［2］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析:3 版［M］.武漢:華中科技大學出版社，2002.(5):95－96.

［3］姚李孝，姚金雄，安 源. 基于Matlab/Simulink 的高壓輸電線路故障定位的仿真研究［J］.電網技術，2005，(5).

［4］吳明強，李霽紅，曹愛東，等.故障診斷專家系統(tǒng)綜合智能推理技術研究［J］. 計算機測量與控制，2004，12(10):932－934.

［5］周榮光，電力系統(tǒng)故障分析［M］.北京:清華大學出版社，1988.(1):2－3.

［6］趙彩宏，田立軍，鄒貴彬，等.FCL 對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的機理分析與仿真［J］. 電力自動化設備，2001，21(2):14－17.

［7］李維波.Matlab 在電氣工程中的應用［M］. 北京:中國電力出版社，2007.(7):342－343.

［8］李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析:2 版［M］.北京:水利電力出版社，1995.

［9］常 勇，王 瑩，李立新. 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方法綜述［J］.云南電力技術，2009.

［10］盛義發(fā)，鄧國揚，王浩宇，等.同步發(fā)電機新型勵磁系統(tǒng)的研究［J］.南華大學學報，2003(1):1－6.

［11］張 森，張正亮. Matlab 仿真技術主導實例應用教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［12］張葛祥，李 娜.Matlab 仿真技術與應用教程［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［13］蔡克紅，李 升.電力系統(tǒng)暫太穩(wěn)定性仿真:基于Matlab/Simulink［J］.江西電力，2006.

［14］Warut Suampun，Hsiao－Dong Chiang.Critical Evaluation of Methods for Estimating Stability Boundary for Transient Stability Analysis in Power Systems［J］.Power and Energy Society General Meeting，2010.

［15］Elgerd O I.Electric Energy System Theory－An Introduction［J］.McGraw－Hill Book Co，1982(4):61－66.

［16］ZMhong Ye，D Boroyevich，Fred C Lee.Modeling and control of zero－sequence currents in parallel multi－phase converters［C］.IEEE Power Electronics Specialists Conference Galway，2000:1549－1556.

［18］ Kundur P. Power System Stabiliby and Control［J］.Mcgraw－Hill，1994(2):25－26.

［19］ Grainger J J，Stevenson W D. Power System Analysis［J］.Mcgraw－Hill，1994(4):44－47.

［20］ Venikov V A. Transient Processes in Electrical Power Systems［J］.Mir Publishers，1980(2):12－13.