基于MATLAB/SIMULINK的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

摘 要：本論文以MATLAB為仿真平臺進(jìn)行了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的建模和動態(tài)仿真分析，介紹了MATLAB/SIMULINK的基本特點(diǎn)以及應(yīng)用MATLAB實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真分析的基本方法和步驟。建立了一個(gè)單機(jī)——無窮大系統(tǒng)的仿真模型，從電力系統(tǒng)潮流、線路短路電流和電壓、暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算和分析幾個(gè)方面進(jìn)行了仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果與電力系統(tǒng)實(shí)際情況相比較可以看出，基于MATLAB/SIMULINK的電力系統(tǒng)仿真研究能較準(zhǔn)確直觀地考察暫態(tài)過程中電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，為深入應(yīng)用和學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)相關(guān)知識，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制提供了大量的有用信息。

關(guān)鍵詞：仿真軟件；模型仿真；單機(jī)—無窮大系統(tǒng)；系統(tǒng)故障；暫態(tài)穩(wěn)定

中圖分類號：TM712

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的難度也逐漸增加。從本世紀(jì)七十年代開始，在世界上很多國家的大電網(wǎng)內(nèi)部相繼發(fā)生了多起由于電壓穩(wěn)定問題而導(dǎo)致的電力系統(tǒng)崩潰的事故。這些惡性事故的嚴(yán)重后果不但使科學(xué)工作者認(rèn)識到了電壓穩(wěn)定性的重要性，也使電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究引起了電力界的廣泛關(guān)注。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析又涉及到復(fù)雜的電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)過程，直觀地再現(xiàn)和仿真其內(nèi)在物理過程有著重要的工程意義。

1 仿真模型的建立

本設(shè)計(jì)要模擬電力系統(tǒng)中的各類故障從而進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真與分析，所以按照電力系統(tǒng)的要求，首先要建立一單機(jī)—無窮大供電系統(tǒng)模型，系統(tǒng)頻率采用50Hz工頻。單機(jī)模型與無窮大模型均使用同步電機(jī)仿真，之間使用雙回路100KM模擬輸電線路連接。如圖1。

2 暫態(tài)穩(wěn)定性分析

研究電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，首先要模擬系統(tǒng)的擾動。前面提到了暫態(tài)穩(wěn)定主要是在系統(tǒng)受到大擾動的情況下分析系統(tǒng)之中狀態(tài)量的變化。在實(shí)際電力系統(tǒng)中，擾動的形式多種多樣，常見的有短路故障、斷線故障或它們的組合。短路又稱橫向故障，斷線又稱縱向故障。短路故障又分為三相短路、單相短路、兩相短路和兩相接地短路。斷線故障可分為單相斷線、兩相斷線和三相斷線，一般情況下，電力系統(tǒng)中一次只有一處故障，稱之為簡單故障，但也有可能有兩處或兩處以上同時(shí)發(fā)生故障。

2.1 單機(jī)機(jī)端單相短路分析

選擇模型中發(fā)電機(jī)極端的三相電路短路故障發(fā)生器Three-Phase Fault1，將其故障設(shè)置為A相短路，短路故障時(shí)間為0.3S至0.5S，并選擇故障相接地選項(xiàng)。設(shè)置完電路圖和仿真參數(shù)后，下面進(jìn)行電路仿真。激活仿真按鈕，查看仿真波形圖。

根據(jù)前面分析的，由于故障時(shí)出現(xiàn)了加速功率，所以發(fā)電機(jī)開始加速，經(jīng)過一段時(shí)間后就出現(xiàn)是否能繼續(xù)保持同步運(yùn)行的問題。由圖2可以看出來，在0.3S—0.5S的時(shí)間內(nèi)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一直在上升，0.5S轉(zhuǎn)速達(dá)到1.034（Pu）時(shí)，故障解除，轉(zhuǎn)速開始回落。重新過度到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，說明系統(tǒng)仍然能夠保持同步，沒有失穩(wěn)。

2.2 單機(jī)機(jī)端三相短路分析

發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其狀態(tài)的好壞直接影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行的可靠性。發(fā)電機(jī)出口端或附近發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流的幅值大，而且從短路開始至第一次短路電流過零經(jīng)歷的時(shí)間較長，大約需要20ms-150ms.這給發(fā)電機(jī)造成很大的危害，同時(shí)也對其保護(hù)設(shè)備提出更高的要求。因此，對其短路過程進(jìn)行具體分析，尋找行之有效的保護(hù)措施是十分重要的。

由圖可以看出來，大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)，短路電流很大，可達(dá)幾萬安甚至幾十萬安。如此大的短路電流對供電系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生極大的危害，而且供電系統(tǒng)中存在著電感等儲能元件，使得短路電流的分析變得復(fù)雜。因此對于大容量電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路的分析是必要的。

3 遠(yuǎn)端發(fā)電機(jī)突然斷開時(shí)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

設(shè)置無窮大電源端的三相斷路器Three-Phase Breaker1的初始狀態(tài)為關(guān)斷狀態(tài)，在0.6S時(shí)讓其打開，模擬無窮大電源突然從電力系統(tǒng)斷開的情況，觀察系統(tǒng)中各電氣量的變化情況。設(shè)置為0.6S是為了讓系統(tǒng)在前面的時(shí)間里充分的穩(wěn)定，這樣有利于更好的觀察擾動時(shí)的波形。

4 結(jié)束語

在利用MATLAB/SIMULINK PSB工具箱進(jìn)行電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真的基礎(chǔ)上，通過自己動手搭建電力系統(tǒng)模型、仿真并分析電力系統(tǒng)在各類故障下的電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)特性，具體考察研究了能夠影響電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的因素。根據(jù)仿真出來的各狀態(tài)量的變化情況與實(shí)際電力系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論相比較，可以看出來，基于MATLAB/SIMULINK仿真工具強(qiáng)大的計(jì)算能力，其確實(shí)能夠?qū)㈦娏ο到y(tǒng)中復(fù)雜的暫態(tài)變化情況真實(shí)、準(zhǔn)確、直觀地反映出來，更加驗(yàn)證了MATLAB/SIMULINK在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究分析中具有極高的可操作性。

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作者簡介：李菊葉（1979-），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位：陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中 723003