Matlab/Simulink在閉式電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)分析中的應(yīng)用與研究

甘齊鋒，王婷樂

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002;2.安徽送變電工程公司，安徽合肥230000)

Matlab/Simulink在閉式電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)分析中的應(yīng)用與研究

甘齊鋒1，王婷樂2

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002;2.安徽送變電工程公司，安徽合肥230000)

本文針對雙機(jī)四節(jié)點(diǎn)閉式電力網(wǎng)絡(luò)，采用matlab編程和simulink建模仿真兩種不同的方法，在集中參數(shù)和分布式參數(shù)不同線路模型下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，將編程運(yùn)行結(jié)果與powergui模塊提供的穩(wěn)態(tài)電壓電流分析結(jié)果進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種方法均能準(zhǔn)確地對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，在大型復(fù)雜的閉式電力網(wǎng)絡(luò)中前者相對簡單高效。在線路電壓等級為110kV，傳輸距離不超過150km的情況下，集中參數(shù)線路模型完全可以取代分布式參數(shù)線路模型，符合系統(tǒng)運(yùn)行要求。

閉式電力網(wǎng);matlab編程;simulink仿真;穩(wěn)態(tài)分析

1 引言

電力系統(tǒng)潮流計算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的一項(xiàng)基本運(yùn)算。它既是對電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和運(yùn)行方式的合理性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量分析的依據(jù)，也是電力系統(tǒng)靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定計算的基礎(chǔ)。穩(wěn)態(tài)分析要根據(jù)給定系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件來確定整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的電壓和流經(jīng)電流以及網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗和功率分布。對于簡單的開式和閉式電力網(wǎng)絡(luò)可以采用潮流估算的方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，而對于復(fù)雜的閉式電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)分析一般采取計算機(jī)計算的方法來完成。

本文針對雙機(jī)四節(jié)點(diǎn)環(huán)網(wǎng)供電的閉式電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)分析問題，除了采用傳統(tǒng)的計算機(jī)編程方法來解決外，同時也采用了simulink建模仿真的方法來進(jìn)行分析，對兩種不同方法進(jìn)行了對比分析，并對分布參數(shù)型輸電線路和集中參數(shù)型輸電線路兩種不同線路模型情況下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)進(jìn)行模擬仿真，研究集中參數(shù)型的輸電線路對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的影響。

2 應(yīng)用matlab編程與simulink建模仿真進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析

2.1 應(yīng)用matlab編程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析

關(guān)于電力系統(tǒng)潮流分析已形成一套成熟的理論，而極坐標(biāo)系下的牛頓－拉夫遜算法便是其中一種經(jīng)典算法。針對復(fù)雜的閉式電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)分析，一般通過計算機(jī)編程，采用極坐標(biāo)系下牛頓－拉夫遜算法可以有效解決系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電氣量求解的問題，包括系統(tǒng)中PQ節(jié)點(diǎn)電壓有效值和相位、PV節(jié)點(diǎn)注入的無功功率和電壓的相位，以及平衡節(jié)點(diǎn)注入的有功功率和無功功率，進(jìn)而可以求得各節(jié)點(diǎn)注入電流和線路流經(jīng)電流以及線路損耗和系統(tǒng)功率分布。由于該方法理論成熟，這里不再贅述，僅給出采用matlab編程方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時的程序流程如圖1所示。

圖1 牛頓－拉夫遜算法潮流計算流程圖

2.2 應(yīng)用simulink建模仿真進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析

本文針對如圖2所示的雙機(jī)四節(jié)點(diǎn)環(huán)網(wǎng)供電的閉式電力網(wǎng)絡(luò)［1］，采用simulink建模仿真的方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。具體系統(tǒng)參數(shù)如下:線路額定電壓為110kV，導(dǎo)線均采用LGJ－120型的鋼芯鋁絞線，其參數(shù)為r1= 0.4Ω/km，x1=0.21Ω/km，b1=2.85×10－6Ω/km，各條輸電線路線路長度分別為l1=150km，l2=100km，l3=75km。三相雙繞組變壓器額定容量為63000kV·A，額定電壓為110/11kV，短路電壓百分?jǐn)?shù)為UK%=10.5，高壓側(cè)運(yùn)行在－2.5%分接頭上。電容器的額定容量為5MV·A。系統(tǒng)基準(zhǔn)容量取為SB=100MV·A，基準(zhǔn)電壓取為UB=UN。圖中節(jié)點(diǎn)1、2、3、4依次為聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)、平衡節(jié)點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)接線圖

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)接線圖，利用simulink搭建如圖3所示的仿真模型。

圖3 2機(jī)4節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析仿真模型圖

該系統(tǒng)仿真模型中各模塊選取如下［5］:兩臺發(fā)電機(jī)均選用標(biāo)幺制標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī)模塊“Synchronous Machine pu Standard”，以轉(zhuǎn)子軸建立的坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，定子繞組連接成星形。兩臺變壓器均選用三相雙繞組變壓器模塊，采用Y－Y聯(lián)接。母線采用三相電壓電流測量元件來模擬，為了測量流過線路的電流，在線路兩端也設(shè)置了該元件。輸電線路選用三相π型等值模塊。負(fù)荷選用三相動態(tài)負(fù)荷模塊“Three-Phase Dynamic Load”來模擬PQ節(jié)點(diǎn)上連接的負(fù)荷。電容器則通過三相RLC并聯(lián)負(fù)荷來模擬。考慮到在實(shí)際電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)出口額定電壓在35kV以下［4］，而線路電壓等級為110kV，故在發(fā)電機(jī)與母線之間加入變壓器模型。在各模塊中輸入相應(yīng)參數(shù)的有名值，最終powergui中的“Steady－State Voltages and Currents”界面給出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果。圖4為發(fā)電機(jī)G1的參數(shù)設(shè)置界面。

圖4 發(fā)電機(jī)G1參數(shù)設(shè)置界面

3 兩種不同方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用兩種不同方法［3］結(jié)果如表1所示。

表1 兩種不同方法穩(wěn)態(tài)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表中數(shù)據(jù)均使用標(biāo)幺值。由表1可以看出，雖然采用的是matlab編程和simulink建模仿真兩種不同的方法，但是從4個節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和角度的結(jié)果來看，結(jié)果誤差不超過6%，在可以接受的范圍內(nèi)，表明這兩種方法均能應(yīng)用于對雙機(jī)四節(jié)點(diǎn)的環(huán)網(wǎng)供電的閉式電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。實(shí)際上，對于更為復(fù)雜的閉式電力網(wǎng)，二者依然適用。只是前者需要將牛頓－拉夫遜算法編入程序中，然后根據(jù)已知條件利用其求解一個N階非線性方程組得出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解;而后者利用系統(tǒng)內(nèi)嵌的Ode45變步長算法自動求解，但前提要準(zhǔn)確的設(shè)置系統(tǒng)中各種電氣元件的參數(shù)。

4 不同輸電線路模型下的系統(tǒng)仿真

在圖3所示的仿真模型中，3條輸電線路均采用三相π型輸電線路模型，而三相π型輸電線路模型是一種集中參數(shù)型輸電線路模型，嚴(yán)格來講，分布式參數(shù)輸電線路模型是更為精準(zhǔn)的模型［1］。為了研究在電壓等級［2］為110kV，傳輸距離不超過150km的線路中采用集中參數(shù)模型對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的影響，將線路模型更換為三相分布式參數(shù)線路，其它條件不變的情況下重新對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真分析。線路L1采用兩種不同輸電線路模型時參數(shù)設(shè)置界面分別如圖5、圖6所示，其余兩條線路只是線路長度不同，可以依此類推。

圖5 線路L1集中參數(shù)設(shè)置界面

圖6 線路L1分布參數(shù)設(shè)置界面

采用兩種不同線路模型對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種不同線路模型穩(wěn)態(tài)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，雖然線路模型有所不同，但在線路電壓等級為110kV，傳輸距離不超過150km的情況下，采用集中參數(shù)線路模型替代分布式參數(shù)線路模型時，各節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位誤差較小，不超過2%，在允許的誤差范圍之內(nèi)，因而這種情況下的替代是合理可行的。

5 結(jié)論

針對雙機(jī)四節(jié)點(diǎn)環(huán)網(wǎng)供電閉式電力網(wǎng)絡(luò)，分別采用基于極坐標(biāo)系下牛頓－拉夫遜算法的matlab編程和基于Ode45內(nèi)嵌算法的simulink建模仿真兩種不同方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，算例結(jié)果表明，二者結(jié)果誤差在6%以內(nèi)，考慮到用電設(shè)備一般希望運(yùn)行電壓與其額定電壓之差不超過±5%，因而兩種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行要求，但是對于大型的閉式電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)分析，采用matlab編程的方法更為簡單適用。原因在于，當(dāng)閉式網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更加龐大，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜時，相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和連線的工作量就會加大，而這些可以通過編程自動計算來獲取。當(dāng)采用不同模型的輸電線路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時，在線路電壓等級為110kV，傳輸距離不超過150km的情況下，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時各節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相位誤差在2%以內(nèi)，因而集中型參數(shù)的線路模型完全可以取代分布式參數(shù)的線路模型，此時對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析影響可以忽略不計。

［1］夏道止.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析［M］.2版.北京:中國電力出版社，2010.

［2］熊信銀，張步涵.電氣工程基礎(chǔ)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2005.

［3］李維波.Matab在電氣工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［4］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析［M］.3版.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002.

［5］王晶.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應(yīng)用［M］.陜西:西安電子科技大學(xué)，2008.

Application and Research on Closed Power Network Based on Matlab/Simulink

GAN Qi-feng1，WANG Ting-le2
(1.College of Electrical Engineering＆New Energy，Three Gorges University，Yichang 443002，China; 2.Anhui Transmission and Transformation Engineering Corporation，Anhui 230000，China)

Both programming method based on matlab and modeling method based on simulink are used to deal with power system steady-state analysis for the two-machine four-node closed power network in the thesis，when the line module uses three-phase pi section line module for the first time and the distributed parameters line module for the second time in the experiment.It indicates that both of the two methods can be applied to the problem of power system steadystate analysis by the comparison of the results of steady-state voltage and current provided by the two experiments mentioned above，what's more，programming method based on matlab is more simple and effective in the large-scale closed power network.Furthermore，three-phase pi section line module can completely replace the distributed parameters line module when the nominal voltage of the transmission line is 110kV and the transmission distance is shorter than 150km，which can meet the requirements of the power system operation.

closed power network;programming based on matlab;simulation based on simulink;steady-state analysis

TM71

B

1004－289X(2016)04－0051－04

2015－12－10

甘齊鋒(1987－)，男，漢族，湖北麻城人，碩士研究生，電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制;

王婷樂(1990－)，男，漢族，安徽合肥人，電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。