基于MATLAB與PSASP環(huán)網(wǎng)調(diào)壓措施的差異分析研究

李惜玉，洪 敏，陳偉德，楊康宜

(廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣東 廣州 510006)

1 MATLAB/Simulink和PSASP簡介

Simulink是MATLAB上具有仿真鏈接的一個部件，能夠針對任何能夠用數(shù)學描述的系統(tǒng)進行建模，如航空航天動力學系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。Sim-PowerSystems庫是Simulink下面的一個專用模塊庫，是在Simulink環(huán)境下進行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進工具。SimPowerSystems庫提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，在仿真前自動將仿真系統(tǒng)圖變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在Simulink下進行仿真分析。它為電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電計算提供了強有力的解決方法，尤其是當設計開發(fā)內(nèi)容涉及控制系統(tǒng)設計時，優(yōu)勢更為突出。

電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP)是一套歷史長久、功能強大，使用方便的電力系統(tǒng)分析程序，是高度集成和開放具有我國自主知識產(chǎn)權的大型軟件包。PSASP為我國一些重大電力工程項目的建設和運行做出了重要貢獻，廣泛應用于全國各網(wǎng)省調(diào)、中國香港地區(qū)的電網(wǎng)規(guī)劃設計、生產(chǎn)調(diào)度運行、科學研究、高等院校、大工業(yè)用電企業(yè)、地調(diào)和縣調(diào)等，已擁有超過600家用戶，成為電力系統(tǒng)設計運行和實驗研究的必備工具[1－4]。

2 無功功率平衡與調(diào)壓措施簡介

維持用戶處的電壓接近額定值是電力系統(tǒng)運行調(diào)整的基本任務之一。在額定電壓附近，電力系統(tǒng)的運行電壓水平取決于無功功率的平衡。電力系統(tǒng)無功功率平衡的基本要求，即系統(tǒng)中的無功電源可能發(fā)出的無功功率應該大于或至少等于負荷所需的無功功率和網(wǎng)絡中的無功損耗之和。電壓調(diào)整的措施有發(fā)電機調(diào)壓、改變變壓器變比調(diào)壓、利用無功功率補償調(diào)壓和線路串聯(lián)電容補償調(diào)壓。利用無功功率補償調(diào)壓中采用的無功補償設備有靜電電容器和同步調(diào)相機，以及靜止無功補償器和靜止同步補償器等等[5－6]。

另外，在DFACTS裝置中帶儲能能力的動態(tài)電壓恢復器(DVR)除無功功率外，有補償有功功率的能力，可以有效抑制動態(tài)和穩(wěn)態(tài)的電壓暫降、浪涌、閃變等電能質(zhì)量問題[7－8]。

電壓調(diào)整的實現(xiàn)不僅要考慮措施，在實際運用當中，還應考慮不同時間、不同區(qū)域電網(wǎng)的電壓調(diào)整方式。電網(wǎng)平時的電壓調(diào)整方式與節(jié)假日的電壓調(diào)整方式也不一致，含小水電多的電網(wǎng)對電網(wǎng)電壓調(diào)整帶來了較大的難度[9－11]，其無功補償?shù)膬?yōu)化可參考文獻[12]。對于變壓器抽頭調(diào)壓，三相并聯(lián)有源電力濾波器的電壓調(diào)節(jié)等措施可參考文獻[13－15]，這里不再贅述。本文以最基礎的，最常用的并聯(lián)電容器作為研究對象。

3 基于靜電電容器補償調(diào)壓的建模仿真

靜電電容器補償調(diào)壓的方式其裝設的容量可大可小，而且既可集中使用，又可分散裝設來就地供應無功功率，以降低網(wǎng)絡的電壓損耗。電容器每單位容量的投資費用較小且與總?cè)萘康拇笮o關，運行時功率損耗亦較小，約為額定容量的0.3%～0.5%。此外由于它沒有旋轉(zhuǎn)設備，維護也較方便。由于以上特點，本文以基于靜電電容器補償調(diào)壓的方式建模仿真，即采用三機九節(jié)點的系統(tǒng)來進行仿真，

三機九節(jié)點系統(tǒng)如圖1所示，其具體參數(shù)如下。

基準值取SB=100 MVA，UB=230 kV，系統(tǒng)頻率為50 Hz。

1)發(fā)電機參數(shù)。

2)變壓器參數(shù)。

繞組連接方式都為D－YG。

3)線路參數(shù)。

將發(fā)電機G1設為系統(tǒng)的平衡節(jié)點(slack)，設置電壓幅值為1.04 pu，電壓參考相角為0°；將G2和G3設為PV節(jié)點，分別設置有功出力為1.63 pu和0.85 pu，設置電壓幅值都為1.025 pu。

圖1 三機九節(jié)點電路連線圖

3.1 建模仿真

1)PSASP建模如圖2所示。

圖2 PSASP建模仿真圖

2)MATLAB建模如圖3所示。

圖3 MATLAB建模仿真圖

3.2 潮流計算

分別采用PSASP和MATLAB兩種軟件進行潮流仿真計算，得到的潮流結(jié)果如表1和表2所示。

表1 PSASP仿真潮流結(jié)果

表2 MATLAB仿真潮流結(jié)果

3.3 調(diào)壓過程

將母線Bus8處的負荷從(100＋j35)MVA增加至(100＋j70)MVA，負荷無功加倍。由于負荷增加，故母線Bus8處電壓下降，此時接入一個XC?=－2.95 pu的靜電電容器，得到電壓的幅值如表3和表4所示。

XC?計算過程:系統(tǒng)缺額的QC=35 MVar，無功功率由電容器補償。

表3 PSASP仿真電壓對比

表4 MATLAB仿真電壓對比

3.4 對比分析

1)參數(shù)設置差異:MATLAB/Simulink參數(shù)設置詳細，比較接近于實際情況。PSASP參數(shù)設置較理論化，特別是對于發(fā)電機來說，MATLAB對發(fā)電機的參數(shù)具體到繞組類型、阻尼繞組參數(shù)、初始條件等，這些都是PSASP所沒有的。

2)潮流結(jié)果:通過對潮流結(jié)果的對比分析，可知，兩個軟件潮流計算的結(jié)果很接近，能保證在5%的誤差范圍之內(nèi)。從表1和表2中發(fā)現(xiàn)，MATLAB中發(fā)電機端口電壓比PSASP中發(fā)電機的端口電壓相角均超前30°，這是因為MATLAB中變壓器連接組別為YD11，它考慮了變壓器D側(cè)相電壓比Y側(cè)相電壓超前30°的情況，而PSASP中的變壓器則僅僅考慮電壓的幅值變換而不考慮相位超前的問題，故在MATLAB中將出現(xiàn)明顯變壓器電壓D側(cè)超前Y側(cè)30°的現(xiàn)象，而PSASP中則不會。

3)調(diào)壓結(jié)果:對比表1和表3，表2和表4可以看出，無論是MATLAB或PSASP，都可以看出負荷加倍后，母線Bus8處的電壓從232 kV下降至227 kV，其他母線變化不大，這是由于環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，離負荷變化處較遠的母線受到的影響不大。當在PSASP中加入XC=－2.95 pu的并聯(lián)電容后，電壓恢復到負荷增加前的電壓，與理論相符，可以看出靜電電容器明顯的調(diào)壓效果。在MATLAB接入等值的并聯(lián)電容后，電壓基本恢復到負荷增加前，但有一點誤差，這是兩個軟件在算法和參數(shù)設置產(chǎn)生的差異。

4 結(jié)束語

MATLAB/Simulink與PSASP均能對電力系統(tǒng)進行較為準確仿真分析及計算，且其結(jié)果差異不大，在不同方面，各有優(yōu)勢。在建模仿真方面，PSASP參數(shù)設置簡單，比較適用于理論化分析及精度要求不高的研究。MATLAB參數(shù)設置詳細，比較接近于實際運行，更適用于對實際電力系統(tǒng)的設計研究和仿真。在調(diào)壓仿真方面，MATLAB/Simulink具有相當豐富的電壓調(diào)整措施，除了普通的發(fā)電機調(diào)壓、變壓器調(diào)壓、靜電電容器和同步調(diào)相機調(diào)壓外，還有靜止無功補償器(SVC)、靜止同步補償器(STATCOM)，當對調(diào)壓措施進行進一步深入研究時，這一點是PSASP所無法做到的。在操作使用方面，PSASP操作簡單，因為參數(shù)設置簡單，所以當對仿真結(jié)果沒有較高要求和較深入的研究時，可采用PSASP進行仿真，以提高效率。而MATLAB/Simulink操作復雜，適用于容易出現(xiàn)細微參數(shù)差錯而不能運行的情況。所以當對仿真結(jié)果有精確要求，或調(diào)壓方式較多，PSASP已無法滿足要求時，可采用MATLAB仿真。

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