基于MATLAB语言的电力系统暂态稳定仿真

基于MATLAB语言的电力系统暂态稳定仿真张晓春，郭小进，邹登海，王良佑（武汉电力学校电力科技开发公司，湖北武汉430079）［摘要］介绍了MATLAB环境下Simulink动态仿真工具及电力系统工具箱的功能和特点；利用Simulink环境下的电力系统工具箱，进行一个单机对无穷大系统的暂态稳定仿真；讨论了建模及仿真方法。［关键词］电力系统；数字仿真；暂态稳定MATLAB语言是MathWorks公司在80年代推向市场的一种数值型计算软件。MATLAB具有编程效率高、程序设计灵活、图形功能强等优点，它已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。MATLAB提供的Simulink工具箱是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持多种采样速率的多速率系统。Simulink为用户提供了用方框图进行建模的模型接口。它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。并且用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，用户可以用从上到下或从下到上的结构创建模型。电力系统工具箱（PowerSystemBlockset以下简称PSB）在Simulink环境下使用。电力系统工具箱提供了一个现代化的设计工具，它使科学家、工程师能迅速建立模型，并立即仿真。不但电路模型能够快速建立起来，而且与之相联系的机械、热力、控制系统及其它设备规律的分析均包含在其中。这是因为电力系统部分的仿真是同Simulink范围内的其它工具箱相联系的。由于Simulink以MATLAB作为计算基础，所以MATLAB的其它工具箱也可以同时被用户使用。PSB仿真结果的有效性已被加拿大魁北克电站的运行数据、试验数据以及其仿真实验室提供的数据所证实［1］。1MATLAB中的电力系统工具箱在MATLAB提示符下键入powerlib命令，这个命令打开Simulink窗口，并且展示电力系统工具箱中的不同子模块工具箱。在powerlib中几乎提供了组成电力系统的所有元件，如机电设备、电力电子元件、测量元件等。信号显示、模块连接等模块一般可以在Simulink工具箱中找到。同时，用户可以根据需要在Simulink环境下定制自己特殊的模块。在powerlib中提供了图形用户界面（powergui），它可以使电路稳态分析得到简化，并且MATLAB中的power2sys函数可以将电路仿真结果转换为A、B、C、D4个矩阵表示的状态变量形式，实现对仿真结果的计算和分析。PSB同EMTP（ElectromagneticTransientsProgram）仿真软件相比较，具有以下特点：工作平台。PSB在Microsoftwindows95或WindowsNT的操作系统下使用，具有友好的用户界面。EMTP在DOS操作系统下使用，与PSB相比其用户界面较差。建立仿真模型。PSB提供了MATLAB窗口命令建模及用其图形库中图形直接建模2种形式，对于图形建模只需简单的“激活和拖曳”过程就可以建立模型。EMTP是在DOS／Edit下使用命令建立模型。因此，PSB建立模型更方便、直观。仿真参数设置与仿真结果的分析。PSB图形建模仿真参数的设置，是对Simulation／Parameters菜单的选项进行设置，并能将仿真结果返回到MAT－LAB工作空间，因此可以直接运用MATLAB中的命令、函数及其它工具箱对仿真结果进行分析，其编程效率极高。EMTP通过命令设置仿真参数，仿真结果以文件的形式保存，需要编制基础的分析软件，编程效率较低。仿真速度。由于PSB是在MATLAB支持下进行仿真，而MATLAB的程序是解释执行，所以仿真速度较慢。EMTP仿真是DOS下的一个应用程序，所以仿真速度较快。2电力系统暂态稳定仿真实例2．1系统接线方式电力系统同步运行稳定性分析中，常采用的模型是单机对无穷大系统（SMIB），这是一种最简单的、也是最基本的运行方式，如图1所示。δ——功角；Em——发电机电势；U——系统母线电压。假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路，t＝t0时刻切除故障，可以用等面积定则判断发电机的暂态稳定性。下面将采用仿真来观察发电机运行情况。在我国，目前仍然以三相短路作为考核暂态稳定的扰动模式之一。因此在以下的仿真中采用的故障形式为三相短路［4］。2．2建立仿真模型单机对无穷大系统的仿真模型如图2所示。图2中，S是无穷大系统模型，用powerlib中Inductivesourcewithneutral模块表示；G是一个子模块，在这个子模块中包含发电机模型（Syn－chronousMachine）、变压器模型（lineartransformerD，Yg）以及水轮机及其调速系统模型（HydraulicTurbineandGovernor即HTG）；系统侧负荷100MW（Load）；三相短路用3台断路器模拟，其故障时间由Timer模块控制。其中，水轮发电机的控制采用基于线性化系统反馈模块HTG。电力系统的稳定其传统的方法是用线性调节器实现，如自动电压调节器（AVR）、电力系统稳定器（PSS）等。这些补偿装置围绕一个有效点假定电力系统的一个线性化模型。然而提高电力系统性能的要求使控制器对电力系统的控制接近工作极限，这将在其线性控制区以外。HTG是计及所有模型非线性的非线性控制，控制的目标是调节端电压及内部电角度2部分，控制的输入是激磁磁场电压及闸门开度，HTG具有渐进稳定的动态特性。2．3仿真结果在仿真以前按下列值确定仿真参数：·Solver：ode15s；Maximumorder：5·Stoptime：2．0·Maxstepsize：auto；Initialstepsize：auto·Relativetolerance：le－3；Absolutetolerance：le－6·WorkspaceI／O：savetoworkspace／Time：tout；Output：yout由于系统的非线性，仿真系统并没有对初始条件进行计算，而是执行了一个长仿真（10s），并将最终结果保存起来，作为仿真系统的初始条件，所以，仿真将在稳态下开始。选择simulation／start按钮，开始仿真。在t＝0．1s故障突然发生并经100ms后切除，观察故障后发电机暂态过程，并用MATLAB中subplot及plot命令绘出仿真结果，如图3所示。Subplot（1，3，1）Plot（tout，youtl），title（‘机端电压’）；Subplot（1，3，2）Plot（tout，yout2），title（‘转子转速’）；Subplot（1，3，3）Plot（tout，yout3），title（‘励磁电压’）；从图3中可以看到，机端电压经过5s后稳定下来，而水轮机经过了一个更长的时间才稳定下来，这是因为系统机械部分的时间常数比电力时间常数长。修改故障切除时间为580ms，其它参数保持不变，重新开始仿真，仿真结果如图4所示。从图4中可以看到，发电机已经不能稳定运行［1，2，3］。3结论基于MATLAB语言的电力系统工具箱，可以非常方便地建立电力系统各种模型，并且可以将这些模型保存起来，建立复杂的系统仿真模型。同时，利用MATLAB强大的计算功能和编程技术，可以提高仿真计算的灵活性和效率，为仿真电力系统，分析电力系统提供了一种新的手段。［参考文献］［1］PowerSystemBlocksetforUsewithSimulink，User’sGuideVersion1［M］．1998．［2］施阳．MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK［M］．西安：西北工业大学出版社，1997．［3］张宜华．精通MATLAB5［M］．北京：清华大学出版社，1999．［4］王梅义．大电网系统技术［M］．北京：中国电力出版社，1995．