基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析

MATLAB电气应用训练2014年3月07日课程MATLAB电气应用训练题目基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析院系电气信息工程学院电气工程系专业班级学生姓名学生学号指导教师目录1任务和要求............................................................12总体方案设计与选择....................................................12.1题目剖析及分析....................................................12.2暂态稳定仿真流程...................................................23单机—无穷大暂态稳定仿真分析..........................................23.1复杂电力系统暂态稳定性分析.........................................23.2单机—无穷大系统原理...............................................34Simulink下SimPowerSystem模型应用.....................................44.1Simulink仿真模型仿真模型的搭建.....................................44.2各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真...............................65设计总结..............................................................9参考文献................................................................10MATLAB电气应用训练（报告）11任务和要求(1)任务：本次仿真以单机—无穷大系统或两极系统为对象进行仿真。分析了运行故障对稳态的干扰，对实际电力系统暂态稳定具有参考价值，仿真实践表明，MATLAB是电力系统机电暂态稳定分析的有力工具。(2)基本要求Simulink下单机—无穷大仿真系统的搭建。系统故障仿真测试分析。通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测。2总体方案设计与选择2.1题目剖析及分析随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大和复杂，出现的各种故障，会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁，并有可能导致电力系统事故的扩大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，迫切要求运用电力仿真来解决这些问题依据电网用电供电系统电路模型要求，因此，论文利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了单机—无穷大电力系统的仿真模型，能够满足电网在其可能遇到的多种故障方面运行的需要。论文以MATLABR2009a电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSyetem搭建了电力系统运行中常见的单机—无穷大系统模型，实验得到了在该系统发生各种短路接地故障并由断路器自动跳闸隔离故障的仿真结果。并利用小波分析具有很强的信号特征提取能力，尤其对暂态突变信号或微弱变化信号的处理变现出明显的优势，达到了仿真的目的。MATLAB环境下的Simulink是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。运行于Simulink下的PSB（PowerSystemBlockset）是针对电力系统的工具箱，从Matlab6.0开始它被重新命名为SPS（SimPowerSystem）。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'研究中心的专家为主的MATLAB的开发的工具箱，主要用于电力系统电力，电子电路的仿真。随着MATLAB的不断升级，SimPowerSystem也得到了很大的发展。现在，从MATLAB13版的开始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作为现实模型产品族的成员，结合Simulink的使用，可以仿真电气，机械以及控制系统。使用SimPowerSystem，不需要学习复杂的软件命令，编写软件代码，用户可以专注于物理模型本身，通过与实际电路图非常相似的符号，表示复杂的电网，这有助于大大提高仿真的效率。MATLAB电气应用训练（报告）22.2暂态稳定仿真流程由于电力系统的动态仿真研究将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现。因此在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济。Matlab电力系统工具箱包含的模块有：ElectricalSources(电源库)、Elements(元件库)、PowerElectronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、ExtraLibrary(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面graphicaluserinterface)等，为了研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度的再现实际中的电力系统。利用模块库中封装好的模块搭建系统，对各环节元件作了一定的理想化。对各元件的参数也作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完善，利用已有模块搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性．成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。SPS仿真电力系统流程图：图1正反馈放大器电路原理3单机—无穷大暂态稳定仿真分析如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。3.1复杂电力系统暂态稳定性分析引起电力系统大扰动的原因主要有下列几种：MATLAB电气应用训练（报告）3（1）负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等；（2）切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等；（3）发生短路故障。其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。而且短路故障中，单相接地短路故障最多。在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时，一些物理量（如电容电压，电感电流等）并不会突变，而是需要一定时间。在这期间，电路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。MATLAB提供了常微分方程初值问题的数值解法，对于稳态一般用快速而准确的ode45函数，对于暂态一般用ode23函数。也可采用自适应变不长的求解方法，即当解的变化较快时，步长会自动的变小，从而提高计算精度。3.2单机—无穷大系统原理电力系统运行稳定分析中，常采用的模型是单机对无穷大系统（SIMB），单机—无穷大系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的的运行方式，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论。假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路。0Tt时刻切除故障，可以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短路故障为主，考虑到PSS(PowerSystemStabilizer）属于Simulink下SimPowerSystem库的machines分支下的模块）作为励磁系统的一个子模块，它的输出时励磁输入信号的一种，通过On-Off开关控制投退。专门为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。MATLAB电气应用训练（报告）4图2单机无穷大电力系统仿真原理图4Simulink下SimPowerSystem模型应用Simulink由于其能用最小的代价来模拟真实动态系统的运行，依托数百种预定义系统环节模型、最先进有效地积分算法和直观的图形化工具，依托强健的交互式仿真能力，可以方便调整模型参数设置，而电力系统SimPowerSystem由于使用标准的电气符号、各种模型模块，高精度的仿真结果，优化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分发挥了SPS在电力系统仿真的灵活仿真优势。4.1Simulink仿真模型仿真模型的搭建利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。对原理分析的基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对电力系统仿真设计方法的理解。本次仿真选出需要用到如下模块：（1）Powerlib电力系统工具箱：1）ElectricalSources中的Three-PhaseSource（三相电源）模块2）Elements中的Three-PhaseParallelRLCLoad（三相负载RLC并联）模块和Ground（交流接地）模块以及Three-PhaseBreaker（三相断路器）模块，Three-PhaseMATLAB电气应用训练（报告）5Fault（三相故障整流器）模块，DistributedParametersLine（分布参数线路）模块，Three-PhaseTransformer（TwoWindings）（三相变压器绕组）模块3）Machines里SynchronousMachinepuStandad（标么标准同步电机）模块，ExcitationSystem（励磁系统）模块，GenericPowerSystemStabilizer（通用电力系统稳定器）模块4）Measurements里VoltageMeasurement（电压测量）模块5）powergui模块（2）Simulink常用工具箱：1）Simulink模块集CommonlyUsedBlocks（常用模块）下的Constant（常量)模块，Demux（多路分配器）模块，Gain（获得）模块，Ground模块（直流），Scope（显示器）模块，Sum（求和）模块2）SignalRouting（信号路由）模块库下的ManualSwitch（手动开关）模块3）SimPowerSystem（电力系统）模块库下的Machines集中MachinesMeasurementDemux（电机测量复合）模块，需要双击设置相关的输入输出接口。至此，我们已经把仿真结构框图所需的模块都已拖入模型编辑窗口。图3模块拖动选择后的效果图对各个模块连线并进行相关参数进行设置，电力单机—无穷大系统仿真模型为：MATLAB电气应用训练（报告）6图4单机—无穷大系统Simulink仿真模型4.2各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真由于大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额(即加速功率Pm-Pe)是导致系统暂态稳定破坏的主要原因。因此减少大扰动后发电机的加速功率是首先考虑的措施。因此提高电力系统暂态稳定性的一些有效措施，包括电力系统稳定器、快速切除故障、故障限