电力系统的MATLABSIMULINK仿真与应用-第7章

第7章高压电力系统的电力装置仿真第7章高压电力系统的电力装置仿真7.1输电线路串联电容补偿装置仿真7.2基于晶闸管的静止无功补偿装置仿真7.3基于GTO的静止同步补偿装置仿真7.4基于晶闸管的HVDC系统仿真7.5基于VSC的HVDC系统仿真第7章高压电力系统的电力装置仿真7.1输电线路串联电容补偿装置仿真串联电容补偿就是在线路上串联电容器以补偿线路的电抗。采用串联电容补偿是提高交流输电线路输送能力、控制并行线路之间的功率分配和增强电力系统暂态稳定性的一种十分经济的方法。但是，超高压输电线路加装串联补偿后会引发潜供电流、断路器暂态恢复电压(TRV)及次同步谐振(SSR)等一系列系统问题，而且在故障和重合闸动作时可能会在系统中引起很大的过电压。本节主要讨论串联电容器的建模和次同步振荡等有关现象。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-1系统单相电路图7.1.1系统描述图7-1中，6台350MVA的发电机通过一条单回路600km的输电线路与短路容量为30000MVA的系统相连。输电线路电压等级为735kV，由两段300km的线路串联组成，工频为60Hz。第7章高压电力系统的电力装置仿真为了提高线路输送能力，对两段300km的线路L1和L2进行串联补偿，补偿度为40%，两段线路上均装设330Mvar的并联电抗器，用于限制高压线路的工频过电压和操作过电压。补偿设备接到母线B2的线路侧，B2通过一个300MVA、735kV/230kV/25kV的变压器向230kV侧的250MW负荷供电，变压器接线方式为Y0-Y0-D。串联电容补偿装置由串联电容器组、金属氧化物变阻器(MOV)、放电间隙和阻尼阻抗组成，如图7-2所示。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-2串联补偿装置结构第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-3仿真系统模型打开SimPowerSystems库demo子库中的模型文件power_3phseriescomp，可以直接得到图7-1的仿真系统如图7-3所示，以文件名circuit_seriescomp另存，以便于修改。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-3中，发电机选用简化的同步电机模块，两个变压器是通用的双绕组和三绕组变压器模块，其中和母线B2相连的三相三绕组变压器为饱和变压器。母线B1、B2和B3为三相电压电流测量模块，通过设置黑色背景可以使这些模块具有母线的形式。三相电压电流测量模块输出的三相相电压和线电流用标幺值表示。故障发生在线路1的串联电容补偿装置左侧，在第1个周期末发生a相接地故障，线路1两侧的断路器CB1、CB2在第5个周期后三相断开以切除故障线路，第6个周期后a相接地故障消失。第7章高压电力系统的电力装置仿真双击图7-3中的“串联电容补偿”(SeriesComp.1)子系统，打开子系统如图7-4所示。图7-4由三个完全相同的子系统构成，一个子系统代表一相线路。打开“串联电容补偿a相”(SeriesComp.1/PhaseA)子系统，如图7-5所示。图7-5中的电容器Cs的容抗值为输电线路感抗的40%，具体计算如下。首先打开分布参数线路参数对话框，求出300km输电线路正序感抗XL为(7-1)需补偿的容抗值XC为0.4XL，即(7-2)6.105300109337.060π23LX24.426.1054.0CX第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-4“串联电容补偿”子系统所以补偿电容的电容值Cs为(7-3)F108.6260π216CsXC第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-5“串联电容补偿a相”子系统第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-5中的MOV元件由SimPowerSystems/Elements中的“避雷器”(SurgeArrester)模块等效。MOV用于防止电容器过电压。当电容电压超过额定电压2.5倍后，MOV将电压钳位到最大允许电压Vprot：其中，In为线电流有效值，取值为2kA。kV7.29824.42225.225.2CnprotXIV(7-4)第7章高压电力系统的电力装置仿真为了保护MOV，在MOV上并联了由断路器模块等效的放电间隙Gap，当MOV上承受的能量超过阈值时，间隙放电。与放电间隙串联的RL支路是用来限制电容电流上升率的阻尼电路。“能量和放电间隙触发”(Energy&Gapfiring)子系统完成对放电间隙Gap的控制，仿真系统模型如图7-6。该系统对MOV中的能量进行积分计算，当能量值大于30MJ时发送合闸信号到断路器模块Gap中，断路器合闸，实现间隙放电。打开图7-3中300MVA、735/230/25kV的三相三绕组变压器模块的参数对话框，注意电流—磁通饱和特性用标幺值表示为[0，0；0.0012，1.2；1，1.45]关于饱和变压器的参数设置，可以参考4.2节相关内容。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-6仿真系统模型第7章高压电力系统的电力装置仿真7.1.2初始状态设置和稳态分析在进行暂态分析之前，首先要设置模型的初始状态。点击Powergui模块的“潮流计算和电机初始化”按键，打开窗口如图7-7所示。设置节点类型为PV节点，电机输出的有功功率为15MW，初始电压为13.8kV，即1p.u.。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-7初始状态设置第7章高压电力系统的电力装置仿真单击“更新潮流”(UpdateLoadflow)按键，更新后的电机线电压相量、线电流相量、电磁功率、无功功率、机械功率、机械转矩和励磁电压显示在图7-7的左侧子窗口中。退出Powergui模块，打开电机参数对话框，可以观测到“电机的初始状态”(machineinitialconditions)已经被系统自动更新了，同时，和电机输入端口Pm、E相连的机械功率和励磁电压被更新为Pmec=1515.9MW(0.72184p.u.)、E = 1.0075p.u.。点击Powergui模块的“稳态电压电流分析”按键，打开窗口如图7-8所示。通过该窗口可以得到各母线上的稳态电压电流，从而进行系统稳态分析。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-8稳态电压电流分析第7章高压电力系统的电力装置仿真例如，图中母线B1的a相相电压幅值a2V为608.78kV，相角1为18.22°，母线B1的a相电流幅值a2I为1.56kA，相角2为30.5°。因此，流入线路1的a相有功功率Pa为464)5.3022.18cos(256.1278.608)cos(21aaaIVP三相有功功率P为13923aPPMW(7-5)(7-6)第7章高压电力系统的电力装置仿真7.1.3暂态分析打开“三相故障模块”参数对话框，设置1/60s时发生a相接地故障，0.01s后故障消失。设置线路1两侧的断路器CB1、CB2在5/60s时三相断开并切除故障线路。1.线路1发生a相接地故障在Powergui模块中选择连续系统仿真，仿真参数对话框中设置仿真结束时间为0.2s，算法为变步长ode23tb。开始仿真，得到母线B2上的三相电压和电流波形如图7-9所示。a相接地故障时的三相短路电流波形如图7-10所示。a相串联补偿装置上放电间隙Gap上的电压、MOV上的电流和MOV的能量波形如图7-11所示。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-9a相接地故障时母线B2的三相电压电流波形(a)三相电压；(b)三相电流第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-10a相接地故障时的三相短路电流波形第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-11a相接地故障时a相串联补偿装置上的相关波形(a) Gap电压；(b) MOV电流；(c) MOV能量第7章高压电力系统的电力装置仿真可见，仿真开始时，系统已经处于稳定状态。t=0.0167s时，a相发生接地故障，最大故障电流为10kA(见图7-10)，MOV每半个周期导通一次(见图7-11(b))，使得MOV中存储的能量阶梯上升(见图7-11(c))。当t = 0.0833s时，线路上的继保装置动作，断路器CB1和CB2断开(见图7-9(b))，MOV中储存的能量不再发生变化，维持为13MJ(见图7-11(c))。由于MOV中存储的能量未超过阈值30MJ，因此放电间隙不动作，Gap上的电压缓慢减小(见图7-11(a))。断路器断开后，故障电流降到一个非常小的数值并在第1个过零点时降为0(见图7-10)；串联电容器中的残余电荷通过线路、短路点和并联电抗组成的回路放电，直到故障电流降为0，串联电容放电结束，电压在220kV附近波动(见图7-11(a))。第7章高压电力系统的电力装置仿真在MATLAB命令窗口中输入命令tic;sim(gcs);toc得到上述仿真的运行时间为5.4s，因此有必要提高仿真运行速度。打开Powergui模块，将系统离散化，步长取为50μs，在仿真参数对话框中选用定步长离散算法。再次仿真，运行时间缩短为2.37s。因此，接下来的分析均采用离散化仿真方法。2.线路1发生三相接地故障打开“三相故障模块”参数对话框，设置三相接地故障。再次仿真，仿真结果如图7-12～图7-14所示。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-12三相接地故障时母线B2上的三相电压和电流波形(a)三相电压；(b)三相电流第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-13三相接地故障时的三相短路电流波形第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-14三相接地故障时串联补偿装置上的相关波形(a) Gap电压；(b) MOV电流；(c) MOV能量第7章高压电力系统的电力装置仿真由图可见，在MOV中能量存储的速度明显高于单相接地故障，能量在故障后3个周期时到达30MJ的门槛阈值(见图7-14(c))，于是放电间隙Gap被触发，串联电容器通过气隙放电，电容器上电压在线路断路器断开前已快速降至0(见图7-14(a))。由于此时断路器尚未动作，因此母线B2上电压降为0，第5个周期后，断路器动作，将故障与母线B2隔离，母线B2上电压逐步得到恢复(见图7-12(a))。第7章高压电力系统的电力装置仿真7.1.4频率分析当输电线路采用串联电容补偿时，会引入一个次同步频率的电气谐振，在一定的条件下，它将与机组扭振相互作用而导致电气振荡与机械振荡相互促进增强。这种现象称为次同步谐振现象。当汽轮发电机组轴系扭振模态在系统阻抗的零点附近时，就会出现这种频率低于系统基频的谐振。由系统阻抗的极点产生的高次同步谐振电压使得变压器饱和。因此，本节的频率分析将围绕系统阻抗的依频特性展开。第7章高压电力系统的电力装置仿真首先修改系统图，从本模型文件中删除“简化同步电机模块”(SimplifiedSynchronousMachine)，用“三相电源模块”(Three-PhaseSource)替代。打开“三相电源模块”参数对话框，将“三相电源模块”中的阻抗参数设置成与简化同步电机的阻抗参数相同，如图7-15所示。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-15等效三相电源参数设置第7章高压电力系统的电力装置仿真从SimPowerSystems/Measurements子库中复制“阻抗测量”模块到本模型文件中，将该模块连接到母线B2的a相和b相线路上，得到a相和b相的阻抗之和。将阻抗测量模块参数对话框中的“增益参数”(Multiplicationfactor)改为0.5，即可得到一相阻抗。打开Powergui模块的“阻抗依频特性测量”窗口，设置频率范围为0:500Hz，纵坐标和横坐标均为线性表示，单击“更新”按键后得到阻抗的依频特性如图7-16所示。第7章高压电力系统的电力装置仿真图7-16阻抗依频特性第7章高压电力系统的电力装置仿真可见，系统有三种振荡模式，分别在频率9Hz、175Hz和370Hz处。其中9Hz为串联电容和并联电感的并联谐振频率，175Hz和370Hz是由600km分布参数线路导致的谐振频率。清除故障时，这三种振荡模式均可能被激发。利用图7-16显示的参数特性可以进行母线B2的短路容量的计算。将图7-16在