第9章電力系統(tǒng)的MATLAB建模與仿真-

第9章

電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK建模與仿真9.1電力系統(tǒng)常用仿真軟件簡介目前常用的電力系統(tǒng)的仿真軟件有：（1）邦納維爾電力局(Bonnevi11ePowerAdministration,BPA)開發(fā)的BPA程序和EMTP(ElectromagneticTransientsProgram)程序；（2）曼尼托巴高壓直流輸電研究中心(ManitobaHVDCResearchCenter)開發(fā)的PSCAD/EMTDC(PowerSystemComputerAidedDesign/ElectromagneticTransientsProgramincludingDirectCurrent)程序；（3）德國西門子公司研制的電力系統(tǒng)仿真軟件：NETOMAC(NetworkTorsionMachineControl)；（4）中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP(PowerSystemAnalysisSoftwarePackage)；

（5）MathWorks公司開發(fā)的科學(xué)與工程計算軟件MATLAB(MatrixLaboratory，矩陣實(shí)驗室)。MATLAB的特點(diǎn)MATLAB的特點(diǎn)可概括為以下七點(diǎn)：(1)提供了便利的開發(fā)環(huán)境。(2)提供了強(qiáng)大的數(shù)學(xué)應(yīng)用功能。(3)編程語言簡易高效。(4)圖形功能強(qiáng)大。(5)提供了功能強(qiáng)大的工具箱。(6)應(yīng)用程序接口功能強(qiáng)大。(7)和其他高級程序相比，MATLAB程序的執(zhí)行速度較慢。9.2MATLAB/SIMULINK的特點(diǎn)9.2MATLAB/SIMULINK的特點(diǎn)SIMULINK的特點(diǎn)SIMULINK具有如下特點(diǎn)：(1)建立動態(tài)系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真。(2)以直觀的方式建模。(3)增添定制模塊元件和用戶代碼。(4)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計模擬。(5)分層次地表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)。(6)交互式的仿真分析。9.2MATLAB/SIMULINK的特點(diǎn)SimPowerSystems庫的特點(diǎn)（1）使用標(biāo)準(zhǔn)電氣符號進(jìn)行電力系統(tǒng)的拓?fù)鋱D形建模和仿真。（2）標(biāo)準(zhǔn)的AC和DC電機(jī)模型模塊、變壓糖、輸電線路、信號和脈沖發(fā)生輯、HVDC控制、IGBT模塊和大量設(shè)備模型。（3）使用SIMULINK強(qiáng)有力的變步長積分器和零點(diǎn)穿越檢測功能，給出高度精確的電力系統(tǒng)仿真計算結(jié)果。（4）利用定步長梯形積分算法進(jìn)行離散仿真計算，為快速仿真和實(shí)時仿真提供模型離散化方法。（5）利用

Powergui交互式工具模塊可以修改模型的初始狀態(tài)，從任何起始條件開始進(jìn)行仿真分析，例如計算電路的狀態(tài)空間表達(dá)、計算電流和電壓的穩(wěn)態(tài)解、設(shè)定或恢復(fù)初始電流電壓狀態(tài)、電力系統(tǒng)的潮流計算等。（6）提供了擴(kuò)展的電力系統(tǒng)設(shè)備模塊，如電力機(jī)械、功率電子元件、控制測量模塊和三相元器件。（7）提供大量功能演示模型，可直接運(yùn)行仿真或進(jìn)行案例學(xué)習(xí)。

9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型9.3.1簡化同步電機(jī)模塊SimPowerSystems庫中有兩種簡化同步電機(jī)模塊：標(biāo)幺制單位（p.u.）下的簡化同步電機(jī)模塊和國際單位制（SI）下的簡化同步電機(jī)模塊。9.3.2同步電機(jī)模塊9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型SimPowerSystems庫中提供了三種同步電機(jī)模塊，用于對三相隱極和凸極同步電機(jī)進(jìn)行動態(tài)建模，其圖標(biāo)如圖10-6所示。圖10-6(a)為標(biāo)幺制（p.u.）下的基本同步電機(jī)模塊，圖10-6(b)為標(biāo)么制(p.u.)下的標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī)模塊，圖10-6(c)為國際單位制(SI)下的基本同步電機(jī)模塊。9.3.3電力變壓器模型9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型1．雙繞組三相變壓器模塊SimPowerSystems庫中提供的雙繞組三相變壓器模塊可以對線性或鐵芯變壓器進(jìn)行仿真，圖標(biāo)如圖9-8所示。圖9-8雙繞組三相變壓器模塊圖標(biāo)9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型SimPowerSystems庫提供的三相三繞組變壓器模塊圖標(biāo)如圖9-11所示。圖9-11三相三繞組變壓器模塊圖標(biāo)2．互感線圈SimPowerSystems庫中提供的互感線圈模塊圖標(biāo)如圖9-12(a)所示。如果不設(shè)第三個線圈的自感，則模塊成為兩個有互感的線圈，模塊圖標(biāo)變?yōu)閳D9-12(b)所示。9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型3.其他除了三相雙繞組和三繞組變壓器外。SimPowerSystems庫中還提供了其它一些變壓器模塊，如圖9-14所示。這些模塊包括“單相線性變壓器”(LinearTransformer)、“單相飽和變壓器”(SaturableTransformer)、“三相6端口變壓器”(Three-PhaseTransformer12Terminals)、“移相變壓器”(ZigzagPhase-ShiftingTransformer)。圖9-14其他變壓器模塊圖標(biāo)9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型9.3.4輸電線路等效模型1．RLC串聯(lián)支路模型9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型2．PI型等效電路模塊9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型3．分布參數(shù)線路模塊9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型1．靜態(tài)負(fù)荷模塊9.3.5負(fù)荷模型9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型2．三相動態(tài)負(fù)荷模塊

三相動態(tài)負(fù)荷模塊有3個電氣連接端子，1個輸出端子。3個電氣連接端子(A，B，C)分別與外電路的三相相連。如果該模塊的功率受外部信號控制，該模塊上還將出現(xiàn)第4個輸入端子，用于外部控制有功和無功功率。輸出端子（m）輸出3個內(nèi)部信號，分別是正序電壓V（單位：p.u.）、有功功率P（單位：W）和無功功率Q（單位：Var）。9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型3．異步電動機(jī)模塊9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型異步電動機(jī)模塊分為標(biāo)幺制(p.u.)下和國際單位制(SI)下的兩種模塊。圖9-27異步電動機(jī)模塊的圖標(biāo)（a）標(biāo)幺值；（b）國際單位制9.3電力系統(tǒng)主要元件等效模型4．直流電動機(jī)模塊SimPowerSystems庫中直流電機(jī)模塊的圖標(biāo)如圖9-29。圖9-29直流電機(jī)模塊圖標(biāo)9.4Powergui模塊Powergui模塊為電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)仿真提供了有用的圖形用戶分析界面。通過Powergui模塊，可以對系統(tǒng)進(jìn)行可變步長連續(xù)系統(tǒng)仿真、定步長離散系統(tǒng)仿真和相量法仿真，并實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）顯示測量電壓、測量電流和所有狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值；（2）改變仿真初始狀態(tài)；（3）進(jìn)行潮流計算并對包含三相電機(jī)的電路進(jìn)行初始化設(shè)置；（4）顯示阻抗的依頻特性圖；（5）顯示FFT分析結(jié)果；（6）生成狀態(tài)—空間模型并打開“線性時不變系統(tǒng)”(LTI)時域和頻域的視窗界面；（7）生成報表，該報表中包含測量模塊、電源、非線性模塊和電路狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值，并以后綴名.rep保存；（8）設(shè)計飽和變壓器模塊的磁滯特性。

9.4.1主窗口功能簡介

MATLAB提供的Powergui模塊在SimPowerSystems庫中，圖標(biāo)如圖9-31所示。

圖9-31powergui模塊圖標(biāo)圖9-32Powergui模塊主窗口9.4Powergui模塊9.4.2穩(wěn)態(tài)電壓電流分析窗口9.4Powergui模塊9.4.3初始狀態(tài)設(shè)置窗口圖9-34“初始狀態(tài)設(shè)置”窗口9.4.4潮流計算和電機(jī)初始化窗口9.4.5LTI視窗9.4.6阻抗依頻特性測量窗口9.4.7FFT分析窗口9.4.8報表生成窗口9.4.9磁滯特性設(shè)計工具窗口9.4.10計算RLC線路參數(shù)窗口9.5.1連續(xù)系統(tǒng)仿真9.5電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真9.5電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真（2）Powergui仿真由圖9-45可見，PI形電路左側(cè)的電壓相量為244.88∠0.19kV，PI形電路右側(cè)的電壓相量為166.41∠3.66

kV，PI形電路上的電流為529.21∠-86.12

A。負(fù)荷側(cè)電流為610.17∠-86.15

A。9.5.2離散系統(tǒng)仿真9.5電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真（2）參數(shù)設(shè)置。雙擊例9.2模型文件中PI形電路模塊，打開參數(shù)對話框，將分段數(shù)設(shè)為10，如圖9-48所示。圖9-48例9.2的PI形電路參數(shù)對話框9.5電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真（3）仿真運(yùn)行時間比較。為了得到仿真運(yùn)行時間，在MATLAB命令窗口輸入如下命令：tic；sim（gcs）；toc

仿真結(jié)束后，仿真所用的時間將以秒為單位顯示在MATLAB命令窗口中，如圖9-51所示。(4)仿真精度比較。9.5電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真9.5.3相量法仿真

相量是代表特定頻率下的正弦電壓和電流的復(fù)數(shù)，可以用直角坐標(biāo)或者極坐標(biāo)表示。

相量法是電力系統(tǒng)正弦穩(wěn)態(tài)分析的主要手段。它只關(guān)心系統(tǒng)中電壓電流的相角和幅值，不需要求解電力系統(tǒng)狀態(tài)方程，不需要特殊的算法，因此計算速度快得多。必須清楚的是，相量法給出的解是在特定頻率下的解。

例9.3用相量法分析例9.2。9.5電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真9.6.1斷路器模塊SimPowerSystems庫提供的斷路器模塊可以對開關(guān)的投切進(jìn)行仿真。1.單相斷路器模塊外部控制方式、帶緩沖電路和不帶緩沖電路的單相斷路器模塊圖標(biāo)如圖9-58所示。圖9-58單相斷路器模塊圖標(biāo)9.6電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真2.三相斷路器模塊外部控制方式、帶緩沖電路和不帶緩沖電路的三相斷路器模塊圖標(biāo)如圖9-60所示。圖9-60三相斷路器模塊圖標(biāo)3.三相故障模塊圖9-63三相故障模塊圖標(biāo)9.6電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真9.6.2暫態(tài)仿真分析例9.4線電壓為300kV的電壓源經(jīng)過一個斷路器和300km的輸電線路向負(fù)荷供電。搭建電路對該系統(tǒng)的高頻振蕩進(jìn)行仿真，觀察不同輸電線路模型和仿真類型的精度差別。解:(1)按圖9-65搭建仿真單相電路圖，選用的各模塊的名稱及提取路徑。（2）設(shè)置模塊參數(shù)和仿真參數(shù)。并聯(lián)RLC模塊Z

eq的參數(shù)設(shè)置如圖9-66所示。斷路器模塊Breaker的參數(shù)設(shè)置如圖9-67所示。其余元件參數(shù)與例9.2相同，仿真參數(shù)的設(shè)置也與例9.2相同。仿真結(jié)束時間取為0.02s。9.6電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真9.6電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真（3）不同輸電線路模型下的仿真。按例9.2的方法，設(shè)置線路為l段PI形電路、10段H形電路和分布參數(shù)線路，把仿真得到的V2處電壓分別保存在變量V21、V210和V2d中，并畫出對應(yīng)的波形如圖9-68所示。

由圖9-68可見，斷路器在0.005s合閘時，系統(tǒng)中產(chǎn)生了高頻振蕩。其中由1段PI形電路模塊構(gòu)成的系統(tǒng)未反映高于206Hz的振蕩，由10段PI形電路模塊構(gòu)成的系統(tǒng)較好地反映了這種高頻振蕩，分布參數(shù)線路由于波傳導(dǎo)過程在斷路器合閘后存在1.03ms的時間延遲。9.6電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真9.6電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真9.7電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真

精確地確定所有電磁參數(shù)和機(jī)械運(yùn)動參數(shù)在暫態(tài)過程中的變化是困難的，對于解決一般的工程實(shí)際問題往往也是不必要的。通常，暫態(tài)穩(wěn)定性分析計算的目的在于確定系統(tǒng)在給定的大擾動下發(fā)電機(jī)能否繼續(xù)保持同步運(yùn)行。因此，只需研究表征發(fā)電機(jī)是否同步的轉(zhuǎn)子運(yùn)動特性，即功角δ隨時間變化特性便可以了。這就是通常說的機(jī)電暫態(tài)過程，即穩(wěn)定性問題。

本節(jié)將對一個含兩臺水輪發(fā)電機(jī)組的輸電系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定性的仿真演示。為提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和阻尼振蕩的能力，該系統(tǒng)中配置了靜止無功補(bǔ)償（SVC)以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS)。圖9-70電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析的仿真系統(tǒng)圖9.7電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真9.7.1輸電系統(tǒng)的描述圖9-70是一個簡單的500kV輸電系統(tǒng)圖。圖中，一個1000MVA的水輪發(fā)電廠(Ml)通過500kV、700km輸電線路與5000MW的負(fù)荷中心相連，另一容量為5000MVA的本地發(fā)電廠(M2