MATLAB PSB在电力系统暂态稳定中的仿真应用
江西电力 第 30 卷 2006 年 第 3 期
文章编号: 1006- 348X( 2006) 03- 04- 04
摘 要: 运用 MATLAB 电力系统仿真程序 SimPowerSystems 构建了一个单机—无穷大系统模型, 并在此基础上对电
力系统稳定器、快速切除故障、故障限流器、单相自动重合闸等提高电力暂态稳定性措施的运行效果进行了仿真分
析, 可供师生在电力系统暂态分析课程教学过程中参考。
关键词: 无穷大系统; 暂态稳定; MATLAB PSB; 仿真
中图分类号: TM712 文献标识码: B
Abstract: MATLAB SimPowerSystems Blockset is used to build a model of single - machine infinite - bus system, and
based on this model, some methods of improving power system transient stability are simulated by SimPowerSystems, in-
cluding power system stabilizer, short circuit cleared rapidly, fault current limiter and single- phase reclosure. This paper
offers a reference for the teaching of power system transient analysis.
Key Words: infinite- bus system; transient stability; MATLAB PSB; simulation
MATLAB PSB 在电力系统暂态稳定中的仿真应用
蔡克红 1, 李 升 2
( 1.上海 AREVA 电力自动化有限公司, 上海 201315; 2.南京工程学院, 江苏 南京 210013)
收稿日期: 2005- 12- 14
作者简介: 蔡克红( 1972—) , 男, 江西万年人, 学士, 工程师, 主要研究方向为电力系统及其自动化。
0 引言
电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定
运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受
到大干扰( 如短路故障, 突然增加或减少发电机出
力、大量负荷, 突然断开线路等) 后, 各同步发电机
保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运
行方式的能力, 通常指第一或第二振荡周期不失
步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的, 本
文以单机—无穷大系统为例, 主要对电力系统稳定
器、快速切除故障、故障限流器、单相自动重合闸等
措施在提高电力系统暂态稳定性方面的作用运用
MATLAB 的电力系统仿真模块集 SimPowerSystems
Blockset( 以下简称 PSB) 进行仿真分析。
1 单机—无穷大系统的 MATLAB PSB 建模
MATLAB PSB 提供了丰富的电力及电气系统
元件模型, 在 Simulink 运行环境下, 用户只需应用
鼠标拖放的方式将所需电气元件的模块添加到模
型编辑窗口, 并将它们连接起来, 就可以快速地组
建仿真模型, 从而实现电力系统的仿真计算。现运
用 PSB 提供的模块构建一个单台发电机经过线路
与无穷大功率母线相连的简单电力系统, 即单机—
无穷大系统的 Simulink 仿真模型, 见图 1 所示。
图 1 中同步发电机的参数设置为: round ( 隐极
机) , 900 MVA, 20 kV, 50 Hz, xd=1.8, xd′=0.3, xd″=0.25,
xq=1.7, xq′=0.55, xq″=0.25, xl=0.2, Rs=0.0025, Td0′=8s,
Td0″=0.03s, Tq0′=0.4s, Tq0″=0.05s, H=6.5s, p=4。 各
电抗、电阻均为标幺值( p.u.) 。变压器参数设置为:
900 MVA, 50 Hz, Delta(D1) /Yg 接线, 20 /230 kV,
R1=R2=1e- 6( p.u.) , L1=0( p.u.) , L2=0.15( p.u.) , Rm=Lm
=500( p.u.) 。输电线路选择分布参数模型, 每回参数
设置为: R1=0.040 hms /km, R0=0.22120 hms /km,
L1=1.0369e- 3 H /km, L0=2.8389e- 3H /km,
C1 =11.2548e- 9 F/km, C0 =8.234e - 9 F /km; 220 kV,
110 km, 极限传输容量为 350 MW。
无穷大系统采用三相电源模块代替, 参数设置
为: 230 kV, 100 GVA, A 相相角为 0°, X/R=10。小负
荷的参数为: P=1W, QL=1var, QC=1var, 并联小负荷的
原因是 PSB 中电感支路( 如变压器) 不能和电流源或
可被认为是电流源的非线性元件( 如发电机) 直接相
连。发电机在稳态运行时有功功率设置为 0.75(p.u.) 。
励磁系统模块包含了自动电压调节器 AVR 和
励磁机, 参数采用 PSB 提供的默认值。电力系统稳
定器 PSS 模块需设置的参数包括量测时间常数、冲
洗器时间常数、超前和滞后时间常数、增益及输出限
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幅, 本文也采用 PSB 提供的默认值。
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[1]。现在图 1 的基础上对提高电力
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、故障限流器、自适应单相自动
重合闸等, 进行仿真分析。设置线路 L2 出口处发生
短路故障( 故障发生时间均定在 1s) 作为对系统的
大扰动。在进行动态仿真时分别设置以下的一些情
况:
( 1) 线路 L2 出口处发生三相接地短路, 1.06s 时
切除故障, 对电力系统稳定器 PSS 的效果进行分析
( PSS 可通过切换开关进行投退) , 仿真结果见图 2
所示。
( 2) 线路 L2 出口处发生三相接地短路, 在 1.3s
时切除故障, 仿真时附加 PSS, 仿真结果见图 3 所
示; 将此仿真结果与( 1) 中 1.06s 时切除故障的仿真
结果进行比较, 对快速切除故障的效果进行分析。
( 3) 线路 L2 出口处发生三相接地短路, 1.3s 时
切除故障, 仿真时附加 PSS, 对故障限流器 FCL 的效
果进行分析, FCL 在 1.005s 时投入, 仿真结果见图 4
所示。
( 4) 线路 L2 出口处发生 A 相接地短路, 1.06s 时
切除故障, 仿真时不加 PSS, 对自适应单相重合闸的
效果进行分析, 2.06s 时重合 L2 故障相( A 相) , 仿真
结果见图 5 所示。
短路故障的类型和发生及切除时间可由三相短
路模块( Three- Phase Fault) 进行设置。动态仿真时
选择 ode23tb 算法, 并采用略去直流分量和其他滤
波分量计算的 Phasors 法, 可显著地加快仿真速度。
电力系统稳定器 PSS 模块的输入信号既可采
用发电机加速功率 Pa=Pm- Pe( p.u.) , 也可采用转子角
速度变化量 dω( p.u.) , 本文采用后一种。由图 2 可
知, 对于三相接地短路这样非常严重的故障形式, 采
用 PSS 可有效地增加系统的阻尼振荡效果, 使系统
迅速地趋向稳定; 而未投入 PSS 时, 尽管采用了快
速切除故障的措施, 系统仍失去了稳定性。
在系统附加 PSS 的前提下, 对比图 3 的慢切除
故障和图 2 中快速切除故障的发电机运行指标的仿
真运行结果, 可见快速切除故障对于提高电力系统
暂态稳定性有着决定性的作用[1]。
图 4 为线路首端装设了故障限流器 FCL( Fault
Current Limiter) 时对暂态稳定性影响的仿真结果。
本文 FCL 的仿真模型采用文献[2]提出的机电暂态模
型, XL=20ohms。对比图 4 和图 3, 可见在采用 FCL 的
情况下, 即使慢切除故障, 系统仍能保持暂态稳定
性。由于 FCL 可快速限制短路电流、提高系统的暂
态稳定性, 因此具有较好的应用价值。本文采用 PSB
建模对 FCL 的效果进行仿真分析的方法与文献[2, 3]
提出的运用代码编程仿真的方法具有异曲同工之
妙。
采用自动重合闸也是提高系统暂态稳定性的一
图 1 单机—无穷大系统 Simlink 仿真模型
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个有效经济的方法, 本文对自适应单相重合闸的效
果进行仿真分析。与传统的单相重合闸不同, 自适
应重合闸不是盲目进行的, 可在重合前判别单相接
地短路故障的性质, 若为永久性故障, 则重合闭锁;
若为瞬时性故障, 则重合进行[4]。由图 5 可知, 若单
相接地短路为瞬时性故障, 重合成功可有效提高系
统的暂态稳定性。由于高压架空线路以发生瞬时性
单相接地短路故障居多( 占线路故障的 70%~80%) ,
而一般重合闸的成功率可达 90%以上, 因此单相重
合闸的使用可提高供电的可靠性和暂态稳定性。
3 结论
MATLAB PSB 集直观性、技巧性和操作的简易
图 2 三相接地短路响应( 1.06s 切除故障)
图 3 三相接地短路响应( 附加 PSS, 1.3s 切除故障)
图 4 三相接地短路响应( 附加 PSS 和 FCL, 1.3s 切除故障)
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表 3 故障规则表
理的过程, 使普通用户一目了然。专家系统和神经
网络相结合进行故障诊断, 使得故障诊断更加准确
有效, 将其应用于电力领域, 对于火电厂热力设备的
安全经济运行, 将起到重要的作用, 为回热系统故障
诊断的进一步研究提供了新思路和新方法。
参考文献:
[1] 吴明强, 李霁红, 曹爱东, 史慧. 故障诊断专家系统综合智
能推理技术研究[J]. 计算机测量与控制, 2004, 12( 10) : 932-
934.
[2] 汪繁荣, 陈柏金, 史琼芳. 构造故障诊断专家系统的新方
法 [J]. Computer Aided Design\Manufacturing, 2004, 04 (03):
95- 97.
[3] 秦在丛, 鲁松林, 徐治皋. 基于模糊神经网络的高加系统
内部故障诊断方法[J]. 热能动力工程, 1999, 14 (6): 471- 472.
故障现象 故障原因
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16
1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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图 5 单相接地短路响应( PSS 退出, 1.06s 切除故障)
性于一身, 是一款较优秀的电力系统仿真软件, 同时
PSB 还提供了丰富的 help 文档, 有利于使用者进行
学习。本文所述的基于 MATLAB PSB 的电力系统暂
态稳定性的分析方法可供师生在开展电力系统暂态
分析课程教学及相关毕业设计过程中参考, 作为一
种定性分析手段使用; 读者也可根据需要自行建模
以进行研究, 但所建电力系统以中小型规模为宜, 从
满足教学要求的角度来看, 由于一般研究的对象为
单机—无穷大系统或两机系统, 因此 MATLAB PSB
完全是够用的。
参考文献:
[1]李光琦.电力系统暂态分析[M].北京: 中国电力出版社, 1995.
[2]赵彩宏, 田立军, 邹贵彬, 等.FCL 对电力系统暂态稳定性影
响的机理分析与仿真[J].电力自动化设备, 2001, 21( 2) : 14- 17.
[3] 张宁, 王宝华.故障限流器提高电力系统暂态稳定的仿真
[J].南京工程学院学报( 自然科学版) , 2004, 2( 2) : 57- 61.
[4] 陈璟华, 陈少华, 杨宜明.基于 BP 神经网络的自适应单相
重合闸研究[J].高压电器, 2003, 39( 4) : 43- 45.
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