简单系统暂态稳定性仿真.docx
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简单系统暂态稳定性仿真
南京理工大学
《动态电力系统分析》
课程报告
姓名
学号：
学院（系）:
自动化学院
专业:
智能电网与控制
题目:
基于matlab的单机无穷大系统的暂态稳定性分析
任课教师
硕士导师
2016年1月13号
目录
摘要
引言1
1、电力系统暂态稳定性概述1
1.1电力系统暂态稳定性1
1.2电力系统暂态稳定性研究的目的及意义2
1.2.1研究目的2
1.2.2研究意义2
1.2.3国内外研究现状2
1.3电力系统暂态稳定性遭到破坏的原因及解决措施3
1.3.1引起电力系统大扰动的主要原因3
1.3.2提高电力系统暂态稳定性的措施4
1.3.3配电网的故障现状及分析4
2、MATLAB的简要介绍5
2.1概述5
2.2Simulink下的SimPowerSystem模型介绍5
2.3电力系统暂态稳定仿真流程6
3、Simulink下单机-无穷大系统暂态稳定仿真分析7
3.1单机-无穷大系统原理分析7
3.2Simulink下单机-无穷大系统仿真模型的搭建7
3.3系统各模块相关参数设置9
3.4各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真16
4、总结与展望20
参考文献21
摘要
本文介绍了电力系统的暂态稳定性的概念、MATLAB环境下Simulink动态仿真工具、电力系统工具箱的功能和特点及仿真数学模型。
同时，使用MATLAB电力系统仿真模块集SimPowerSystems构建了单机-无穷大系统的Simulink模型，通过对该电力系统的故障仿真分析，表明此模型能够比较准确直观地体现暂态过程中电力系统的动态特性，表现了MATLAB在电力系统仿真中的强大功能。
关键词：
电力系统；SPS；单机无穷大；暂态稳定仿真；
ABSTRACT
The basic characteristics of power system transient stability, the function and feature, and mathematical model of power system blockset and Simulink based on MATLAB are in the paper. MATLAB SimPowerSystems are used to build up Simulink models of a single-machine system. Powerful functions of Matlab in the simulation of power system are shown by the simulation of power system failure. The result shows that the dynamic behavior of power system during transient processes can be observed quite accurately and directly.
Keywords:
Power system; SPS; Single-infinite; Transient stability simulation
引言
电力系统是一个复杂的动态系统，一方面它必须时刻保证必要的电能质量及数量；另一方面它又处于不断的扰动之中，扰动发生的时间、地点、类型、严重性均有随机性，在扰动发生后的系统动态过程中一旦发生稳定性被破坏的问题，系统可能在几秒内发生严重的后果，会对经济造成极大的损失，甚至对社会也会造成极大的影响。
电力系统稳定是指系统在某一正常运行状态下受到某种扰动后，能否经过一定的时间后恢复到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳定运行状态。
如果能过回到原来的运行状态或建立一个新的稳定运行状态，则认为系统在该运行状态下是稳定的。
反之，若系统不能回到原来运行状态或者不能建立一个新的稳定运行状态，则说明系统的状态变量没有一个稳态值，而是随时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。
电力系统稳定性被破坏后，将造成大量用户供电中断，甚至导致整个系统瓦解，后果极为严重。
因此，保持电力系统的稳定性，对于电力系统安全可靠运行，具有非常重要的意义。
若对一个特定的稳定运行状态，在发生了某一特定的扰动后，如果在扰动后系统可以回到原来的运行状态或过渡到一个新的稳定运行状态，则说明系统是暂态稳定的。
电力系统暂态稳定分析的主要目的是检查电力系统在大扰动下，各发电机组间能否保持同步运行，如果能保持同步运行，并具有可以接受的电压和频率水平，则称此电力系统在这一大扰动下是暂态稳定的。
通过暂态稳定性分析，还可以研究和考察各种稳定措施的效果以及稳定控制的性能。
1、电力系统暂态稳定性概述
1.1电力系统暂态稳定性
电力系统暂态稳定性是指电力系统在某个运行状态下，突然受到较大的干扰后，能够过渡到一个新的稳态运行状态（或者回到原来的运行状态）的能力。
由于受到的是较大的干扰，系统的状态方程不能线性化。
另外，在受到达到大扰动的过程中往往伴随着系统的结构和参数的改变，也就是说系统的状态方程是有变化的。
本文主要以一个单机无穷大系统（如图1.1所示）为例，对该系统受外界干扰时的暂态稳定性进行分析，在模型中设置三相接地短路和单相接地短路。
然后分别采取提高电力系统暂态稳定性的一些有效措施，如采取快速切除故障、故障限流器等措施并进行仿真。
最后结合仿真的图形比较分析在这两种短路情况中各种稳定器对系统稳定性的影响。
由于大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额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。
在MATLAB仿真当中，短路故障的类型和发生及切除时间可由三相短路模块（Three-PhaseFault）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，可以显著加快仿真速度。
图1.1单机无穷大系统
1.2电力系统暂态稳定性研究的目的及意义
1.2.1研究目的
加深对电力系统的暂态稳定性基本概念的理解，通过建立电力系统暂态稳定性的模型并进行仿真，掌握其基本机理，提高在实际应用中分析问题解决问题的能力，能够形成需求分析、方案分析、方案设计、更正调整以及差异分析等一系列的四维体系。
1.2.2研究意义
随着电力系统的发展，互联电力网络变得越来越大，也越来越复杂。
这样的发展趋势在给电力系统到来巨大的技术和经济效益的同时，也使得稳定性破坏所造成的事故波及范围更加广泛。
电力市场的日益开放会使运行方式更加灵活多变，对稳定性的实时性判断要求更高。
同时，由于受到环境和经济等因素的制约，区域间联网和远距离大容量输电系统的不断涌现，系统运行更加接近极限状态，这使得电力系统暂态稳定问题日趋严重，电力系统一旦失去稳定，往往造成大范围、较长时间停电，则可能使电力系统崩溃和瓦解。
因此，准确、快速地分析电力系统在大扰动下的暂态稳定行为，必要时采取适当的控制措施，以保证系统对暂态稳定性的要求，是电力系统设计及运行人员最重要也是最复杂的任务之一。
1.2.3国内外研究现状
实际上,如何保证和提高电力系统的暂态稳定性是从多个方面进行考虑的。
在系统规划阶段应合理选择发电厂厂址,采用合理的输电方案以及配置相应的保护和自动装置等。
在运行管理方面,控制中心对运行方式的良好安排也有助于保证电力系统的安全稳定运行；在线动态安全评价,通过对发生预想事故后系统的暂态稳定性进行分析,可以为在线进行预防性控制提供依据。
当系统遭受扰动后，施加控制是改善和提高电力系统暂态稳定性最经济有效的方法之一,而严重故障后的紧急控制措施可将由于安全性破坏而对系统造成的影响减小到最低程度。
电力系统在突然遭受大扰动后的暂态过程中,由于发电机组的机械功率输入与电气功率输出的不平衡,引起发电机转子间产生相对摇摆,如果系统没有足够的能力阻尼这种摇摆,使系统达到新的平衡状态,那么系统将失去稳定。
因此,暂态稳定控制的作用应当是减少因扰动引起的不平衡功率或提供适当的阻尼。
多年来,电力系统研究人员正是沿着这条思路致力于暂态稳定控制问题的研究,提出过很多种控制措施和方法。
目前暂态稳定分析的基本方法可分为两类：
数值解法和直接法。
数值解法（时域仿真法）是暂态稳定分析基本方法，它以稳态工况或潮流解为初值，对上述方程组联立求解或交替求解，逐步求得状态量和代数量，并根据发电机的转子摇摆曲线来判定系统在扰动下能否保持同步。
目前时域仿真法主要采用的数值计算方法包括显式积分法和隐式积分法。
前者包括欧拉法、龙格-库塔法和线形多步法等。
后者包括改进的欧拉法和隐式积分法。
欧拉法的精度低，数值稳定性较差，一般适用于简单模型和较短的暂态持续时间。
龙格-库塔法拟合了泰勒级数的高阶项，具有比较高的精度，数值稳定性好。
它的缺点是计算量大，计算速度慢。
线形多步法精度高，运算量比龙格-库塔法小，但计算结果受初始值的影响较大，需要选择适当的起步算法来保证其精度。
改进的欧拉法用隐式积分校正欧拉法的结果，精度比欧拉法有所提高。
隐式梯形积分法在联立求解微分一代数方程时可以消除交接误差，具有较好的数值稳定性，可以采用较大的步长。
虽然时域仿真法可以考虑电机的详细模型，而且能够得到足够准确的结果，但是随着网络规模的扩大，时域仿真法的计算量将很大，计算速度不能满足在线监测和控制的要求，并且其不能定量给出系统的稳定裕度。
所以对电力系统暂态稳定研究致力于寻找一种快速、准确、实用的暂态分析算法。
我国电力科学界对稳定分析的直接法与快速算法的研究大致始于80年代，其中最早发表的一篇是夏道止与Heydt等人关于分解-聚合法在线稳定的研究。
随后有电力部电力科学研究院的傅书逷等人关于PEBS法的研究：
清华大学倪以信与美国Fouad等人对UEP法的直流输电模型与励磁系统模型的研究：
1988年我国学者南京电力自动化研究院薛禹胜与比利时Pavella教授等人提出了扩展等面积法（EEAC法），将多机系统变成等值两机系统，利用等面积准则和泰勒展开式导出临界切除时间和稳定裕度的解析式，根据这一解析在注入空间定义稳态稳定域，推算联络潮流的稳定极限。
近年来该法经不断完善，已扩展到动态EEAC法，使得计算精度大大提高。
到了90年代，直接法与快速算法的研究尤为活跃，如哈尔滨工业大学郭志忠，柳焯等人用高阶Taylor级数研究快速暂态稳定计算问题,上海交通大学刘笙等人关于PEBS法的复杂模型的研究，东北电力学院蔡泽祥和清华大学倪以信等人关于快关气门、电气制动和切机问题的研究等，都使得直接发在线稳定分析的研究进一步走向实用化。
此外，关于应用人工神经网络、灾变理论和熵网络理论的研究也有不少论文发表。
李雅普诺夫稳定性理论在1892年提出的，它是从一个古典力学的概念发展而来。
1947年美国学者Magnusson提出将其应用于电力系统暂态稳定分析领域当中。
1958年，Aylett提出了用于多机系统的能量积分准则。
1966年，Gless和E1-Abiad等人又提出了不计电网中转移电导的李雅普诺夫函数。
自上世纪70年代后，用李雅普诺夫法研究直接法稳定分析得文章逐渐增多，初期的研究只要集中于用不同的方法建立运用于电力系统的李雅普诺夫函数（V函数）和如何求不稳定平衡点（UEP）的方法，但是早期研究未计入故障地点和转移电导的作用，所以计算结果偏于保守。
1978年日本学者Kakimoto等人首次提出了势能界面法（PEBS）法，直接利用持续的故障轨迹求取临界势能，从而求取临界切除时间CCT，省去了求UEP的麻烦，使得速度大大加快。
1979年Athay等人提出的能量函数第一次计入了故障地点和转移电导的作用，使得能量函数法在客服保守性方面迈出了重要的第一步。
20世纪80年代以后，Michel等人提出了单机能量法。
Fouad等人在动能修正、能量裕度以及求解相关UEP等方面作了大量研究工作进一步丰富和发展了暂态能量函数法的理论和方法。
Padiyar等人给出了能够计入详细发电机，模型和复合模型的拓扑能量函数。
1988年Chiang和Zaborsky等人提出了稳定域的概念，对势能界面法进行了理论分析，并提出了使势能界面法计算准确的条件。
1991年Chiang等人在其稳定域理论的基础上，又提出了BCU法（将UEP法和PEBS法结合起来的方法），是UEP法的实用化又进了一步。
本文采用了Matlab软件对电力系统暂态稳定进行了仿真分析，运行于Simulink下的PSB（Power System Blockset）是针对电力系统的工具箱，从Matlab6.0开始它被重新命名为SPS（SimPowerSystems）.该工具箱的研究领域是用微分方程刻画的电力系统动态过程，如电磁暂态与机电暂态分析以及电力电子设备的仿真。
MATLAB SPS 提供了丰富的电力及电气系统元件模型,可以快速地组建仿真模型, 从而实现电力系统的仿真计算，效率高并且灵活方便。
1.3电力系统暂态稳定性遭到破坏的原因及解决措施
1.3.1引起电力系统大扰动的主要原因
（1）负荷突然变化；
（2）切除或投入系统的主要元件；
（3）电力系统的短路故障。
1.3.2提高电力系统暂态稳定性的措施
（1）快速切除故障或自动重合闸；
（2）强行励磁和快速关闭汽门；
（3）电气制动和变压器中性点经小电阻接地；
（4）采用单元接线方式；
（5）连锁切机和切除部分负荷；
（6）系统解列、异步运行和再同步。
1.3.3配电网的故障现状及分析
电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称为小电流接地系统。
此系统中接地故障最高，由于三个线电压仍然对称，不影响负荷连续供电，故不必立即跳闸，但接地后非故障相电压会升高，长时间带故障运行会影响系统安全，因此需要对故障时刻和故障线路进行检测。
另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小这将影响故障检测的灵敏度。
因此，需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法去分析非平稳信号。
对配电网接地短路故障的研究，主要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂态分量等几种方法。
利用故障后的稳态分量进行故障检测，存在的问题是接地稳态分量太小，常导致选线装置不能正确动作，并且该方法要求有一个持续的稳态短路过程，因此在发生间歇性电弧接地时便不再适用。
所以利用能对突变的微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论,可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征。
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。
同时，有上文可知提高电力系统暂态稳定性的措施是多种多样的。
2、MATLAB的简要介绍
2.1概述
MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，由Mathworke公司开发的
一套功能强大的软件，最早它主要用于科学计算。
后来随着MATLAB功能的不断增强和应用的普及，很多领域的专家为MATLAB写了专门的工具箱，用以拓展MATLAB的功能，这大大扩大了MATLAB的应用范围。
MATLAB语言是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。
它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。
MATLAB集科学计算、图像处理、声音处理于一身，是一个高度的集成系统，有良好的用户界面，并有良好的帮助功能。
MATLAB不仅流行于控制界，在机械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。
Matlab（Matrixlaboratory）语言最初是在1980年由美国的CleVeMoler博士研制的,其目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段。
MathWorks公司在80年代发行使之成为著名数值型计算软件。
Matlab具有编程效率高、程序设计灵活、图形处理功能强大等优点。
为准确建立系统模型和进行仿真分析,Matlab提供了系统模型图形输入工具—Simulink工具箱。
通过鼠标在模型窗口画出研究的系统的模型,直接对系统进行仿真。
Simulink提供了用方框图进行建模的模型窗口,与传统的用微分方程和积分方程建模相比,更直接,更方便灵活。
在Matlab中的电力系统模块库PSB以Simulink为运算环境,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统仿真模型。
它由以下6个子模块组成:
电源模块库、连接模块库、测量模块库、基本元件模块库、电力电子模块库、电机模块库。
在这6个基本模块库的基础上,根据需要还可以组合出常用的、复杂的其它模块添加到所需的模块库中,为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。
PSB模块中含有丰富的元件模型，包括同步机、异步机、变压器、直流机、特殊电机的线性和非线性、有名的和标么值系统的、不同仿真精度的设备模型库；单相、三相的分布和集中参数的传输线；单相、三相断路器及各种电力系统的负荷模型、电力半导体器件库以及控制和测量环节。
再借助其他模块库或工具箱以及自己在Simulink下搭建的模块，在提供的仿真平台上可以进行电力系统的仿真计算，尤其可以进行复杂控制系统的仿真，如模糊控制或神经网络模型等。
2.2Simulink下的SimPowerSystem模型介绍
运行于Simulink下的PSB（Power System Blockset）是针对电力系统的工具箱，从Matlab 6.0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。
大体来说，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。
本文以MATLABR2009a电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSystems搭建了电力系统运行中常见的单机-无穷大系统模型，实验得到在该系统发生短路接地故障并由断路器跳闸隔离故障的仿真结果。
2.3电力系统暂态稳定仿真流程
因为很多因素导致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。
所以可以首先在计算机上进行动态仿真研究来判断其设计的可行性，它的突出优点是可行、简便、经济。
并且Matlab电力系统工具箱中包含有很多丰富的模块，所以使用起来更加的灵活方便。
为了更好地研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度地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，对各个环节做了一定的理想化。
对各元件的参数也作了一定的取舍和简化，随着模块库的不断更新和完善，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。
SPS仿真电力系统流程图如图2.1所示。
图2.1SPS仿真电力系统流程图
3、Simulink下单机-无穷大系统暂态稳定仿真分析
3.1单机-无穷大系统原理分析
电力系统稳定运行分析，常采用的模型是单机-无穷大系统，单机-无穷大系统认为功率无穷大、频率恒定、电压恒定，是工程最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的运行方式，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程。
图3.1所示的单机-无穷大系统原理图。
图3.1单机-无穷大系统原理图
由上图所示，假定联络阻抗为纯电感，那么由发电机向无穷大系统送出去的有功功率P为：
（3.1）
式中
-包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗；
-功角；
-发电机电动势；
-系统母线电压。
如果在发电机高压母线上发生三相金属性短路。
在T时刻切除故障，可以采用仿真来观察发电机的运行工况。
目前来看，仍就以三相短路作为考核暂态稳定的扰动模式之一。
所以，在下面的仿真中采用的故障形式以短路故障为主，考虑到PSS作为励磁系统的一个子模块,它的输出是励磁输入信号的一种，通过On-Off开关控制投退。
它是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，引入领先于转轴速度的附加信号、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。
它抽取与此振荡相关的信号，例如发电机有功功率、转速或频率，并加以处理，产生的附加信号到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。
3.2Simulink下单机-无穷大系统仿真模型的搭建
MATLAB SPS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。
现在运用SPS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.
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
本次仿真中所用到的模块如下：
（1）Powerlib:
电力系统工具箱：
●Electricalsources中的three-phasesource（三相电源）模块；
●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-phasefault（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；
●Machines里synchronousmachinepustandad（标幺标准同步电机）模块，excitationsystem（励磁系统）模块，genericsystemstabilizer（通用电力系统稳定器）模块；
●Measurements里voltagemeasurement（电压测量）模块；
●Powergui模块；
（2）常用工具箱
●Simulink模块集commonlyusedblocks（常用模块）下的constant（常量）demux（多路分配器
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