基于MATLABSPS的电力系统暂态稳定的仿真分析.docx

基于MATLABSPS的电力系统暂态稳定的仿真分析.docx

《基于MATLABSPS的电力系统暂态稳定的仿真分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLABSPS的电力系统暂态稳定的仿真分析.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于MATLABSPS的电力系统暂态稳定的仿真分析

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1

1.2电力系统暂态稳定性解决[3]2

1.3电力系统暂态稳定研究的目的以及研究意义2

1.4电力系统暂态稳定性国内外现状2

2MATLAB的简要介绍4

3Simulink下单机-无穷大暂态稳定仿真分析4

3.1单机-无穷大系统原理5

3.2电力系统暂态稳定的仿真流程5

3.3单机—无穷大系统的MATLAB/SPS建模6

3.4各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真14

3.5结论20

4电力系统暂态稳定中的信号特征的提取20

4.1小波变换的基本理论20

4.2小波分析的成功应用20

4.3小波函数的选择21

4.4小波变换在仿真中的应用22

4.5结论25

5电力系统暂态稳定中控制策略的阐述25

5.1紧急控制系统的基本框架25

5.2非线性控制技术在暂态稳定控制中的应用研究28

5.3结论31

结论和展望32

参考文献32

致谢35

ABSTRACT36

基于MATLAB/SPS电力系统暂态稳定仿真研究

摘要：

介绍了电力系统的暂态稳定、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。

运用MATLAB电力系统仿真模块集SimPowerSystems构建了单机-穷大系统的Simulink模型，通过对电力系统故障仿真分析，表明了该模型能较准确直观地考察暂态过程中电力系统的动态特性，说明Matlab在电力系统仿真中的强大功能。

并利用小波分析具有很强的信号特征提取功能，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。

关键词：

电力系统；SPS；单机-无穷大系统；暂态稳定仿真；小波变换

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问题，系统可能在几秒内发生严重后果，造成极大的经济损失及社会影响。

对于某一特定的稳定运行状态，以及对于某一特定的扰动，如果在扰动后系统可以达到一个可以接受的稳定运行状态，则对此初始状态及对此扰动而言，是暂态稳定的。

电力系统暂态稳定分析的主要目的是检查系统在大扰动下（如故障、切机、切负荷、重合闸操作等情况），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。

在电力系统规划、设计、运行等工作中都要进行大量的暂态稳定分析。

通过暂态稳定分析，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，因此通过时域仿真来验证所求结果是否正确,即电力系统在某一状态时是否是稳定的具有重要意义[1]。

图1是一个简单的电力系统。

图1简单电力系统

1电力系统暂态稳定性概述

1.1电力系统暂态稳定

电力系统暂态稳定性，指的是正常运行的电力系统承受一定大小的、瞬时出现但又立即消失的扰动后，恢复到近似它原有的运行状况的能力；或者，这种扰动虽不消失，但系统可从原有的运行状况安全地渡到新的运行状况的可能性。

也就是，电力系统在急剧扰动下的稳定性。

以致使描述电力系统运行状态的非线性微分方程式不允许线性化，只能分段求数值解。

本文主要构建一个单机-无穷大系统对该系统受外界干扰时的暂态稳定进行分析，在模型中分别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，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。

最后结合仿真图形比较分析在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（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[2]。

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，可显著地加快仿真速度。

1.2电力系统暂态稳定性解决[3]

1.2.1引起电力系统大扰动的主要原因

（1）负荷的突然变化。

（2）切除或投入系统的主要元件。

（3）电力系统的短路故障。

1.2.2提高电力系统暂态稳定性的措施

（1）快速切除故障和自动重合闸。

（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电力系统暂态稳定研究的目的以及研究意义

1.3.1目的

熟悉电力系统暂态稳定的基本概念，通过建立模型并进行仿真，掌握其基本原理，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，方案设计，更正调整以及差异分析等一系列思维体系。

1.3.2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。

如此的发展趋势在给电力系统以巨大的技术和经济效益同时，也使得稳定性破坏事故所波及的范围更加广泛，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。

与此同时,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出现,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,在最严重的情况下,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。

1.4电力系统暂态稳定性国内外现状

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，运算量比龙格一库塔法小，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级数研究快速暂稳计算问题,上海交通大学刘笙等人关于PEBS法复杂模型的研究，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（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（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。

MATLABSPS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。

2MATLAB的简要介绍

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[4]。

3Simulink下单机-无穷大暂态稳定仿真分析

3.1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，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[5]，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。

变压器线路

图3.1单机—无穷大系统原理图

假定联络阻抗为纯电感，则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，可以将采用仿真来观察发电机运行情况。

以目前情况来看，仍然以三相短路作为考核暂态稳定的扰动模式之一[6]。

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。

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。

它抽取与此振荡相关的信号，比如发电机有功功率、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。

3.2电力系统暂态稳定的仿真流程

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：

图3.2SPS仿真电力系统流程图

3.3单机—无穷大系统的MATLAB/SPS建模

MATLABSPS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-phasesourse（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

Measurements里voltagemeasurement（电压测量）模块

Powergui模块

（2）simulink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）模块，gain（获得）模块，ground模块（直流），scope（显示器）模块，sum（求和）模块

Signalrouting（信号路由）模块库下的manualswitch（手动开关）模块，

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。

通过连接模块得出如下仿真原理图：

图3.3.1单机—无穷大系统Simulink仿真原理图

3.3.1设置模型的详细参数

设置模块的参数：

双击模块，通过对话框来修改参数，具体操作过程如下。

双击Constant、Constant1、Constant2依据如下图形设置参数。

图3.3.2Constant参数设置

图3.3.3Constant1参数设置

图3.3.4Constant2参数设置

双击sum1，依据如下图形设置参数。

图3.3.5sum1参数设置

双击Gain、Gain1，依据下图进行参数设置。

图3.3.6Gain参数

图3.3.7Gain1参数设置

双击VoltageMeasurement，依据下图进行参数设置。

图3.3.8VoltageMeasurement参数设置

双击MachinesMeasurementDemux，依据下图进行参数设置。

图3.3.9MachinesMeasurementDemux参数设置

双击SynchronousMachinepuStandard，依据下图进行参数设置。

图3.3.10SynchronousMachinepuStandard参数设置

双击Three-PhaseTransformer（TwoWindings）、DistributedParametersLine、Three-PhaseSource，依据下图进行参数设置。

图3.3.11Three-PhaseTransformer（TwoWindings）参数设置

图3.3.12DistributedParametersLine参数设置

图3.3.13Three-PhaseSource参数设置

双击Three-PhaseParallelRLCLoad、Three-PhaseBreaker、DistributedParametersLine1、Three-PhaseBreaker1，依据下图进行参数设置。

图3.3.14Three-PhaseParallelRLCLoad参数设置

图3.3.15Three-PhaseBreaker参数设置

图3.3.16DistributedParametersLine1参数设置

图3.3.17Three-PhaseBreaker1参数设置

双击ExcitationSystem，根据下图进行参数设置。

图3.3.18ExcitationSystem参数设置

双击PSS、powergui，根据下图进行参数设置。

图3.3.19PSS参数设置

图3.3.20powergui参数设置

3.4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[2]。

现在图3.3.1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出口处发生单相短路故障，1.5S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进行投退），仿真结果如下图所示。

图3.4.1（1.5S未加PSS机端电压）

图3.4.2（1.5S未加PSS功角）

图3.4.3（1.5S未加PSS转速）

图3.4.4（1.5S加PSS机端电压）

图3.4.5（1.5S加PSS功角）

图3.4.6（1.5S加PSS转速）

（2）线路L2出口处发生单相短路故障，2S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进行投退），仿真结果见图3.4.3和图3.4.4所示。

图3.4.7（2S未加PSS机端电压）

图3.4.8（2S未加PSS功角）

图3.4.9（2S未加PSS转速）

图3.4.10（2S加PSS机端电压）

图3.4.11（2S加PSS功角）

图3.4.12（2S加PSS转速）

结论分析：

由

（1）

（2）可知，对于单相接地短路故障而言，未加入PSS时，不可避免的