基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究.pdf
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基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究.pdf
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第25卷第1期2009年1月电网与清洁能源PowerSystemandCleanEnergyV0125No1Jan2009文章编号:
16743814(2009)01-001704中图分类号:
TM762文献标志码:
A基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究都伟杰1,张俊芳1,刘鹏1,王玲2(1南京理工大学动力工程学院,南京210094;2西安铁路职工技术学院,西安710014)TransientStabilitySimulationofPowerSystemBasedonMatlabDUWei-jiel,ZHANGJun-fan91,LIUPengI,WANGLins2(1PowerEngineeringInstitute,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;2XianRailwayVocationalTechnicalInstitute,Xian710014,China)ABSTRACT:
Thebasiccharacteristicsofpowersystemtransientstability,thefunctionandfeature,andmathematicalmodelofpowersystemblocksetandSimulinkbasedonMATLABa陀introducedinthepaperMATLABSimPowerSystemsareusedtobuildupSimulinkmodelsofathreemachinesystemPowerfulfunctionsofMatlabinthesimulationofpowersystemareshownbythesimulationofpowersystemfailureTheresultshowsthatthedynamicbehaviorofpowersystemduringtransientprocessescanbeobservedquiteaccuratelyanddirectlyKEYWORDS:
powersystem;SIS;three-machinesystem;transientstabilitysimulation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j机系统的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,说明了Maflab在电力系统仿真中的强大功能。
关键词:
电力系统;SIS;三机系统;暂态稳定仿真0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T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111。
Matlab是由美国Mathworks公司开发的大型软件,它是以矩阵运算为基础,把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境中,在此环境中可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等。
Matlab在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块(PowerSystemBlockset,简称PSB)来完成,PSB是I:
1:
ITEQSIM公司和魁北克水电站开发的。
PSB是在Simulink环境下使用的模块,采用变步长积分法。
可以对非线性、刚性和非连续系统进行精确仿真,并精确地检测出断点和开关发生时刻。
PSB程序库含有代表电力网络中一般部件和设备的Simulink程序块,通过PSB可以迅速建立模型并立即仿真。
PSB程序块程序库中的测量程序和控制源起到电信号与Simulink程序之间连接作用121。
Simpowersystems其中包括了电路仿真所需的各种元件模型,如图l所示。
包括有电源模块、基础电路模块、电力电子模块、电机模块、连线器模块、检测模块以及附加功率模块等7种模块库。
每个模块万方数据18都伟杰等:
基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究V0125No1SourcesElectronics回因囡亘固图1Simulink中电力系统库库中包含各种基本元件模型,如电源模块中有直流电压、电流源,交流电压源、电流源,受控电压源、电流源等五种电源模型。
电力电子模块库包含了理想开关元件、晶闸管、功率场效应管、可关断晶闸管等多种功率开关元件模型;电机模块库中包含了各种电机模型,如异步电动机、同步电动机、永磁同步电动机等。
只需将模块中的元件拖至1Simulink窗口中,通过参数设置,对话框设置参数就可以实现电路和电力系统的仿真【】。
1仿真模型的介绍11发电机模型和励磁系统模型发电机转子等值电路如图2所示。
Matlab中未简化的同步发电机电气部分采用五阶模型。
旃由考虑2个绕组,q轴考虑3个绕组,其电压方程组如下:
Ud=RJa+脚删月屯
(1)“胡+尸嗷叫和d
(2)Ua=R:
“lq+pd:
d(3)UbFRdp由融04、)U幻=RJkq+pCk妇(5)式中,U为各绕组端电压;J为各绕组电流;兄为定子每相绕组电阻;R材,尺幻为转子绕组电阻;咖为各绕组的总磁链;助微分算子;鲰为转子角速度。
磁链方程组如下:
由FL毒一L棚一l西、)由产L4产L一畸0、)由庐L蕾一L撰一l凶婚、)巾萨LdL捌一l岛(9、耷庐L1cqlL0q(、10)式中,匕,厶分别为纵轴和横轴同步电感;为2个纵轴绕组之间的互感系数;L柑和。
分别表示发电机转子横轴和纵轴的电感;L“和L幻分别表示发电机转子横轴和纵轴的漏感。
其机械系统的方程为:
a)獭等值电路b)跏等值电路图2发电机转子等值电路Ato(t)=币1(Tm-T:
KdAto(t)dt(11)J”O)=甜O)坳o(12)式中,&为阻尼系数;肋转动惯量;咒和瓦分别表示机械转矩和电磁转矩。
励磁系统数学模型为:
Jl=孔!
芎=一互;舭“y耐一yt)(13)U式中,啪励磁系统时间常数;七。
为励磁系统增益系数;y。
为励磁系统设定电压;y为发电机端口电压幅值。
12线路和变压器模型Matlab中提供的线路模型有PI型及分布参数2种输电线模型,当使用前者模拟长线路时直接输入PI型段数。
而后者可以更详细地模拟两相、三相和六相对称线路。
此外,还可以用串联RLC和并联RLC代替线路。
RLC提供各种型号的变压器,可以根据需要选取。
2三机系统暂态短路仿真分析同步电机采用6阶仿真模型,原动力和励磁系统分别采用Simulink中的HTG和ExcitionSystem并采用PSS控制系统。
三相短路是电力系统最危险的故障,本例采用三相短故障分析。
其他短路故障可在模型中改动短路元件参数来运行。
21三相短路模型在10s时,发生单相接地短路101s故障切除人三机仿真模型如图3所示。
图3的具体封闭图如图4、5、6所示。
画画圄圄万方数据第25卷第1期电网与清洁能源19图3三机系统模型图4涡轮与调节器封装模型22仿真参数设置及潮流计算发电机,变压器采用默认参数,其他元件参数如图3所示。
对仿真参数进行如下设置。
Starttime(于l:
始时间)选项:
0Stoptime(停止时间)选项:
30SType(求解程序类型)选项:
variablestep(可变步长),ode23tb(stiffTRBDF2)Maxstepsize(最大步长)选项:
160Relativetolerance(相对容差)选项:
1eAbsolutetolerance(绝对容差)选项:
le4其他采用默认值,电路在10s发生三相短路故酬v&3-RPhaacsIe-P洲P(PhaeOTyPe)图5电压功率测量封装模型障101s故障切除。
在用powergui模块进行潮流分配计算后。
进行系统仿真。
23仿真结果两电机相对转子角度曲线如图7所示。
三机角速度与三机机端电压如图8所示。
线路Bl、B2、B3、B4、B5、B6测量的电压和功率如图9所示。
万方数据20都伟杰等:
基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究V0125No1盖富粤蒌静蠡图6电机信号封装模型犀疗一l。
s发生故障t1。
ls秒岳故障切除:
旷-7弋肖苎生故障10ls秒后故障切除;栌10泼生躺一州融籼除iO510l,202530时问s图7两电机相对转子角度曲线图,k竺!
竺望竺P墼幽些望坚:
051015202530时问,s图8三机角速度与三机机端电压一_=一10s段小战5I:
it10s秒“故障tJJ除8IF10跋蝴吼旧15蛳臁:
图9B1、B2、B3、B4、B5、B6测量的电压和功率图在10s时发生三相短路故障,101s故障切除。
由图形可以看ff,在PSS的控制下,系统相对转子角的摇摆趋于稳定,系统是暂态稳定的。
3结论通过对整个系统的仿真,可以得到以下结论:
1)Matlab70中的PSB是一种专门应用于电力系统动态仿真的丁具箱其中的电力系统的元件模型相当丰富,用户还可以利用Matlab本身的一些工具来建立自定义模型。
利用Matlab强大的计算功能和编程技术,可以提高仿真计算的灵活性和效率,为仿真电力系统分析电力系统提供了一种新的手段。
2)当改变元器件本身的参数,如短路故障类型、电机的功率、定子和转子的电阻、电感,负载的功率、变压器的容量等。
就能实现对电力系统不同工况下运行过程的仿真分析便于对不同参数和负载情况进行比较。
3)利用Matlab可以方便地进行电力系统潮流计算,稳定分析,新元件的设计及测定,具有界而灵活、开放直观、互动性强等优点。
4)由于PowerSystemBlockset简化了开关元件的处理,认为是理想模型,在提高仿真速度、简化电路图设计的同时对系统的暂态过程描述不够精确。
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43-45收稿El期:
2008一ll03。
作者简介:
都伟杰(1984-),男,硕士,主要研究方向为电力系统稳定控制;张俊芳(1965),女,副教授,主要从事电力系统优化、运行与控制等方面的教学与研究。
(编辑秦奋)啷啪啷州帅呻llOOnd、世制世nd、出罾菥晕万方数据基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究作者:
都伟杰,张俊芳,刘鹏,王玲,DUWei-jie,ZHANGJun-fang,LIUPeng,WANGLing作者单位:
都伟杰,张俊芳,刘鹏,DUWei-jie,ZHANGJun-fang,LIUPeng(南京理工大学动力工程学院,南京,210094),王玲,WANGLing(西安铁路职工技术学院,西安,710014)刊名:
电网与清洁能源英文刊名:
POWERSYSTEMANDCLEANENERGY年,卷(期):
2009,25
(1)被引用次数:
14次参考文献(4条)参考文献(4条)1.倪以信;陈寿孙;张宝霖动态电力系统的理论和分析20022.曾江华;陈晓明;金伟MATLAB在电力系统仿真中的运用期刊论文-人民长江2006(11)3.彭建飞;任眠;王树锦MATLAB在电力系统仿真研究中的应用期刊论文-计算机仿真2005(06)4.刘兴杰;田建设;丁波应用Matlab进行电力系统分析和动态仿真期刊论文-电力自动化设备2004(03)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.郝伟杰.张俊芳基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究会议论文-20082.盛义发.洪镇南MATLAB在电力系统仿真中的应用期刊论文-计算机仿真2004,21(11)3.时宇琳.王宝华.SHIYu-lin.WANGBao-hua基于Matlab的电力系统暂态稳定仿真实验与分析期刊论文-实验室研究与探索2010,29(4)4.曾江华.陈晓明.金伟.江万里.李远青MATLAB在电力系统仿真中的运用期刊论文-人民长江2006,37(11)5.盛义发.唐耀庚.苏泽光.赵宇红基于Matlab的电力系统故障的仿真分析期刊论文-南华大学学报(理工版)2003,17(4)6.李升.王珣.LISheng.WANGXun基于MATLAB的电力系统暂态电压稳定性仿真研究期刊论文-南京工程学院学报(自然科学版)2007,5
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