基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析

MATLAB电气应用训练
课程MATLAB电气应用训练
题目基于MATLAB的电力系统暂态稳
定仿真分析
院系电气信息工程学院电气工程系
专业班级
学生姓名
学生学号
指导教师
2014年3月07日
目录
1任务和要求 (1)
2总体方案设计与选择 (1)
2.1题目剖析及分析 (1)
2.2暂态稳定仿真流程 (2)
3单机—无穷大暂态稳定仿真分析 (2)
3.1复杂电力系统暂态稳定性分析 (2)
3.2单机—无穷大系统原理 (3)
4Simulink下SimPowerSystem模型应用 (4)
4.1 Simulink仿真模型仿真模型的搭建 (4)
4.2各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真 (6)
5设计总结 (8)
参考文献 (10)
1任务和要求
(1)任务：本次仿真以单机—无穷大系统或两极系统为对象进行仿真。

分析了运行故障对稳态的干扰，对实际电力系统暂态稳定具有参考价值，仿真实践表明，MATLAB 是电力系统机电暂态稳定分析的有力工具。

(2)基本要求
➢Simulink下单机—无穷大仿真系统的搭建。

➢系统故障仿真测试分析。

➢通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测。

2总体方案设计与选择
2.1题目剖析及分析
随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大和复杂，出现的各种故障，会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁，并有可能导致电力系统事故的扩大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，迫切要求运用电力仿真来解决这些问题依据电网用电供电系统电路模型要求，因此，论文利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了单机—无穷大电力系统的仿真模型，能够满足电网在其可能遇到的多种故障方面运行的需要。

论文以MATLAB R2009a电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSyetem搭建了电力系统运行中常见的单机—无穷大系统模型，实验得到了在该系统发生各种短路接地故障并由断路器自动跳闸隔离故障的仿真结果。

并利用小波分析具有很强的信号特征提取能力，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。

MATLAB环境下的Simulink是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。

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。

2.2暂态稳定仿真流程
由于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。

因此在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济。

Matlab电力系统工具箱包含的模块有：Electrical Sources(电源库)、Elements(元件库)、PowerElectronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、Extra Library(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面graphical user interface)等，
为了研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度的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，对各环节元件作了一定的理想化。

对各元件的参数也作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完善，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．成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。

SPS仿真电力系统流程图：
图1正反馈放大器电路原理
3单机—无穷大暂态稳定仿真分析
如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。

反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。

3.1复杂电力系统暂态稳定性分析
引起电力系统大扰动的原因主要有下列几种：
（1）负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等；
（2）切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等；
（3）发生短路故障。

其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。

而且短路故障中，单相接地短路故障最多。

在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。

在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。

当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时，一些物理量（如电容电压，电感电流等）并不会突变，而是需要一定时间。

在这期间，电路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。

分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。

MATLAB提供了常微分方程初值问题的数值解法，对于稳态一般用快速而准确的ode45函数，对于暂态一般用ode23函数。

也可采用自适应变不长的求解方法，即当解的变化较快时，步长会自动的变小，从而提高计算精度。

3.2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（SIMB），单机—无穷大系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的的运行方式，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论。

时刻切除故障，可以将采用仿假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路。

T t
真来观察发电机运行情况。

在我国，目前仍然以三相短路作为考核暂态稳定的扰动模式之一。

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(Power System Stabilizer）属于Simulink下SimPowerSystem库的machines分支下的模块）作为励磁系统的一个子模块，它的输出时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。

它抽取与此振荡有关的信号，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。

图2单机无穷大电力系统仿真原理图
4Simulink下SimPowerSystem模型应用
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。

4.1 Simulink仿真模型仿真模型的搭建
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。

本次仿真选出需要用到如下模块：
（1）Powerlib电力系统工具箱：
1）Electrical Sources中的Three-Phase Source（三相电源）模块
2）Elements中的Three-Phase Parallel RLC Load（三相负载RLC并联）模块和Ground（交流接地）模块以及Three-Phase Breaker（三相断路器）模块，Three-Phase
Fault（三相故障整流器）模块，Distributed Parameters Line（分布参数线路）模块，Three-Phase Transformer（Two Windings）（三相变压器绕组）模块
3）Machines里Synchronous Machine pu Standad（标么标准同步电机）模块，Excitation System（励磁系统）模块，Generic Power System Stabilizer（通用电力系统稳定器）模块
4）Measurements里V oltage Measurement（电压测量）模块
5）powergui模块
（2）Simulink常用工具箱：
1）Simulink模块集Commonly Used Blocks（常用模块）下的Constant（常量)模块，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
2）Signal Routing（信号路由）模块库下的Manual Switch（手动开关）模块
3）SimPowerSystem（电力系统）模块库下的Machines集中Machines Measurement Demux（电机测量复合）模块，需要双击设置相关的输入输出接口。

至此，我们已经把仿真结构框图所需的模块都已拖入模型编辑窗口。

图3模块拖动选择后的效果图
对各个模块连线并进行相关参数进行设置，电力单机—无穷大系统仿真模型为：
图4单机—无穷大系统Simulink仿真模型
4.2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。

因此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ls)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：
设置线路L2出口处发生短路故障(故障时间均发生在2S)作为对系统最大的扰动。

在进行动态仿真时分别设置以下的一些情况：
(1)线路L2出口处发生单相接地短路，1.3S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5所示。

图5 1.3S切除未加PSS时仿真图
结论分析：未投入PSS时，尽管采用了快速切除故障的措施。

由于系统本身有延迟，
故障断开之后仍然出现短时间的震荡。

图6 1.3S切除加有PSS时仿真图
结论分析：可知，对于单相接地短路故障，采用PSS可有效地增加系统对振荡的阻尼效果，使波形更平缓，同时对其它故障谐波有一定的消除作用。

(2)线路L2出口处发生单相接地短路，在1.6S是切除故障，仿真时附加PSS，仿真结果见图2所示；将此仿真效果与(1)中的1.3S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。

图7 1.6S未加PSS时仿真图
结论分析：未投入PSS时，系统发生故障时暂时失去稳定性，相比图5，1.6S后系统达到稳定状态需要时间更长，而且造成的波动较大，稳定性更差一些，震荡持续时间较长，由于进一步对参数进行了设置，所示的稳态波形更加平稳。

图8 1.6S加有PSS时仿真图
结论分析：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。

(3)线路L2出口处发生三相接地短路，1.3S时切除故障，仿真时不加PSS，对自适应单相重合闸的效果进行分析，3.3S时重合L2故障相(A相)，仿真结果见图9。

图9三相接地短路时仿真图
结论分析：由于三相接地短路，系统脱离暂态稳定状态，随着时间增加相电流会在短时间内迅速增加，此时系统崩溃。

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，并采用略去直流分量和其他复杂滤波分量的Phasors法，可显著地加快仿真速度。

由可知，对于单相接地短路这样故障形式，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，系统稳定性较差。

在系统附加PSS的前提下。

对比图8的慢切除故障和图6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。

电力系统稳定器PSS模块的输入信号即可采用发电机加速功率的Pa=Pm-Pe(p.u),也可以采用转子角速度变化量dω(p.u),本仿真采用后一种。

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。

同时采用自动重合闸也是提高系统暂态稳定性的一个有效经济地方法，本次稳态故障仿真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，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，则重合进行闭锁；若为瞬时性故障，则重合进行。

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以提高供电的可靠性和暂态稳定性。

5设计总结
本论文通过对电力系统暂态稳定性研究领域故障判断分析，以MATLAB/Simulink
为电力系统仿真应用平台，基于MATLAB语言的电力系统工具箱，非常方便地搭建了电力系统各种模型，并且将这些模型保存起来，最终建立了较复杂的系统仿真模型。

运用小波变换对故障信号进行特征提取，完成了对故障检测点的实时分析和研究，对电力系统运行中易出现的故障问题进行调试和分析，通过仿真运算验证了方法的正确和可行性，总之，利用MATLAB强大的计算功能和编程技术，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。

MATLAB集直观性、技巧性和操作的简易性于一身，是一款较优秀的电力系统仿真软件，同时MATLAB提供丰富的Help文档，有利于使用者进行学习。

本次仿真以单机—无穷大系统或两极系统为对象进行仿真。

分析了运行故障对稳态的干扰，对实际电力系统暂态稳定具有参考价值，仿真实践表明，MATLAB是电力系统机电暂态稳定分析的有力工具。

本次电力系统仿真主要有以下优点：
1）部署成本低，建模效率高，能有效地降低试验风险，并且最大限度的保留了仿真的完整度，通过优化的算法，达到了很高的精度，并且为更加复杂的电力系统提供了研究参考。

2）易用性强，界面友好，操作使用非常方便。

可以任意增加相关模块，并且可以定制模块元件或代码，交互式应用最大限度的快速评估不同算法，进行参数优化。

参考文献
[1]王晶，翁国庆.张有兵.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M].西安电子科技大学出版社，2008.
[2]李国勇，谢克明.杨丽娟.计算机仿真技术与CAD[M]—基于MATLAB的控制系统（第二版）.电子工业出版社，2008.
[3]李颖.Simulink动态系统建模与仿真[J]（第二版）.西安电子科技大学出版社，2009.
[4]于贵江.基于小波分析的故障信号检测[J].哈尔滨理工大学学报，2003.
[5]任震.黄雯莹.石志强.小波变换及其在电力系统中的应用[M]，电力系统自动化，1997.
[6]吴军基，吴秋伟，杨伟.电力系统故障时刻提取的小波分析[J]，继电器学报，2000.。