第9章电力系统的MATLAB建模与仿真-

第9章

电力系统的MATLAB/SIMULINK建模与仿真9.1电力系统常用仿真软件简介目前常用的电力系统的仿真软件有：（1）邦纳维尔电力局(Bonnevi11ePowerAdministration,BPA)开发的BPA程序和EMTP(ElectromagneticTransientsProgram)程序；（2）曼尼托巴高压直流输电研究中心(ManitobaHVDCResearchCenter)开发的PSCAD/EMTDC(PowerSystemComputerAidedDesign/ElectromagneticTransientsProgramincludingDirectCurrent)程序；（3）德国西门子公司研制的电力系统仿真软件：NETOMAC(NetworkTorsionMachineControl)；（4）中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序PSASP(PowerSystemAnalysisSoftwarePackage)；

（5）MathWorks公司开发的科学与工程计算软件MATLAB(MatrixLaboratory，矩阵实验室)。MATLAB的特点MATLAB的特点可概括为以下七点：(1)提供了便利的开发环境。(2)提供了强大的数学应用功能。(3)编程语言简易高效。(4)图形功能强大。(5)提供了功能强大的工具箱。(6)应用程序接口功能强大。(7)和其他高级程序相比，MATLAB程序的执行速度较慢。9.2MATLAB/SIMULINK的特点9.2MATLAB/SIMULINK的特点SIMULINK的特点SIMULINK具有如下特点：(1)建立动态系统的模型并进行仿真。(2)以直观的方式建模。(3)增添定制模块元件和用户代码。(4)快速、准确地进行设计模拟。(5)分层次地表达复杂系统。(6)交互式的仿真分析。9.2MATLAB/SIMULINK的特点SimPowerSystems库的特点（1）使用标准电气符号进行电力系统的拓扑图形建模和仿真。（2）标准的AC和DC电机模型模块、变压糖、输电线路、信号和脉冲发生辑、HVDC控制、IGBT模块和大量设备模型。（3）使用SIMULINK强有力的变步长积分器和零点穿越检测功能，给出高度精确的电力系统仿真计算结果。（4）利用定步长梯形积分算法进行离散仿真计算，为快速仿真和实时仿真提供模型离散化方法。（5）利用

Powergui交互式工具模块可以修改模型的初始状态，从任何起始条件开始进行仿真分析，例如计算电路的状态空间表达、计算电流和电压的稳态解、设定或恢复初始电流电压状态、电力系统的潮流计算等。（6）提供了扩展的电力系统设备模块，如电力机械、功率电子元件、控制测量模块和三相元器件。（7）提供大量功能演示模型，可直接运行仿真或进行案例学习。

9.3电力系统主要元件等效模型9.3.1简化同步电机模块SimPowerSystems库中有两种简化同步电机模块：标幺制单位（p.u.）下的简化同步电机模块和国际单位制（SI）下的简化同步电机模块。9.3.2同步电机模块9.3电力系统主要元件等效模型SimPowerSystems库中提供了三种同步电机模块，用于对三相隐极和凸极同步电机进行动态建模，其图标如图10-6所示。图10-6(a)为标幺制（p.u.）下的基本同步电机模块，图10-6(b)为标么制(p.u.)下的标准同步电机模块，图10-6(c)为国际单位制(SI)下的基本同步电机模块。9.3.3电力变压器模型9.3电力系统主要元件等效模型1．双绕组三相变压器模块SimPowerSystems库中提供的双绕组三相变压器模块可以对线性或铁芯变压器进行仿真，图标如图9-8所示。图9-8双绕组三相变压器模块图标9.3电力系统主要元件等效模型SimPowerSystems库提供的三相三绕组变压器模块图标如图9-11所示。图9-11三相三绕组变压器模块图标2．互感线圈SimPowerSystems库中提供的互感线圈模块图标如图9-12(a)所示。如果不设第三个线圈的自感，则模块成为两个有互感的线圈，模块图标变为图9-12(b)所示。9.3电力系统主要元件等效模型3.其他除了三相双绕组和三绕组变压器外。SimPowerSystems库中还提供了其它一些变压器模块，如图9-14所示。这些模块包括“单相线性变压器”(LinearTransformer)、“单相饱和变压器”(SaturableTransformer)、“三相6端口变压器”(Three-PhaseTransformer12Terminals)、“移相变压器”(ZigzagPhase-ShiftingTransformer)。图9-14其他变压器模块图标9.3电力系统主要元件等效模型9.3.4输电线路等效模型1．RLC串联支路模型9.3电力系统主要元件等效模型2．PI型等效电路模块9.3电力系统主要元件等效模型3．分布参数线路模块9.3电力系统主要元件等效模型1．静态负荷模块9.3.5负荷模型9.3电力系统主要元件等效模型2．三相动态负荷模块

三相动态负荷模块有3个电气连接端子，1个输出端子。3个电气连接端子(A，B，C)分别与外电路的三相相连。如果该模块的功率受外部信号控制，该模块上还将出现第4个输入端子，用于外部控制有功和无功功率。输出端子（m）输出3个内部信号，分别是正序电压V（单位：p.u.）、有功功率P（单位：W）和无功功率Q（单位：Var）。9.3电力系统主要元件等效模型3．异步电动机模块9.3电力系统主要元件等效模型异步电动机模块分为标幺制(p.u.)下和国际单位制(SI)下的两种模块。图9-27异步电动机模块的图标（a）标幺值；（b）国际单位制9.3电力系统主要元件等效模型4．直流电动机模块SimPowerSystems库中直流电机模块的图标如图9-29。图9-29直流电机模块图标9.4Powergui模块Powergui模块为电力系统稳态与暂态仿真提供了有用的图形用户分析界面。通过Powergui模块，可以对系统进行可变步长连续系统仿真、定步长离散系统仿真和相量法仿真，并实现以下功能：（1）显示测量电压、测量电流和所有状态变量的稳态值；（2）改变仿真初始状态；（3）进行潮流计算并对包含三相电机的电路进行初始化设置；（4）显示阻抗的依频特性图；（5）显示FFT分析结果；（6）生成状态—空间模型并打开“线性时不变系统”(LTI)时域和频域的视窗界面；（7）生成报表，该报表中包含测量模块、电源、非线性模块和电路状态变量的稳态值，并以后缀名.rep保存；（8）设计饱和变压器模块的磁滞特性。

9.4.1主窗口功能简介

MATLAB提供的Powergui模块在SimPowerSystems库中，图标如图9-31所示。

图9-31powergui模块图标图9-32Powergui模块主窗口9.4Powergui模块9.4.2稳态电压电流分析窗口9.4Powergui模块9.4.3初始状态设置窗口图9-34“初始状态设置”窗口9.4.4潮流计算和电机初始化窗口9.4.5LTI视窗9.4.6阻抗依频特性测量窗口9.4.7FFT分析窗口9.4.8报表生成窗口9.4.9磁滞特性设计工具窗口9.4.10计算RLC线路参数窗口9.5.1连续系统仿真9.5电力系统稳态仿真9.5电力系统稳态仿真（2）Powergui仿真由图9-45可见，PI形电路左侧的电压相量为244.88∠0.19kV，PI形电路右侧的电压相量为166.41∠3.66

kV，PI形电路上的电流为529.21∠-86.12

A。负荷侧电流为610.17∠-86.15

A。9.5.2离散系统仿真9.5电力系统稳态仿真（2）参数设置。双击例9.2模型文件中PI形电路模块，打开参数对话框，将分段数设为10，如图9-48所示。图9-48例9.2的PI形电路参数对话框9.5电力系统稳态仿真（3）仿真运行时间比较。为了得到仿真运行时间，在MATLAB命令窗口输入如下命令：tic；sim（gcs）；toc

仿真结束后，仿真所用的时间将以秒为单位显示在MATLAB命令窗口中，如图9-51所示。(4)仿真精度比较。9.5电力系统稳态仿真9.5.3相量法仿真

相量是代表特定频率下的正弦电压和电流的复数，可以用直角坐标或者极坐标表示。

相量法是电力系统正弦稳态分析的主要手段。它只关心系统中电压电流的相角和幅值，不需要求解电力系统状态方程，不需要特殊的算法，因此计算速度快得多。必须清楚的是，相量法给出的解是在特定频率下的解。

例9.3用相量法分析例9.2。9.5电力系统稳态仿真9.6.1断路器模块SimPowerSystems库提供的断路器模块可以对开关的投切进行仿真。1.单相断路器模块外部控制方式、带缓冲电路和不带缓冲电路的单相断路器模块图标如图9-58所示。图9-58单相断路器模块图标9.6电力系统电磁暂态仿真2.三相断路器模块外部控制方式、带缓冲电路和不带缓冲电路的三相断路器模块图标如图9-60所示。图9-60三相断路器模块图标3.三相故障模块图9-63三相故障模块图标9.6电力系统电磁暂态仿真9.6.2暂态仿真分析例9.4线电压为300kV的电压源经过一个断路器和300km的输电线路向负荷供电。搭建电路对该系统的高频振荡进行仿真，观察不同输电线路模型和仿真类型的精度差别。解:(1)按图9-65搭建仿真单相电路图，选用的各模块的名称及提取路径。（2）设置模块参数和仿真参数。并联RLC模块Z

eq的参数设置如图9-66所示。断路器模块Breaker的参数设置如图9-67所示。其余元件参数与例9.2相同，仿真参数的设置也与例9.2相同。仿真结束时间取为0.02s。9.6电力系统电磁暂态仿真9.6电力系统电磁暂态仿真（3）不同输电线路模型下的仿真。按例9.2的方法，设置线路为l段PI形电路、10段H形电路和分布参数线路，把仿真得到的V2处电压分别保存在变量V21、V210和V2d中，并画出对应的波形如图9-68所示。

由图9-68可见，断路器在0.005s合闸时，系统中产生了高频振荡。其中由1段PI形电路模块构成的系统未反映高于206Hz的振荡，由10段PI形电路模块构成的系统较好地反映了这种高频振荡，分布参数线路由于波传导过程在断路器合闸后存在1.03ms的时间延迟。9.6电力系统电磁暂态仿真9.6电力系统电磁暂态仿真9.7电力系统机电暂态仿真

精确地确定所有电磁参数和机械运动参数在暂态过程中的变化是困难的，对于解决一般的工程实际问题往往也是不必要的。通常，暂态稳定性分析计算的目的在于确定系统在给定的大扰动下发电机能否继续保持同步运行。因此，只需研究表征发电机是否同步的转子运动特性，即功角δ随时间变化特性便可以了。这就是通常说的机电暂态过程，即稳定性问题。

本节将对一个含两台水轮发电机组的输电系统进行暂态稳定性的仿真演示。为提高系统的暂态稳定性和阻尼振荡的能力，该系统中配置了静止无功补偿（SVC)以及电力系统稳定器（PSS)。图9-70电力系统暂态稳定性分析的仿真系统图9.7电力系统机电暂态仿真9.7.1输电系统的描述图9-70是一个简单的500kV输电系统图。图中，一个1000MVA的水轮发电厂(Ml)通过500kV、700km输电线路与5000MW的负荷中心相连，另一容量为5000MVA的本地发电厂(M2