【《基于MATLAB-Simulink的简单电力系统暂态稳定性仿真分析案例》5000字】

、功角特性曲线和求极限切除角：由上面各种运行情况下功角特性方程可以作如下功角特性曲线，其中。 根据等面积法则，计算不同故障时的极限切除角：两相短路接地时：三相短路时：求解两相短路接地故障后的发电机转速和功角初始值[16,24]：第一段时间：第二段时间：求解三相短路故障后的发电机转速和功角初始值：第一段时间：第二段时间：龙格库塔法求解转子运动方程[25]：调用程序：%发电机转子摇摆曲线的M函数function[Yd]power_tra(t,YY)%t是自变量%YY是列向量globaly0TjPtEUX1%函数中定义的全局变量传递参数%发电机转子摇摆曲线的微分方程Yd[(YY(2)-1)*y0;(Pt-(E*U/X1)*sin(YY(1)))/Tj];发电机转子转子摇摆曲线微分方程的程序%求发电机转子摇摆曲线的微分方程%主程序中定义全局变量传递参数End主程序：%functionYdpower_tra(t,YY)

%globaly0TjPtEUX1%Yd[(YY(2)-1)*y0;(Pt-(E*U/X1)*sin(YY(1)))/Tj];%主程序中定义的全局变量传递参数globaly0TjPtEUX1y02*pi*50;Tj11.28;Pt1;E1.44;U1;%系统转移电抗X12.860;%故障时%在指定时间区内求解微分方程tspan[00.4];%设置初值向量y11[32.08*pi/180;1];%故障时%微分方程求解[t,YY]ode45('power_tra',tspan,y11);%求解结果xYY(:,1);yYY(:,2);%获得曲线plot(t,x*180/pi);xlabel('t/s');ylabel('delta/deg');gridon1.2电力系统暂态仿真总电路图1.1.7单机无穷大系统暂态仿真示意图1.3单元子模块选用与参数配置1.3.1电机及其相关控制模块选用与配置电力系统暂态过程中常采用标幺值进行运算，模块选用遵循MATLAB电力建模相关要求[21,25]，故本课题模型中发电机选用标幺制p.u.标准同步电机模块，其有2个输入、1个输出、3个电气端子，如图1.8所示：图1.8同步电机模块：发电机机械功率端子，其值大于零时工作在发电机状态，其值小于零时工作在电动机状态，本模型中该信号由水轮机控制模块输入；：在励磁电压输入端子，发电机状态下由励磁模块输入；A、B、C端子输出发电机定子电压；输出m端子为电机内部信号，本设计所用有如下三项：转子角速度<Rotorspeedwm(pu)>；输出转子角偏移量<Rotorangledeviationd_theta(rad)>；输出有功功率<OutputactivepowerPeo(pu)>。双击同步发电机模块可对该模型中同步电机进行参数设置，按照工程实例中的参数设置电压和暂态参数后保持其他栏目参数默认，这里发电机的节点类型设置P&V节点，具体参数设置对话框如图1.9所示：图1.9同步电机模块参数设置对话框本模型中同步电机如图1.10所示，端由水轮机和控制器模块作为机械功率输入，同步电机端由励磁系统模块作为励磁调节输入，如图1.11所示：图1.10水轮机和控制器模块图1.11励磁系统模块1.3.2变压器模块选用与配置本设计考虑工况实际，选用三相双绕组变压器【Three-PhaseTransformer(TwoWindings)】模块，如图1.12所示，可根据具体工程需要设置变压器的一、二次绕组连接组别。图1.12三相双绕组变压器模块对于变压器一、二次绕组的连接组别共有五种，Y型连接有三种方式，分别为Y、Yn（中性线可显示）、Yg（绕组内部已接地）；△型连接共有两种方式，D11、D1；在实际使用中D11接线方式更为普遍，且靠近发电机的升压变压器一次侧绕组，常采用这种接线方式。该实例模型中设有升降压变压器，理论分析中两个变压器都采用了△、Y的接线方式，但是在仿真实际中经过测试，较为合适的绕组接线宜采用升压变压器△（D11）/Yg，降压变压器Yg/D11这种接线形式。参数设置时主要添加绕组类型，设置一、二次侧电压值，其余参数采取默认数值即可，具体参数设置页面如图1.13-1.14所示：图1.13变压器T-1参数设置对话框图1.14变压器T-2参数设置对话框1.3.3输电线路模块选用与配置电力系统中根据输电线路的长度可将输电线路划分为三种：长电力线路、中等电力线路和短电力线路。在仿真建模时依据输电线路长度选择线路模块。Simulink电力子库经常使用RLC串联支路模块（长度不大于100km的架空线路、电压不高的短线路）。PI型等效电路（线路长度100km以上且不考虑电容效果的架空线路、长电缆线）。分布参数线路（准确分析和使用波传播过程时用）。本例中设定了250km的一回输电线路首端发生故障，所研究的暂态稳定性只需要对暂态过程的状态量变化所引起的发电机相关参数和波形进行分析就可以初步判断，不再对系统中开关和保护装置瞬时动作的高频暂态分量进行研究所以使用分布参数线路。PI型等效电路模块如图1.15所示：图1.15PI型等效电路模块采用PI型等效电路只需要将线路故障相关序分量电抗值根据实例设置即可，双回线路设置完全相同，采用集成封装PI型模块不需要再考虑建模时线路对地的导纳。在实际仿真中因为要模拟输电线路参数改变对于电力系统故障时稳定性的影响可采用控制变量法，以两相短路接地和三相短路故障为例，分别增大和减小线路的长度，仿真发电机的转速随时间的变化情况，判断线路参数对于电力系统暂态稳定性的影响，具体参数设置页面如图1.16所示：图1.16PI型等效电路参数设置对话框1.3.4三相故障断路器模块选用与配置本例仿真简单电力系统发生两相短路接地、三相短路故障，三相故障断路器内部封装的三个独立断路器模块可以通过勾选不同相的断路器使其工作，实现相-相、相-地故障的模拟，三相故障断路器如图1.17所示：图1.17三相故障断路器模块参数设置时勾选其中一相复选框表示断路器该相允许动作，在设置故障电阻时不可为零值，本仿真中在0.1s在一回线路首端施加故障，以AB两相接地短路为例参数设置对话框如图1.18所示：图1.18三相故障断路器模块参数设置对话框1.3.5三相并联RLC负荷模块选用与配置三相并联RLC负荷模块如图1.19所示，其中由电感、电阻和电容三部分串联，可以根据实际需要设置参数，改变并联关系可得到理想的负荷类型，具体参数设置对话框如图1.20所示：图1.19三相并联RLC负荷模块图1.20三相并联RLC负荷模块参数设置对话框1.3.6三相断路器模块选用与配置当电力系统发生故障时，预先安装的继电器保护装置将立即启动，配套的断路器必须同时跳开故障发生点两侧的线路并引起隔离故障，这样才能保证其他线路的正常运行。三相断路器模块如图1.21所示，该模块也是本例仿真不同切除时间的设置单元。图1.21三相断路器模块正常状态下断路器为闭合状态，发生故障时跳开隔离故障线路，所在参数设置时需要勾选Initialstatus选项为OFF状态，断路器的动作时间设置0.2s（故障发生后0.1s）及时切除故障和0.65s（故障发生后0.55s）切除故障过晚两种情况，具体参数设置如图1.22所示：图1.22三相断路器模块参数设置对话框1.3.7无穷大系统模块选用与配置图1.23无穷大电源模块本例无穷大系统如图1.23所示，三相电源模块内部有串联的RL支路，三相电压交汇的中性点采用Yg型（中性点直接接地）连接方式。该模块参数设定电压115kV,由于电力系统必须有平衡节点，同步电机模块已设置为P&V节点，故平衡节点设在此处。短路时主要设置三相电源的电阻和电感值，原始数据没有注明无穷大系统其他参数，一律采用默认值即可，具体参数设置如图1.24所示：图1.24无穷大系统模块参数设置对话框1.3.8Powergui配置与电机初始化Powergui模块是MATLAB中非常重要的电力系统图形分析界面，如图1.25所示,Powergui利用Simulink平台将各电器元件进行组合连接，常用于电力系统潮流计算或者暂态和稳态仿真中，此模块在暂态分析中主要应用于对同步发电机的初始化，其中可以改变仿真类型：连续系统仿真、离散系统仿真、相量法仿真。暂态稳定性仿真采用离散系统仿真，仿真时间设置0~5s，采样长度设定为10-5s，其余参数系统默认即可如图1.26所示：图1.25Powergui模块图1.26Powergui模块参数设置对话框本设计环节中较为重要的就是利用Powergui模块对同步发电机进行初始化，在电机模块更改参数和在该模块更新应该保持一致性，发电机模块与Powergui模块往往对应使用，所以对电机参数设置之后，必须在Powergui模块按照对话框按照【Tools>MachineInitialization】指令提示进入电机初始化界面如图1.27所示，每进行一次参数修改即需进行一次电机初始化，保证运行过程中的准确性。图1.27电机初始化参数设置对话框此对话框中设置发电机节点为P&V节点，发电机出线端母线的机端电压设置为10.5kV，输出功率设置为标准300MW，此处如果设置输出有功功率较小时，会影响仿真波形和分析结果，其他参数默认。点击【Update】更新数据后需要进行【ComputeandApply】应用方可完成初始化操作，该界面可以观察到更改参数后电机模块的各个电气量。1.3.9示波器观测单元应用设置如图1.28所示为三输入示波器模块，本仿真波形结果通过总线信号选择与示波器输入端建立联系，可以在同一界面显示不同信号在同一观测时间内的变化情况，有利于综合对比分析。图1.28三输入示波器调试示波器波形显示界面如图1.29-1.30所示，在工具栏可以依据所需观测范围进行参数设置，包括背景颜色、字体字号等。每一次仿真后需要对示波器波形进行调试，保证波形位于可视位置并且可以根据需要通过输出波形图片工具栏选项，选择游标对应横纵坐标的观测点数据。图1.29示波器波形显示界面图1.30示波器设置界面上述仿真模型中各模块提取路径如表1.1所示：表1.1模块提取路径模块名提取路径P.U标准同步电机SynchronousMachinepuStandardSimscape/PowerSystems/SpecializedTechnology水轮机和控制器HydraulicTurbineandGovernorPowerlib/Machines为交流同步机提供励磁控制ExcitationSystemSimscape/PowerSystems/SpecializedTechnology/FundamentalBlocks/Machines三相双绕组变压器Three-PhaseTransformer(TwoWindings)Simscape/PowerSystems/SpecializedTechnology/FundamentalBlocks/Elements三相PI型电路3-PhasePISectionLineSimscape/PowerSystems/SpecializedTechnology/FundamentalBlocks/Elements三相故障断路器3-PhaseFaultSimscape/PowerSystems/SpecializedTechnology/FundamentalBlocks/Elements三相并联RLC负荷3-PhaseParallelRLCLoadSimscape/PowerSystems/SpecializedTechnology/FundamentalBlocks/Elements无穷大系统InfiniteSystemSimscape/PowerSystems/ElementsSources电力系统图形用户界面PowerguiSimscape/PowerSystems/FundamentalBlocks示波器ScopeSimulink/Sinks1.4仿真调试问题说明上文中图1.7所示仿真电路模型在完成了基本的参数设置后进入仿真环节，由于MATLAB软件一会发布两个版本，较早版本的软件和新版本下的仿真在一些调试问题上会有差异，现就本设计中出现的问题及解决措施挪列如下并加以说明：=1\*GB3①旧版本MATLAB中Powergui模块需要通过workspace与发电机建立联系，保证其对应单元的配合使用。否则无法通过示波器显示仿真波形。在新版本MATLAB中Powergui模块可以直接拖曳到目标文件工作区域进行设置工作，不需要对其进行手动操作设置即可进行配合仿真。=2\*GB3②仿真时间设置5s，主要观察在故障时刻以及故障切除后一段时间的波形变化，重点在于通过发电机转速随时间变化的波形趋势判断系统暂态稳定性无需进行长时间的仿真设置。=3\*GB3③发电机与励磁控制部分如图1.31所示，所选原动机为水轮机控制模块，为了更加真实还原