電力系統(tǒng)的MATLAB_SIMULINK仿真與應(yīng)用6.ppt

第6章電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)仿真,6.1Powergui模塊6.2電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真6.3電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真6.4電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真習(xí)題,6.1Powergui模塊Powergui模塊為電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)仿真提供了有用的圖形用戶分析界面。通過(guò)Powergui模塊，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可變步長(zhǎng)連續(xù)系統(tǒng)仿真、定步長(zhǎng)離散系統(tǒng)仿真和相量法仿真，并實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)顯示測(cè)量電壓、測(cè)量電流和所有狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值；(2)改變仿真初始狀態(tài)；(3)進(jìn)行潮流計(jì)算并對(duì)包含三相電機(jī)的電路進(jìn)行初始化設(shè)置；(4)顯示阻抗的依頻特性圖；,(5)顯示FFT分析結(jié)果；(6)生成狀態(tài)空間模型并打開(kāi)“線性時(shí)不變系統(tǒng)”(LTI)時(shí)域和頻域的視窗界面；(7)生成報(bào)表，該報(bào)表中包含測(cè)量模塊、電源、非線性模塊和電路狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值，并以后綴名.rep保存；(8)設(shè)計(jì)飽和變壓器模塊的磁滯特性。6.1.1主窗口功能簡(jiǎn)介MATLAB提供的Powergui模塊在SimPowerSystems庫(kù)中，圖標(biāo)如圖6-1所示。,圖6-1Powergui模塊圖標(biāo),雙擊Powergui模塊圖標(biāo)將彈出該模塊的主窗口，如圖6-2所示。該主窗口包含“仿真類型”(SimulationType)和“分析工具”(AnalysisTools)兩塊內(nèi)容，簡(jiǎn)介如下。1.仿真類型1)“相量法仿真”(Phasorsimulation)單選框點(diǎn)擊該單選框后，在該單選框下方的“頻率”(Frequency)文本框中輸入指定的頻率，進(jìn)行相量法分析。若未選中該單選框，“頻率”文本框顯示為灰色。,圖6-2Powergui模塊主窗口,2)“離散系統(tǒng)仿真”(Discretizeelectricalmodel)單選框點(diǎn)擊該單選框后，在“采樣時(shí)間”(Sampletime)文本框中輸入指定的采樣時(shí)間(Ts0)，按指定的步長(zhǎng)對(duì)離散化系統(tǒng)進(jìn)行分析。若采樣時(shí)間等于0，表示不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，采用連續(xù)算法分析系統(tǒng)。若未選中該單選框，“采樣時(shí)間”文本框顯示為灰色。3)“連續(xù)系統(tǒng)仿真”(Continuous)單選框點(diǎn)擊該單選框后，采用連續(xù)算法分析系統(tǒng)。4)“顯示分析信息”(Showmessageduringanalysis)復(fù)選框選中該復(fù)選框后，命令窗口中將顯示系統(tǒng)仿真過(guò)程中的相關(guān)信息。,2.分析工具1)“穩(wěn)態(tài)電壓電流分析”(Steady-StateVoltagesandCurrents)按鍵打開(kāi)穩(wěn)態(tài)電壓電流分析窗口，顯示模型文件的穩(wěn)態(tài)電壓和電流。2)“初始狀態(tài)設(shè)置”(InitialStatesSetting)按鍵打開(kāi)初始狀態(tài)設(shè)置窗口，顯示初始狀態(tài)，并允許對(duì)模型的初始電壓和電流進(jìn)行更改。3)“潮流計(jì)算和電機(jī)初始化”(LoadFlowandMachineInitialization)按鍵打開(kāi)潮流計(jì)算和電機(jī)初始化窗口。,4)“LTI視窗”(UseLTIViewer)按鍵打開(kāi)窗口，使用“控制系統(tǒng)工具箱”(ControlSystemToolbox)的LTI視窗。5)“阻抗依頻特性測(cè)量”(Impedancevs.FrequencyMeasurement)按鍵打開(kāi)窗口，如果模型文件中含阻抗測(cè)量模塊，該窗口中將顯示阻抗依頻特性圖。6)“FFT分析”(FFTAnalysis)按鍵打開(kāi)FFT分析窗口。7)“報(bào)表生成”(GenerateReport)按鍵打開(kāi)窗口，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)計(jì)算的報(bào)表。,8)“磁滯特性設(shè)計(jì)工具”(HysteresisDesignTool)按鍵打開(kāi)窗口，對(duì)飽和變壓器模塊和三相變壓器模塊的鐵芯進(jìn)行磁滯特性設(shè)計(jì)。9)“計(jì)算RLC線路參數(shù)”(ComputeRLCLineParameters)按鍵打開(kāi)窗口，通過(guò)導(dǎo)線型號(hào)和桿塔結(jié)構(gòu)計(jì)算架空輸電線的RLC參數(shù)。6.1.2穩(wěn)態(tài)電壓電流分析窗口打開(kāi)“穩(wěn)態(tài)電壓電流分析”窗口如圖6-3所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：,圖6-3“穩(wěn)態(tài)電壓電流分析”窗口,(1)“穩(wěn)態(tài)值”(Steadystatevalue)列表框：顯示模型文件中指定的電壓、電流穩(wěn)態(tài)值。(2)“單位”(Units)下拉框：選擇將顯示的電壓、電流值是“峰值”(Peak)還是“有效值”(RMS)。(3)“頻率”(Frequency)下拉框：選擇將顯示的電壓、電流相量的頻率。該下拉框中列出模型文件中電源的所有頻率。(4)“狀態(tài)”(States)復(fù)選框：顯示穩(wěn)態(tài)下電容電壓和電感電流的相量值。默認(rèn)狀態(tài)為不選。(5)“測(cè)量”(Measurements)復(fù)選框：顯示穩(wěn)態(tài)下測(cè)量模塊測(cè)量到的電壓、電流相量值。默認(rèn)狀態(tài)為選中。,(6)“電源”(Sources)復(fù)選框：顯示穩(wěn)態(tài)下電源的電壓、電流相量值。默認(rèn)狀態(tài)為不選。(7)“非線性元件”(Nonlinearelements)復(fù)選框：顯示穩(wěn)態(tài)下非線性元件的電壓、電流相量值。默認(rèn)狀態(tài)為不選。(8)“格式”(Format)下拉框：在下拉列表框中選擇要觀測(cè)的電壓和電流的格式?！案↑c(diǎn)格式”(floatingpoint)以科學(xué)計(jì)數(shù)法顯示5位有效數(shù)字；“最優(yōu)格式”(bestof)顯示4位有效數(shù)字并且在數(shù)值大于9999時(shí)以科學(xué)計(jì)數(shù)法表示；最后一個(gè)格式直接顯示數(shù)值大小，小數(shù)點(diǎn)后保留2位數(shù)字。默認(rèn)格式為“浮點(diǎn)格式”。(9)“更新穩(wěn)態(tài)值”(UpdateSteadyStateValues)按鍵：重新計(jì)算并顯示穩(wěn)態(tài)電壓、電流值。,6.1.3初始狀態(tài)設(shè)置窗口仿真時(shí)，常常希望仿真開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，或者仿真開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)處于某種初始狀態(tài)，這時(shí)，就可以使用“初始狀態(tài)設(shè)置”按鍵。打開(kāi)“初始狀態(tài)設(shè)置”窗口如圖6-4所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：(1)“初始狀態(tài)”(Initialstatevaluesforsimulation)列表框：顯示模型文件中狀態(tài)變量的名稱和初始值。(2)“設(shè)置到指定狀態(tài)”(Setselectedstate)文本框：對(duì)“初始狀態(tài)”列表框中選中的狀態(tài)變量進(jìn)行初始值設(shè)置。(3)“設(shè)置所有狀態(tài)量”(ResetallStates)：選擇從“穩(wěn)態(tài)”(ToSteadyState)或者“零初始狀態(tài)”(ToZero)開(kāi)始仿真。,(4)“加載狀態(tài)”(ReloadStates)：選擇從“指定的文件”(FromFile)中加載初始狀態(tài)或直接以“當(dāng)前值”(FromDiagram)作為初始狀態(tài)開(kāi)始仿真。,圖6-4“初始狀態(tài)設(shè)置”窗口,(5)“應(yīng)用”(Apply)按鍵：用設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行仿真。(6)“返回”(Revert)按鍵：返回到“初始狀態(tài)設(shè)置”窗口打開(kāi)時(shí)的原始狀態(tài)。(7)“保存初始狀態(tài)”(SaveInitialStates)按鍵：將初始狀態(tài)保存到指定的文件中。(8)“格式”(Format)下拉框：選擇觀測(cè)的電壓和電流的格式。格式類型見(jiàn)6.1.2節(jié)。默認(rèn)格式為“浮點(diǎn)格式”。(9)“分類”(Sortvaluesby)下拉框：選擇初始狀態(tài)值的顯示順序。“默認(rèn)順序”(Defaultorder)是按模塊在電路中的順序顯示初始值；“狀態(tài)序號(hào)”(Statenumber)是按狀態(tài)空間模型中狀態(tài)變量的序號(hào)來(lái)顯示初始值；“類型”(Type)是按電容和電感來(lái)分類顯示初始值。默認(rèn)格式為“默認(rèn)順序”。,6.1.4潮流計(jì)算和電機(jī)初始化窗口打開(kāi)“潮流計(jì)算和電機(jī)初始化”窗口如圖6-5所示。該窗口中含有以下內(nèi)容：(1)“電機(jī)潮流分布”(Machinesloadflow)列表框：顯示“電機(jī)”(Machines)列表框中選中電機(jī)的潮流分布。(2)“電機(jī)”(Machines)列表框：顯示簡(jiǎn)化同步電機(jī)、同步電機(jī)、非同步電機(jī)和三相動(dòng)態(tài)負(fù)荷模塊的名稱。選中該列表框中的電機(jī)或負(fù)荷后，才能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。,圖6-5潮流計(jì)算和電機(jī)初始化窗口,(3)“節(jié)點(diǎn)類型”(Bustype)下拉框：選擇節(jié)點(diǎn)類型。對(duì)于“PV節(jié)點(diǎn)”(Psim(gcs);toc仿真結(jié)束后，仿真所用的時(shí)間將以秒為單位顯示在MATLAB命令窗口中，如圖6-26所示。,可見(jiàn)，離散化系統(tǒng)后，仿真運(yùn)行時(shí)間為0.188s。將離散系統(tǒng)的采樣時(shí)間設(shè)為0并回到連續(xù)系統(tǒng)的仿真狀態(tài)，仿真算法改為連續(xù)積分算法ode23tb，可以得到連續(xù)系統(tǒng)仿真需要的運(yùn)行時(shí)間為0.219s。因此，離散積分算法比連續(xù)積分算法更快。(4)仿真精度比較。為了比較兩種方法的精確度，執(zhí)行以下三種仿真：連續(xù)系統(tǒng)仿真，Ts=0s；離散系統(tǒng)仿真，Ts=25s；離散系統(tǒng)仿真，Ts=50s。,如圖6-27所示，雙擊并打開(kāi)V2示波器模塊，選擇“參數(shù)”(Parameters)項(xiàng)，在打開(kāi)的窗口中選擇“數(shù)據(jù)歷史”(Datahistory)，去掉“僅保留最新的數(shù)據(jù)點(diǎn)”(Limitdatapointstolast)復(fù)選框，這樣可以觀察到整個(gè)仿真過(guò)程中的波形變化。選中“將數(shù)據(jù)保存到工作空間”(Savedatapointstoworkspace)復(fù)選框，將變量名指定為V2，格式為“列”(Array)。,圖6-27例6-4示波器V2的參數(shù)設(shè)置(a)波形；(b)參數(shù)標(biāo)簽頁(yè),開(kāi)始連續(xù)系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)束時(shí)間選為0.02s。仿真結(jié)束后，在MATLAB命令窗口中輸入命令：V2C=V2;這樣，電壓V2被保存在變量V2C中。重新開(kāi)始仿真，將系統(tǒng)離散化，設(shè)置仿真步長(zhǎng)Ts=25s，注意仿真參數(shù)中的步長(zhǎng)設(shè)置也要改為25s，仿真結(jié)束時(shí)間為0.02s。仿真結(jié)束后，將電壓V2保存在變量V2d25中。再次仿真，設(shè)置仿真步長(zhǎng)為Ts=50s。仿真結(jié)束后，將電壓V2保存在變量V2d50中。,在MATLAB命令窗口中輸入如下語(yǔ)句，可畫出三種情況下的電壓波形，如圖6-28所示。plot(V2C(:,1),V2C(:,2),V2d25(:,1),V2d25(:,2),V2d50(:,1),V2d50(:,2),圖6-28三種仿真方法波形比較,使用圖形窗口中的放大功能，將目標(biāo)集中到0.0045s附近觀察三種仿真的差別。如圖6-29所示，25s下的仿真結(jié)果與50s的仿真結(jié)果一致，連續(xù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果除了步長(zhǎng)不同，結(jié)果也相同?？梢?jiàn)，本例中，選擇50s的步長(zhǎng)不但可以提高計(jì)算速度而且不影響仿真的精確度。,圖6-29放大后三種仿真波形比較,6.2.3相量法仿真相量是代表特定頻率下的正弦電壓和電流的復(fù)數(shù)，可以用直角坐標(biāo)或者極坐標(biāo)表示。相量法是電力系統(tǒng)正弦穩(wěn)態(tài)分析的主要手段。它只關(guān)心系統(tǒng)中電壓電流的相角和幅值，不需要求解電力系統(tǒng)狀態(tài)方程，不需要特殊的算法，因此計(jì)算速度快得多。必須清楚的是，相量法給出的解是在特定頻率下的解?！纠?.5】用相量法分析例6.4。解：(1)參數(shù)設(shè)置。打開(kāi)Powergui模塊，選擇“相量法分析”單選框，并在“頻率”對(duì)話框中將頻率改為50Hz。關(guān)閉Powergui模塊，模型文件主窗口中的Powergui模塊圖標(biāo)顯示為“相量法”(Phasors)分析，如圖6-30所示。,圖6-30例6.5的Powergui模塊相量法分析圖標(biāo),圖6-31例6.5的電壓測(cè)量模塊V1,打開(kāi)電壓測(cè)量模塊V1，選擇“幅值相角”(Magnitude-Angle)模式，如圖6-31所示。電壓測(cè)量模塊V2也選擇幅值相角模式。,(2)仿真。開(kāi)始仿真，得到輸電線路送端V1和受端V2的電壓幅值和相角，如圖6-32所示?？梢?jiàn)，V1側(cè)電壓幅值為1p.u.，相角為0.19；V2側(cè)電壓幅值為0.67p.u.，相角為3.66。這和圖6-16穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)論一致。,圖6-32例6.5的仿真結(jié)果(a)V1；(b)V2,6.3電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真SIMULINK的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真過(guò)程通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)設(shè)備，如“斷路器”(circuitbreakers)模塊或者電力電子設(shè)備的開(kāi)斷實(shí)現(xiàn)。6.3.1斷路器模塊SimPowerSystems庫(kù)提供的斷路器模塊可以對(duì)開(kāi)關(guān)的投切進(jìn)行仿真。斷路器合閘后等效于電阻值為Ron的電阻元件。Ron是很小的值，相對(duì)外電路可以忽略。斷路器斷開(kāi)時(shí)等效于無(wú)窮大電阻，熄弧過(guò)程通過(guò)電流過(guò)零時(shí)斷開(kāi)斷路器完成。開(kāi)關(guān)的投切操作可以受外部或內(nèi)部信號(hào)的控制。,外部控制方式時(shí)，斷路器模塊上出現(xiàn)一個(gè)輸入端口，輸入的控制信號(hào)必須為0或者1，其中0表示切斷，1表示投合；內(nèi)部控制方式時(shí)，切斷時(shí)間由模塊對(duì)話框中的參數(shù)指定。如果斷路器初始設(shè)置為1(投合)，SimPowerSystems庫(kù)自動(dòng)將線性電路中的所有狀態(tài)變量和斷路器模塊的電流進(jìn)行初始化設(shè)置，這樣仿真開(kāi)始時(shí)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。斷路器模塊包含Rs-Cs緩沖電路。如果斷路器模塊和純電感電路、電流源和空載電路串聯(lián)，則必須使用緩沖電路。,圖6-33單相斷路器模塊圖標(biāo),帶有斷路器模塊的系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)需要采用剛性積分算法，如ode23tb、odel5s，這樣可以加快仿真速度。1.單相斷路器模塊外部控制方式、帶緩沖電路和不帶緩沖電路的單相斷路器模塊圖標(biāo)如圖6-33所示。,雙擊斷路器模塊，彈出該模塊的參數(shù)對(duì)話框如圖6-34。該對(duì)話框中含有如下參數(shù)：(1)“斷路器電阻”(BreakerresistanceRon)文本框：斷路器投合時(shí)的內(nèi)部電阻(單位：)。斷路器電阻不能為0。(2)“初始狀態(tài)”(Initialstate)文本框：斷路器初始狀態(tài)。斷路器為合閘狀態(tài)，輸入1，對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)顯示投合狀態(tài)；輸入0，表示斷路器為斷開(kāi)狀態(tài)。(3)“緩沖電阻”(SnubberresistanceRs)文本框：并聯(lián)緩沖電路中的電阻值(單位：)。緩沖電阻值設(shè)為inf時(shí)，將取消緩沖電阻。,圖6-34單相斷路器模塊參數(shù)對(duì)話框,(4)“緩沖電容”(SnubbercapacitanceCs)文本框：并聯(lián)緩沖電路中的電容值(單位：F)。緩沖電容值設(shè)為0時(shí)，將取消緩沖電容；緩沖電容值設(shè)為inf時(shí)，緩沖電路為純電阻性電路。(5)“開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間”(Switchingtimes)文本框：采用內(nèi)部控制方式時(shí)，輸入一個(gè)時(shí)間向量以控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間。從開(kāi)關(guān)初始狀態(tài)開(kāi)始，斷路器在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)動(dòng)作一次。例如，初始狀態(tài)為0，在時(shí)間向量的第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，開(kāi)關(guān)投合，第二個(gè)時(shí)間點(diǎn)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)。如果選中外部控制方式，該文本框不可見(jiàn)。,(6)“外部控制”(Externalcontrolofswitchingtimes)復(fù)選框：選中該復(fù)選框，斷路器模塊上將出現(xiàn)一個(gè)外部控制信號(hào)輸入端。開(kāi)關(guān)時(shí)間由外部邏輯信號(hào)(0或1)控制。(7)“測(cè)量參數(shù)”(Measurements)下拉框：對(duì)以下變量進(jìn)行測(cè)量。“無(wú)”(None)：不測(cè)量任何參數(shù)?！皵嗦菲麟妷骸?Branchvoltages)：測(cè)量斷路器電壓。“斷路器電流”(Branchcurrents)：測(cè)量斷路器電流，如果斷路器帶有緩沖電路，測(cè)量的電流僅為流過(guò)斷路器器件的電流。,圖6-35三相斷路器模塊圖標(biāo),“所有變量”(Branchvoltagesandcurrents)：測(cè)量斷路器電壓和電流。選中的測(cè)量變量需要通過(guò)萬(wàn)用表模塊進(jìn)行觀測(cè)。2.三相斷路器模塊外部控制方式、帶緩沖電路和不帶緩沖電路的三相斷路器模塊圖標(biāo)如圖6-35所示。,雙擊三相斷路器模塊，彈出該模塊的參數(shù)對(duì)話框如圖6-36所示。該對(duì)話框中含有以下參數(shù)：(1)“斷路器初始狀態(tài)”(Initialstatusofbreakers)下拉框：斷路器三相的初始狀態(tài)相同，選擇初始狀態(tài)后，圖標(biāo)會(huì)顯示相應(yīng)的切斷或者投合狀態(tài)。(2)“A相開(kāi)關(guān)”(SwitchingofphaseA)復(fù)選框：選中該復(fù)選框后表示允許A相斷路器動(dòng)作，否則A相斷路器將保持初始狀態(tài)。(3)“B相開(kāi)關(guān)”(SwitchingofphaseB)復(fù)選框：選中該復(fù)選框后表示允許B相斷路器動(dòng)作，否則B相斷路器將保持初始狀態(tài)。,圖6-36三相斷路器模塊參數(shù)對(duì)話框,(4)“C相開(kāi)關(guān)”(SwitchingofphaseC)復(fù)選框：選中該復(fù)選框后表示允許C相斷路器動(dòng)作，否則C相斷路器將保持初始狀態(tài)。(5)“切換時(shí)間(Transitiontimes)文本框：采用內(nèi)部控制方式時(shí)，輸入一個(gè)時(shí)間向量以控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間。如果選中外部控制方式，該文本框不可見(jiàn)。(6)“外部控制”(Externalcontrolofswitchingtimes)復(fù)選框：選中該復(fù)選框，斷路器模塊上將出現(xiàn)一個(gè)外部控制信號(hào)輸入口。開(kāi)關(guān)時(shí)間由外部邏輯信號(hào)(0或1)控制。(7)“斷路器電阻”(BreakerresistanceRon)文本框：斷路器投合時(shí)內(nèi)部電阻(單位：W)。斷路器電阻不能為0。,(8)“緩沖電阻”(SnubberresistanceRp)文本框：并聯(lián)的緩沖電路中的電阻值(單位：)。緩沖電阻值設(shè)為inf時(shí)，將取消緩沖電阻。(9)“緩沖電容”(SnubbercapacitanceCp)文本框：并聯(lián)的緩沖電路中的電容值(單位：F)。緩沖電容值設(shè)為0時(shí)，將取消緩沖電容；緩沖電容值設(shè)為inf時(shí)，緩沖電路為純電阻性電路。(10)“測(cè)量參數(shù)”(Measurements)下拉框：對(duì)以下變量進(jìn)行測(cè)量?！盁o(wú)”(None)：不測(cè)量任何參數(shù)。,“斷路器電壓”(Branchvoltages)：測(cè)量斷路器的三相終端電壓?！皵嗦菲麟娏鳌?Branchcurrents)：測(cè)量流過(guò)斷路器內(nèi)部的三相電流，如果斷路器帶有緩沖電路，測(cè)量的電流僅為流過(guò)斷路器器件的電流。“所有變量”(Branchvoltagesandcurrents)：測(cè)量斷路器電壓和電流。選中的測(cè)量變量需要通過(guò)萬(wàn)用表模塊進(jìn)行觀察。測(cè)量變量用“標(biāo)簽”加“模塊名”加“相序”構(gòu)成，例如斷路器模塊名稱為B1時(shí)，測(cè)量變量符號(hào)如表6-3所示。,表6-3三相斷路器測(cè)量變量符號(hào),圖6-37三相故障模塊等效電路,3.三相故障模塊三相故障模塊是由三個(gè)獨(dú)立的斷路器組成的、能對(duì)相相故障和相地故障進(jìn)行模擬的模塊。該模塊的等效電路如圖6-37所示。外部控制方式和內(nèi)部控制方式下的三相故障模塊圖標(biāo)如圖6-38所示。,圖6-38三相故障模塊圖標(biāo),雙擊三相故障模塊，彈出該模塊的參數(shù)對(duì)話框如圖6-39所示。在該對(duì)話框中含有以下參數(shù)：(1)“A相故障”(PhaseAFault)復(fù)選框：選中該復(fù)選框后表示允許A相斷路器動(dòng)作，否則A相斷路器將保持初始狀態(tài)。(2)“B相故障”(PhaseBFault)復(fù)選框：選中該復(fù)選框后表示允許B相斷路器動(dòng)作，否則B相斷路器將保持初始狀態(tài)。(3)“C相故障”(PhaseCFault)復(fù)選框：選中該復(fù)選框后表示允許C相斷路器動(dòng)作，否則C相斷路器將保持初始狀態(tài)。(4)“故障電阻”(FaultresistancesRon)文本框：斷路器投合時(shí)的內(nèi)部電阻(單位：)。故障電阻不能為0。,圖6-39三相故障模塊參數(shù)對(duì)話框,(5)“接地故障”(GroundFault)復(fù)選框：選中該復(fù)選框后表示允許接地故障。通過(guò)和各個(gè)開(kāi)關(guān)配合可以實(shí)現(xiàn)多種接地故障。未選中該復(fù)選框時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置大地電阻為106。(6)“大地電阻”(GroundresistanceRg)文本框：接地故障時(shí)的大地電阻(單位：)。大地電阻不能為0。選中接地故障復(fù)選框后，該文本框可見(jiàn)。(7)“外部控制”(Externalcontroloffaulttiming)復(fù)選框：選中該復(fù)選框，三相故障模塊上將增加一個(gè)外部控制信號(hào)輸入端。開(kāi)關(guān)時(shí)間由外部邏輯信號(hào)(0或1)控制。,(8)“切換狀態(tài)”(Transitionstatus)文本框：設(shè)置斷路器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，斷路器按照該文本框設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行切換。采用內(nèi)部控制方式時(shí)，該文本框可見(jiàn)。斷路器的初始狀態(tài)默認(rèn)為與該文本框中第一個(gè)狀態(tài)量相反的狀態(tài)。(9)“切換時(shí)間”(Transitiontimes)文本框：設(shè)置斷路器的動(dòng)作時(shí)間，斷路器按照該文本框設(shè)置的時(shí)間進(jìn)行切換。(10)“斷路器初始狀態(tài)”(Initialstatusoffault)文本框：設(shè)置斷路器的初始狀態(tài)。采用外部控制方式時(shí)，該文本框可見(jiàn)。(11)“緩沖電阻”(SnubberresistanceRp)文本框：并聯(lián)的緩沖電路中的電阻值(單位：)。緩沖電阻值設(shè)為inf時(shí)，將取消緩沖電阻。,(12)“緩沖電容”(SnubbercapacitanceCp)文本框：并聯(lián)的緩沖電路中的電容值(單位：F)。緩沖電容值設(shè)為0時(shí)，將取消緩沖電容；緩沖電容值設(shè)為inf時(shí)，緩沖電路為純電阻性電路。(13)“測(cè)量參數(shù)”(Measurements)下拉框：對(duì)以下變量進(jìn)行測(cè)量?！盁o(wú)”(None)：不測(cè)量任何參數(shù)?！肮收想妷骸?Branchvoltages)：測(cè)量斷路器的三相端口電壓?！肮收想娏鳌?Branchcurrents)：測(cè)量流過(guò)斷路器的三相電流，如果斷路器帶有緩沖電路，測(cè)量的電流僅為流過(guò)斷路器器件的電流。,“所有變量”(Branchvoltagesandcurrents)：測(cè)量斷路器電壓和電流。選中的測(cè)量變量需要通過(guò)萬(wàn)用表模塊進(jìn)行觀察。測(cè)量變量用“標(biāo)簽”加“模塊名”加“相序”構(gòu)成，例如三相故障模塊名稱為F1時(shí)，測(cè)量變量符號(hào)如表6-4所示。,表6-4三相故障模塊測(cè)量參數(shù)符號(hào),6.3.2暫態(tài)仿真分析【例6.6】線電壓為300kV的電壓源經(jīng)過(guò)一個(gè)斷路器和300km的輸電線路向負(fù)荷供電。搭建電路對(duì)該系統(tǒng)的高頻振蕩進(jìn)行仿真，觀察不同輸電線路模型和仿真類型的精度差別。解：(1)按圖6-40搭建仿真單相電路圖，選用的各模塊的名稱及提取路徑見(jiàn)表6-5。,圖6-40例6.6的仿真電路圖,表6-5例6.6仿真電路模塊的名稱及提取路徑,(2)設(shè)置模塊參數(shù)和仿真參數(shù)。并聯(lián)RLC模塊Z_eq的參數(shù)設(shè)置如圖6-41所示。斷路器模塊Breaker的參數(shù)設(shè)置如圖6-42所示。其余元件參數(shù)與例4.4相同，仿真參數(shù)的設(shè)置也與例4.4相同。仿真結(jié)束時(shí)間取為0.02s。,圖6-41例6.6的Z_eq參數(shù)設(shè)置,圖6-42例6.6的Breaker參數(shù)設(shè)置,(3)不同輸電線路模型下的仿真。按例6.4的方法，設(shè)置線路為1段PI形電路、10段PI形電路和分布參數(shù)線路，把仿真得到的V2處電壓分別保存在變量V21、V210和V2d中，并畫出對(duì)應(yīng)的波形如圖6-43所示。由圖6-43可見(jiàn)，斷路器在0.005s合閘時(shí)，系統(tǒng)中產(chǎn)生了高頻振蕩。其中由1段PI形電路模塊構(gòu)成的系統(tǒng)未反映高于206Hz的振蕩(見(jiàn)例4.4)，由10段PI形電路模塊構(gòu)成的系統(tǒng)較好地反映了這種高頻振蕩，分布參數(shù)線路由于波傳導(dǎo)過(guò)程在斷路器合閘后存在1.03ms的時(shí)間延遲。,圖6-43例6.6不同線路模型下的電壓波形比較,(4)不同仿真類型下的仿真。用10段PI型輸電線路按例6.4的方法，執(zhí)行以下三種仿真：連續(xù)系統(tǒng)仿真，Ts=0s；離散系統(tǒng)仿真，Ts=25s；離散系統(tǒng)仿真，Ts=50s。把仿真得到的V2處電壓分別保存在變量V2c、V2d25和V2d50中，并畫出對(duì)應(yīng)的波形如圖6-44所示。由圖6-44可見(jiàn)，25s步長(zhǎng)下的仿真結(jié)果(短虛線)與連續(xù)系統(tǒng)的結(jié)果(實(shí)線)很接近，而50ms步長(zhǎng)下的仿真結(jié)果(長(zhǎng)虛線)已經(jīng)小有誤差了。三種仿真的運(yùn)算時(shí)間分別為0.25s、0.17s和0.15s。因此，本例中選擇25s的步長(zhǎng)不但仿真精度滿足要求，還可以提高運(yùn)算速度。,圖6-44例6.6不同仿真類型下的電壓波形比較,圖6-45例6.7的系統(tǒng)圖,【例6.7】供電系統(tǒng)如圖6-45所示，其中線路L的參數(shù)為長(zhǎng)50km，r=0.17/km，x=0.402/km。變壓器T的參數(shù)為Sn=10MVA，Vs%=10.5，KT=110/11。假定供電點(diǎn)電壓Vi為106.5kV，保持恒定，當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)變壓器低壓母線發(fā)生三相短路。試構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并觀察短路電流周期分量、沖擊電流大小。,解：(1)理論分析。將供電點(diǎn)等效為理想電壓源，同時(shí)忽略線路和變壓器中的并聯(lián)導(dǎo)納，可得到線路電阻RL、線路電抗XL和變壓器電抗XT分別為RL=500.17=8.5(6-2)XL=500.402=20.1(6-3),(6-4),因此，變壓器低壓側(cè)短路電流周期分量的幅值Ipm為,(6-5),沖擊電流iim為(2)按圖6-46搭建仿真電路圖，選用的各模塊的名稱及提取路徑見(jiàn)表6-6。,(6-6),圖6-46例6.6的仿真電路圖,表6-6例6.7仿真電路模塊的名稱及提取路徑,(3)設(shè)置模塊參數(shù)和仿真參數(shù)。簡(jiǎn)化同步電機(jī)參數(shù)設(shè)置如圖6-47所示。三相故障模塊Breaker在0.02s時(shí)三相合閘，對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置如圖6-48所示。,圖6-47例6.7的簡(jiǎn)化同步電機(jī)模塊參數(shù)設(shè)置,圖6-48例6.7的三相故障模塊參數(shù)設(shè)置,并聯(lián)RLC負(fù)荷為有功功率負(fù)荷，負(fù)荷大小為5MW，其余元件參數(shù)按題目已知條件設(shè)置。選擇ode23tb算法，仿真結(jié)束時(shí)間取為0.6s。仿真開(kāi)始前，利用Powergui模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，初始化后，與簡(jiǎn)化同步電機(jī)模塊輸入端口相連的兩個(gè)常數(shù)模塊Pm和VLLrms的參數(shù)被自動(dòng)設(shè)置為4.70961e6和106665。(4)仿真。開(kāi)始仿真，得到變壓器低壓側(cè)的a相電流如圖6-49所示。,圖6-49例6.7的仿真波形圖,由圖6-49可見(jiàn)，短路電流周期分量的幅值為5.85kA，沖擊電流為10.5kA，和理論計(jì)算分別存在0.85%和2.98%的誤差。這是由于實(shí)際仿真中，供電點(diǎn)并不是理想電壓源，發(fā)生短路后，供電點(diǎn)電壓將降低，因此計(jì)算得到的短路電流和沖擊電流值偏大。利用SimPowerSystems/ExtraLibrary/Measurements子庫(kù)中的“FFT模塊”(Fourier)和“三相序分量模塊”(3-PhaseSequenceAnalyzer)還可以進(jìn)行電流直流和倍頻分量的分析或者正序、負(fù)序和零序的分析。限于篇幅，本節(jié)不再給出各序分量和各次諧波分量的電流波形圖，讀者可以動(dòng)手試試，看看結(jié)果是否和理論一致。,6.4電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真當(dāng)電力系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)時(shí)，表征系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的各種電磁參數(shù)都要發(fā)生急劇的變化。但是，由于原動(dòng)機(jī)調(diào)速器具有較大的慣性，它必須經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后才能改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的功率。這樣，發(fā)電機(jī)的電磁功率與原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率之間便失去了平衡，于是產(chǎn)生了不平衡轉(zhuǎn)矩。在不平衡轉(zhuǎn)矩作用下，發(fā)電機(jī)開(kāi)始改變轉(zhuǎn)速，使各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)位置發(fā)生變化(機(jī)械運(yùn)動(dòng))。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)位置，即相對(duì)角的變化，反過(guò)來(lái)又將影響到電力系統(tǒng)中電流、電壓和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。,所以，由大擾動(dòng)引起的電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程，是一個(gè)電磁暫態(tài)過(guò)程和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間機(jī)械運(yùn)動(dòng)暫態(tài)過(guò)程交織在一起的復(fù)雜過(guò)程。如果計(jì)及原動(dòng)機(jī)調(diào)速器、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等調(diào)節(jié)設(shè)備的暫態(tài)過(guò)程，則過(guò)程將更加復(fù)雜。精確地確定所有電磁參數(shù)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)在暫態(tài)過(guò)程中的變化是困難的，對(duì)于解決一般的工程實(shí)際問(wèn)題往往也是不必要的。通常，暫態(tài)穩(wěn)定性分析計(jì)算的目的在于確定系統(tǒng)在給定的大擾動(dòng)下發(fā)電機(jī)能否繼續(xù)保持同步運(yùn)行。因此，只需研究表征發(fā)電機(jī)是否同步的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性，即功角d隨時(shí)間變化特性便可以了。這就是通常說(shuō)的機(jī)電暫態(tài)過(guò)程，即穩(wěn)定性問(wèn)題。,本節(jié)將對(duì)一個(gè)含兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的輸電系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定性的仿真演示。為提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和阻尼振蕩的能力，該系統(tǒng)中配置了靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)。打開(kāi)SimPowerSystems庫(kù)的demo子庫(kù)中的模型文件power_svc_pss，可以直接得到如圖6-50所示的仿真系統(tǒng)，以文件名circuit_pss另存。這樣，用戶可對(duì)該原始模型進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法和參數(shù)設(shè)置可以參考有關(guān)文獻(xiàn)10。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，本節(jié)有一定的難度。,圖6-50電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析的仿真系統(tǒng)圖,6.4.1輸電系統(tǒng)的描述圖6-50是一個(gè)簡(jiǎn)單的500kV輸電系統(tǒng)圖。圖中，一個(gè)1000MVA的水輪發(fā)電廠(M1)通過(guò)500kV、700km輸電線路與5000MW的負(fù)荷中心相連，另一容量為5000MVA的本地發(fā)電廠(M2)也向該負(fù)荷供電。為了提高故障后系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在輸電線路中點(diǎn)并聯(lián)了一個(gè)容量為200Mvar的靜止無(wú)功補(bǔ)償器。兩個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組均配置水輪機(jī)調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。單擊并進(jìn)入“渦輪和調(diào)速器”(Turbine&Regulators)子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6-51所示。,圖6-51“渦輪和調(diào)速器”子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,該子系統(tǒng)中，與勵(lì)磁系統(tǒng)相連的穩(wěn)定器模塊有兩種類型：一種是“普通PSS”(GenericPowerSystemStabilizer)模塊，另一種是“多頻段PSS”(Multi-BandPowerSystemStabilizer)模塊。這兩種穩(wěn)定器模塊都可以從SimPowerSystems/Machines庫(kù)中直接提取。通過(guò)手動(dòng)設(shè)置圖6-50左下方的“開(kāi)關(guān)”模塊可以選擇不同的PSS，或者將系統(tǒng)設(shè)置為不含PSS的工作狀態(tài)。,圖6-50中的SVC模塊是SimPowerSysterms/PhasorElements庫(kù)中的相量模塊。打開(kāi)SVC模塊的參數(shù)對(duì)話框，在“顯示”(Display)下拉框中選擇“功率數(shù)據(jù)”(Powerdata)選項(xiàng)，將顯示功率數(shù)據(jù)參數(shù)對(duì)話框(見(jiàn)圖6-52(a)，確定SVC的額定容量是+/200Mvar；若在“顯示”(Display)下拉框中選擇“控制參數(shù)”(Controlparameters)選項(xiàng)，將顯示控制參數(shù)對(duì)話框(見(jiàn)圖6-52(b)，在該窗口中，可以選擇SVC的運(yùn)行模式為“電壓調(diào)整”(Voltageregulation)或“無(wú)功控制”(Varcontrol)，默認(rèn)設(shè)置為“無(wú)功控制”模式。若不希望投入SVC，直接將電納設(shè)置為Bref=0即可。,圖6-52SVC模塊參數(shù)對(duì)話框(a)SVC功率數(shù)據(jù)；(b)SVC控制參數(shù),圖6-50中的母線B1上連接有一個(gè)三相故障模塊。通過(guò)該故障模塊設(shè)置不同類型的故障，可觀測(cè)PSS和SVC對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。仿真開(kāi)始前，打開(kāi)Powergui模塊參數(shù)對(duì)話框，選中“相量法分析”單選框以加快仿真速度。點(diǎn)擊Powergui模塊的“潮流計(jì)算和電機(jī)初始化”按鍵進(jìn)行初始化設(shè)置。將發(fā)電機(jī)M1定義為PV節(jié)點(diǎn)(V=13800V，P=950MW)，發(fā)電機(jī)M2定義為平衡節(jié)點(diǎn)(V=13800V，a相電壓相角為0，估計(jì)要送出的有功功率為4000MW)。潮流計(jì)算和初始化工作完成后，兩個(gè)發(fā)電機(jī)參數(shù)對(duì)話框中的初始條件、兩個(gè)發(fā)電機(jī)輸入端口的參考功率都被自動(dòng)更新，其中Pref1=0.95p.u.(950MW)，Pref2=0.8091p.u.(4046MW)。,更新后發(fā)電機(jī)的初始狀態(tài)如圖6-53。進(jìn)入“渦輪和調(diào)速器”子系統(tǒng)，可以看見(jiàn)兩個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)輸入端口上的參考電壓被自動(dòng)更新為Vref=Vref1=1.0p.u.。,圖6-53更新后的發(fā)電機(jī)初始參數(shù)(a)發(fā)電機(jī)M1；(b)發(fā)電機(jī)M2,6.4.2單相故障本節(jié)將對(duì)不使用SVC時(shí)的單相故障進(jìn)行仿真，并觀測(cè)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)經(jīng)輸電線路并列運(yùn)行時(shí)，在擾動(dòng)下會(huì)發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)搖擺，并在缺乏阻尼時(shí)引起持續(xù)振蕩。此時(shí)，輸電線路上功率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)振蕩。由于其振蕩頻率很低，一般為0.22.5Hz，故稱為低頻振蕩。電力系統(tǒng)低頻振蕩在國(guó)內(nèi)外均有發(fā)生，常出現(xiàn)在長(zhǎng)距離、重負(fù)荷輸電線路上，在采用現(xiàn)代快速、高頂值倍數(shù)勵(lì)磁系統(tǒng)的條件下更容易發(fā)生。這種低頻振蕩可以通過(guò)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器得到有效抑制。,此外，從理論分析上可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子間相角差為90時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率達(dá)到最大值。若系統(tǒng)長(zhǎng)期在功角大于90的狀況下運(yùn)行，電機(jī)將失去同步，系統(tǒng)不穩(wěn)定。設(shè)置SVC的參數(shù)Bref=0，即不使用SVC。設(shè)置三相故障模塊在0.1s時(shí)發(fā)生a相接地故障，0.2s時(shí)清除故障。分別對(duì)投入普通PSS、投入多頻段PSS、退出PSS三種情況進(jìn)行暫態(tài)仿真。將這三種情況下的仿真結(jié)果疊加比較，如圖6-54所示。圖中波形從上到下依次為轉(zhuǎn)子間相角差、電機(jī)轉(zhuǎn)速和SVC端口上的正序電壓幅值。,圖6-54單相接地故障時(shí)的暫態(tài)仿真波形,從圖中可見(jiàn)，在故障期間，由于電機(jī)M1的電磁功