李麗霞，李 凱，路 靜，姚興佳

(1.沈陽工程學(xué)院自動(dòng)控制工程系，沈陽110136;2.沈陽工業(yè)大學(xué)風(fēng)能技術(shù)研究所，沈陽110023;3.沈陽晟昱咨詢有限公司，沈陽110168)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線是電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制.電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，暫態(tài)穩(wěn)定性會(huì)受到干擾，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的方法很多，由于電力是國名經(jīng)濟(jì)的支柱和命脈，實(shí)際考核電力系統(tǒng)穩(wěn)定性將對(duì)經(jīng)濟(jì)和人身安全帶來損失.因此，這里利用MATLAB 的動(dòng)態(tài)仿真軟件Simulink 搭建了含發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等的單機(jī)－無窮大系統(tǒng)仿真模型，對(duì)短路故障時(shí)所采取的不同措施的結(jié)果進(jìn)行了仿真.

1 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的運(yùn)行狀態(tài)或恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)的能力.

引起大擾動(dòng)的原因主要包括:①發(fā)生短路故障;②切除或投入系統(tǒng)的主要元件，如發(fā)電機(jī)，變壓器以及線路;③負(fù)荷的突然變化，如大用戶的投入.

其中發(fā)生短路故障的危害最大，單相短路接地占大多數(shù)，約為65%，而三相短路的幾率雖然小，但是后果最為嚴(yán)重，短路的特征是故障點(diǎn)電壓降低.短路對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備的危害很大，短路電流可達(dá)幾萬甚至幾十萬安培，產(chǎn)生熱效應(yīng)和電動(dòng)力沖擊.分析電路暫態(tài)現(xiàn)象時(shí)，可建立電流電壓微分方程，并按初始來求解.對(duì)于穩(wěn)態(tài)一般用快速而準(zhǔn)確的ode45 函數(shù)，對(duì)于暫態(tài)用ode23 函數(shù).

2 基于MATLAB 的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型

電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定分析中，常應(yīng)用的系統(tǒng)是單機(jī)—無窮大系統(tǒng)，即功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，如圖1 所示.單機(jī)—無窮大系統(tǒng).同時(shí)也是工程上常采用的，也是電力系統(tǒng)仿真模擬最基本、最簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式.對(duì)實(shí)際系統(tǒng)近似處理，用來簡(jiǎn)化模型，方便得出結(jié)論，有利于計(jì)算過程的簡(jiǎn)化.單機(jī)—無窮大系統(tǒng)是具有一定代表性的，主要基于以下2 點(diǎn)考慮:①復(fù)雜系統(tǒng)都可以通過等值的第復(fù)方法歸結(jié)到這一模型或者雙機(jī)系統(tǒng)上來;②可以大大降低動(dòng)態(tài)數(shù)字仿真的運(yùn)算量，提高仿真速度，并很好地滿足繼電保護(hù)測(cè)試要求.

圖1 單機(jī)－無窮大系統(tǒng)

應(yīng)用MATLAB 中的Simulink 軟件可以用圖形建立仿真模型，直接用Simulink 環(huán)境中的菜單啟動(dòng)仿真過程，結(jié)果就顯示在示波器上.Simulink 中能對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到很清晰的仿真結(jié)果.目前我國以三相短路作為考查電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定擾動(dòng)的方式之一.因此仿真過程中設(shè)置短路故障為主要的故障方式.圖2 應(yīng)用MATLAB 電力系統(tǒng)單機(jī)－無窮大系統(tǒng)仿真模型.

圖2 SPS 單機(jī)－無窮大系統(tǒng)仿真模型

3 單機(jī)－無窮大系統(tǒng)仿真模型參數(shù)設(shè)置

3.1 圖中各模塊參數(shù)設(shè)置

三相電源:無窮大系統(tǒng)采用三相電源模塊代替，參數(shù)設(shè)置為230 kV，100 GVA，A 相相角為0°，X/R =10.三相短路器使用默認(rèn)參數(shù). 輸電線路選擇分布參數(shù)模型，每回參數(shù)設(shè)置為R1= 0.038 42 hms /km，R0=0.220 19 hms /km，L1=1.037 8e－3 H/km，L0=2.839 4e－3H/km，C1=11.2584e－9 F/km，C0=8.157e－9 F/km，220 kV，110 km，極限傳輸容量為350 MW.三相變壓器參數(shù)設(shè)置為900 MVA，50 Hz，Delta(D1)/Yg 接線，20 /230 kV，R1=R2=1e－6(p.u.)，L1=0(p.u.)，L2=0.15(p. u.)，Rm=Lm=500(p. u.)，其中p. u. 表示單位是標(biāo)幺值.三相負(fù)載RLC 并聯(lián):P =1 W，QL=1 Var，QC=1 Var.勵(lì)磁系統(tǒng)使用默認(rèn)參數(shù). 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置為round(隱極機(jī))，900 MVA，20 kV，50 Hz，xd=1.8，xd' =0.3，xd″=0.25，xq=1.7，xq' =0.55，xq″=0.25，xl=0.2，Rs=0.002 5，Td0'=8 s，Td0″=0.03 s，Tq0'=0.4 s，Tq0″=0.05 s，H=6.5 s，p=4.各電抗、電阻均為標(biāo)幺值(p.u.).通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器使用默認(rèn)參.Vref 常量設(shè)置為1.Pmec(pu)常量設(shè)置為0.5374.復(fù)合測(cè)量模塊設(shè)置為選擇vs－qd;d－theta;dw. Gain設(shè)置為60/2/Pi. Powergui 模塊:雙擊POwergui;單擊Configure parameters:將Simlation type 選擇為phasor，潮流計(jì)算方式頻率改為50 Hz.

4 各種提高暫態(tài)穩(wěn)定性措施的運(yùn)行效果仿真

系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率的差額(即加速功率Pm－ Pe)是導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因，因此減少大擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)的加速功率是首先考慮的措施［4］.在圖2 中，沒有采取有效措施來提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，在此情況下系統(tǒng)受到大的擾動(dòng)后很容易失去平衡. 現(xiàn)在圖2 的基礎(chǔ)上采取一些有效措施，包括使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，附加故障限流器等，并在這些措施的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真運(yùn)行.由于引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的大擾動(dòng)中，短路故障最常見，危害也最大，因此在線路L2 出口處設(shè)置各種短路故障作為對(duì)系統(tǒng)的大擾動(dòng)，短路故障發(fā)生時(shí)間均定在1 s.

在動(dòng)態(tài)仿真時(shí)設(shè)置下列情況:

1)在線路L2 出口處設(shè)置三相接地短路故障，1.1 s時(shí)將故障切除，通過投入和退出PSS 來分析使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS 對(duì)提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的效果.如圖3、圖4 所示.

2)在線路L2 出口處設(shè)置三相接地短路故障，1.4 s時(shí)將故障切除，仿真時(shí)投入PSS，將此仿真結(jié)果與1)中1.1 s 時(shí)切除故障的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)快速切除故障的效果進(jìn)行分析.如圖5 所示.

3)在線路L2 出口處設(shè)置三相接地短路故障，1.4 s時(shí)將故障切除，仿真時(shí)附加故障限流器(FCL)并投入PSS，對(duì)比圖2 來分析采用FCL 對(duì)于提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的效果.如圖6 所示.

圖3 三相接地短路(1.1 s 切除故障，仿真不投PSS)

圖4 三相接地短路(1.1 s 切除故障，仿真附加PSS)

圖5 三相接地短路(1.4 s 切除故障，仿真附加PSS)

圖6 三相接地短路(1.4 s 切除故障，仿真附加FCL 同時(shí)投PSS)

圖3 系統(tǒng)附加PSS，三相接地短路1.1 s 時(shí)切除故障，系統(tǒng)4 s 時(shí)趨于穩(wěn)定，圖4 系統(tǒng)未投入PSS，盡管采取了快速切除故障的措施，但系統(tǒng)直到16 s 時(shí)才趨于穩(wěn)定.將圖3 與圖4 的仿真結(jié)果作對(duì)比，可見在系統(tǒng)中使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)可有效增加系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定. 因此使用PSS 是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有力措施.

圖5 系統(tǒng)附加PSS，三相接地短路1.4 s 時(shí)切除故障，系統(tǒng)失去了穩(wěn)定性.比較圖5 慢切除故障和圖4 快速切除故障的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，可見快速切除故障是保證系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的有效措施.

圖6 系統(tǒng)附加PSS，并在線路首端裝設(shè)故障限流器FCL，三相接地短路1.4 s 時(shí)切除故障，系統(tǒng)4 s 時(shí)趨于穩(wěn)定.將圖6 與圖5 的仿真結(jié)果作對(duì)比，可見裝設(shè)故障限流器(FCL)，可快速限制短路電流，即使采取慢切除故障措施，系統(tǒng)仍能保持暫態(tài)穩(wěn)定性.因此裝設(shè)故障限流器(FCL)也可有效地提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性.

5 結(jié) 論

通過單機(jī)－大系統(tǒng)對(duì)單力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定領(lǐng)域的故障判斷與分析，以MATLAB Simulink 仿真系統(tǒng)為依托，非常容易的建立了電力系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，聯(lián)接成了電力系統(tǒng)的模型，最終建立了系統(tǒng)仿真的模型.通過模型模擬了一些故障，并對(duì)這些故障進(jìn)行的檢測(cè)與分析，最終解決了故障，通過對(duì)故障的分析驗(yàn)證了方法的正確性與準(zhǔn)確性，利用MATLAB Simulink 系統(tǒng)為電力系統(tǒng)仿真提供了更加準(zhǔn)確與方便的辦法. 結(jié)果表明，MATLAB SPS 具有強(qiáng)大地仿真功能，利用MATLAB 進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真準(zhǔn)確率高，而且沒有風(fēng)險(xiǎn)，通過精準(zhǔn)的計(jì)算，大大的提高了精度，是分析電力系統(tǒng)的有力工具.

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