高紅亮，張先鶴，詹習(xí)生

(湖北師范學(xué)院 機(jī)電與控制工程學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

基于SimPowerSystems的電力系統(tǒng)仿真實(shí)踐教學(xué)研究

高紅亮，張先鶴，詹習(xí)生

(湖北師范學(xué)院 機(jī)電與控制工程學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

對(duì)電力系統(tǒng)仿真實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)基于SimPowerSystems工具的電力系統(tǒng)仿真過程進(jìn)行了詳細(xì)論述，首先介紹了電力系統(tǒng)仿真各部件模型，接著詳細(xì)論述了基于SimPowerSystems的電力系統(tǒng)仿真模型建立過程，包括具體步驟和相關(guān)指標(biāo)，最后通過某地區(qū)實(shí)際電力系統(tǒng)仿真模型的建立和運(yùn)行分析，說明通過SimPowerSystems進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真實(shí)踐教學(xué)和研究是十分有效的途徑.

SimPowerSystems；電力系統(tǒng)；Simulink；實(shí)踐教學(xué)

0 引言

電力系統(tǒng)仿真就是利用虛擬仿真技術(shù)真實(shí)再現(xiàn)電力系統(tǒng)各部件的操作環(huán)境，這種仿真環(huán)境具有高度的沉浸性，使進(jìn)入仿真軟件的人員從感覺上、操作上都和真實(shí)電力系統(tǒng)的環(huán)境高度一致，從而使接受實(shí)踐教學(xué)的人員能接受有效的專業(yè)學(xué)習(xí)。目前，真正將軟件仿真技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)課程的高校還很少，本文正是從基于SimPowerSystems平臺(tái)的電力系統(tǒng)仿真入手，研究了借助于軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)建立和運(yùn)行的完整流程，有助于電氣工程相關(guān)專業(yè)學(xué)生深刻理解電能從生產(chǎn)、傳輸、分配到使用的整個(gè)流程[1]。

1 電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)

1.1仿真軟件

由于電力系統(tǒng)是一個(gè)大規(guī)模、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，因此對(duì)大型電網(wǎng)進(jìn)行建模比較困難。目前國(guó)內(nèi)外利用仿真軟件進(jìn)行復(fù)雜電力系統(tǒng)建模和仿真還處于探索階段。針對(duì)電力系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外已有若干仿真軟件。其中PSASP是中國(guó)電力科學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序,具有潮流計(jì)算、暫態(tài)分析、小信號(hào)穩(wěn)定分析等眾多功能，是當(dāng)前我國(guó)不可多得的小干擾分析工具[2]。另外還有邦納維爾電力局開發(fā)的BPA程序和EMTP程序，曼尼托巴高壓直流輸電研究中心開發(fā)的PSCAD/EMTDC程序，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制的PSPICE，美國(guó)PTI公司開發(fā)的PSS/E等[3，4，5]。在MathWorks公司開發(fā)的科學(xué)與工程計(jì)算軟件MATLAB中有專門針對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的SimPowerSystems庫。這里面有大量電力系統(tǒng)常用元器件，包括變壓器、發(fā)電機(jī)、線路和負(fù)載等，功能較為全面。SimPowerSystems庫提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制，在仿真前自動(dòng)將仿真系統(tǒng)圖變成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在simulink下進(jìn)行仿真分析[6]。

本文采用的仿真軟件是MATLAB，使用了其中的SimPowerSystems工具。通過MATLAB的Simulink，可把實(shí)際的電力系統(tǒng)地理模型轉(zhuǎn)換為仿真模型，并能模擬系統(tǒng)受擾動(dòng)后各變量隨時(shí)間變化的具體過程，更加直觀方便。

1.2電力系統(tǒng)仿真各部件模型

電力系統(tǒng)在仿真過程中，涉及到的各部件模型包括同步發(fā)電機(jī)模型、線路模型、負(fù)荷模型、變壓器模型[7]等。

其中，電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠用同步發(fā)電機(jī)模型代替。MATLAB中的SimPowerSystems 庫中提供的同步發(fā)電機(jī)模型，考慮了定子、勵(lì)磁和阻尼繞組的動(dòng)態(tài)行為。同步發(fā)電機(jī)的仿真模型如圖1所示。

對(duì)于線路模型而言， π型線路限制了線路中的電壓、電流的頻率變化范圍，對(duì)于研究基頻下的電力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的相互關(guān)系 ，π型電路可達(dá)到足夠的精度，但當(dāng)分析線路的波過程以及進(jìn)行更精確的分析時(shí)，這時(shí)應(yīng)該使用分布參數(shù)線路模塊。在實(shí)際仿真中，線路長(zhǎng)度小于50km時(shí)用三相π

型線路模塊，長(zhǎng)度大于50km時(shí)用分布參數(shù)線路模型。 π型線路模型和分布參數(shù)線路模型分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖1 同步發(fā)電機(jī)的仿真模型

(a) 型線路模型 (b)分布參數(shù)線路模型

在電力系統(tǒng)中，所有電力用戶的用電設(shè)備所消耗的電功率總和就是電力系統(tǒng)的負(fù)荷。負(fù)荷的有功功率和無功功率由三個(gè)部分組成，分別為恒阻抗消耗的功率，恒電流負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的功率，恒功率分量。在MATLAB中，三相串聯(lián)和并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊，在指定的頻率下，負(fù)荷阻抗為常數(shù)，負(fù)荷吸收的有功和無功功率與電壓的平方成正比。負(fù)荷模塊模型如圖3所示。

為了把發(fā)電廠發(fā)出來的電能輸送到較遠(yuǎn)的地方，必須把電壓升高，變?yōu)楦邏弘?，到用戶附近再按需要把電壓降低，這種升降電壓的工作需要靠變電站來完成。變電站采用變壓器模型模擬。變壓器模型如圖4所示。

圖3 負(fù)荷模型

圖4 變壓器模型

2 系統(tǒng)仿真模型的建立

2.1仿真模型的建立步驟

下面說明在SimPowerSystems平臺(tái)中建立仿真模型的步驟，具體如下所述：

1)根據(jù)地理接線圖在simulink中搭建模型。將發(fā)電廠、變電站、線路、負(fù)載分別用相應(yīng)模型代替，依次連接。

2)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)參數(shù)，在模型中設(shè)定參數(shù)。線路可以使用三相π型電路，也可以使用分布參數(shù)線路，這要根據(jù)輸電線路實(shí)際長(zhǎng)度來定，小于50km用三相π型電路，大于50km使用分布參數(shù)電路。

3)對(duì)仿真模型進(jìn)行潮流計(jì)算。潮流計(jì)算的任務(wù)是根據(jù)給定的網(wǎng)絡(luò)接線和其它已知條件，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的功率分布、功率損耗和節(jié)點(diǎn)電壓。

4)選擇合適的仿真算法。MATLAB提供給用戶兩種仿真算法：定步長(zhǎng)算法和變步長(zhǎng)算法。定步長(zhǎng)求解器使用固定步長(zhǎng)求解，有Discrete、ode5、ode4、ode3、ode2和ode1；變步長(zhǎng)求解器可根據(jù)用戶指定積分誤差自動(dòng)調(diào)整仿真步長(zhǎng)，有Discrete、ode45、ode23、ode13、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb。仿真算法是否合理將影響到仿真的結(jié)果和速度。一般可采用ode23tb算法，這是MATLAB針對(duì)系統(tǒng)特征值相差大，既有快變特性又有慢變特性的系統(tǒng)專門提供的算法之一。

5)運(yùn)行仿真模型。運(yùn)行仿真模型，觀察各參數(shù)是否符合指標(biāo)。所需要用到的參數(shù)主要有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)端電壓、功角和功率偏差。其中，轉(zhuǎn)速、電壓均采用標(biāo)幺值。

2.2系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的相關(guān)指標(biāo)

運(yùn)行系統(tǒng)，當(dāng)仿真系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，相關(guān)指標(biāo)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：1)轉(zhuǎn)速ω為1pu;2)機(jī)端電壓Vt為1pu；3)功角δ達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。其中，功角δ隨時(shí)間的變化描述了各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，恰好是判斷各發(fā)電機(jī)之間是否同步運(yùn)行的依據(jù)。4)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，功率偏差Pa在0附近波動(dòng)。功率偏差表示發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率Pm與輸出電磁功率Pe之差。

根據(jù)以上參數(shù)相關(guān)指標(biāo)，若不滿足，則需修改相關(guān)參數(shù)或結(jié)構(gòu)來完善系統(tǒng)，直至符合指標(biāo)。

3 實(shí)例研究

利用SimPowerSystems仿真平臺(tái)，本文建立了某地區(qū)實(shí)際的電力系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 電力系統(tǒng)仿真模型

在該模型中，發(fā)電廠用同步發(fā)電機(jī)模擬，其中同步發(fā)電機(jī)由調(diào)速系統(tǒng)控制機(jī)械功率輸入，由勵(lì)磁控制系統(tǒng)控制勵(lì)磁電壓。發(fā)電廠出口處使用了一個(gè)22kV/500kV的升壓變壓器，一段14.1km的輸電線路用三相π型電路模擬，使用了三相接地故障模塊模擬系統(tǒng)中的線路接地故障，到達(dá)用電區(qū)后，使用了一個(gè)500kV/220kV的降壓變壓器。連接其他電網(wǎng)部分為具體的用電網(wǎng)絡(luò)，此處采用了封裝技術(shù)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔清晰。

通過潮流計(jì)算后，使系統(tǒng)獲得穩(wěn)定時(shí)的相關(guān)參數(shù)，主要包括輸入給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和勵(lì)磁電壓等，本模型采用了ode23tb算法，仿真時(shí)間設(shè)置為50s，運(yùn)行仿真模型后，系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各參數(shù)符合相關(guān)指標(biāo)，這說明所建立的仿真模型是合理的，如圖6所示。此處，為了更全面反映系統(tǒng)的運(yùn)行情況，在20s處，加入了三相接地故障，設(shè)定故障在20.1s處消失，從圖6的仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在故障消失后很快又恢復(fù)了穩(wěn)定，這說明所建立的仿真系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。在圖6中，ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，Vt為機(jī)端電壓， delta為發(fā)電機(jī)功角，Pa為功率偏差。

圖6 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)基于SimPowerSystems工具的電力系統(tǒng)仿真過程進(jìn)行了研究，首先對(duì)各部件仿真模型進(jìn)行了分析和描述，接著對(duì)電力系統(tǒng)仿真模型的建立過程進(jìn)行了論述，給出了建立電力系統(tǒng)仿真模型的具體步驟和系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的相關(guān)指標(biāo)情況，最后，對(duì)某地區(qū)實(shí)際的電力系統(tǒng)建立了對(duì)應(yīng)的仿真模型，并通過潮流計(jì)算和仿真運(yùn)行，得到了該系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 本文通過仿真技術(shù)，將實(shí)際的電力系統(tǒng)建立起對(duì)應(yīng)的仿真模型，從而為電力系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)和科研提供了一個(gè)很好的軟件平臺(tái)。

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ResearchonpracticeteachingofpowersystemsimulationbasedonSimPowerSystems

GAO Hong-liang, ZHANG Xian-he, ZHAN Xi-sheng

(College of Mechatronics and Control Engineering, Hubei Normal University, Huangshi 435002,China)

The practice teaching of power system is researched in this paper, and the simulation process of power system based on SimPowerSystems is mainly discussed in detail. All component models of power system simulation are introduced first, and then the building process of power system simulation model based on SimPowerSystems is discussed in detail, including concrete steps and related indicators. Finally, through building and run analysis of actual power system simulation model of an area, it shows that using SimPowerSysmtems for practice teaching of power system simulation and research is a very effective way.

SimPowerSystems;power system;simulink;practice teaching

2013—08—25

本文系“2011年度湖北師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目”(項(xiàng)目編號(hào)：ZD201130)的研究成果。

高紅亮(1979— )，男，湖北蘄春人，講師，博士，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化的教學(xué)與科研.

G64

A

1009-2714(2014)01- 0087- 04

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.01.018