田旭　徐譽(yù)嘉　武靈杰

摘要：通過(guò)Matlab/simulink搭建了IEEE9節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)模型，以調(diào)節(jié)變壓器分接頭和并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備兩種方法進(jìn)行電力系統(tǒng)無(wú)功—電壓特性實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)RT-Lab虛擬仿真，以可視化的手段將無(wú)功功率與電壓變化展示為物理圖像，使其便于觀察，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，為培養(yǎng)電氣工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生從事電力系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)計(jì)和理論研究提供必要的基礎(chǔ)，取得較好的教學(xué)效果。關(guān)鍵詞：仿真教學(xué)；電力系統(tǒng)；無(wú)功功率；電壓中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-9324（2018）20-0182-03 現(xiàn)代電力系統(tǒng)電壓等級(jí)越來(lái)越高，系統(tǒng)容量越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。僅用單機(jī)的無(wú)窮大系統(tǒng)模型來(lái)研究電力系統(tǒng)，不能全面地反映電力系統(tǒng)物理特性，如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化、潮流分布、多臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的情況等[1]。在電力系統(tǒng)分析教學(xué)中，僅對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行理論介紹與公式推導(dǎo)常常晦澀難懂，枯燥乏味，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)感到困難，因此降低學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下。而且對(duì)于多節(jié)點(diǎn)復(fù)雜電力系統(tǒng)的研究，如若直接進(jìn)行真實(shí)的系統(tǒng)試驗(yàn)，不僅試驗(yàn)成本高，需要重復(fù)試驗(yàn)、測(cè)試，而且一旦出現(xiàn)控制錯(cuò)誤，很難糾正，大多數(shù)情況下難以達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)和測(cè)試效果。如果恰當(dāng)?shù)厥褂每梢暬侄我哉宫F(xiàn)公式、模型的圖像[2]，使其變得直觀、形象，使學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，縮小理論與實(shí)踐的差距，則可以極大提高教學(xué)效果。RT-Lab虛擬仿真技術(shù)則可以很好地解決上述問(wèn)題。RT-Lab是一種全新的基于模型的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺(tái)，可以靈活地應(yīng)用于多種工程系統(tǒng)仿真和控制場(chǎng)合。其獨(dú)創(chuàng)之處在于能把復(fù)雜的模型劃分成多個(gè)可以并行執(zhí)行的子系統(tǒng)，再把這些子系統(tǒng)分配到多個(gè)目標(biāo)機(jī)節(jié)點(diǎn)上，從而構(gòu)成一個(gè)可伸縮的真實(shí)的分布式并行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。將理想和實(shí)際有效統(tǒng)一的結(jié)合在一起。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)Matlab建立仿真模型、調(diào)節(jié)無(wú)功功率來(lái)進(jìn)行教學(xué)，通過(guò)RT-Lab對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察記錄。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中加深對(duì)理論的理解，通過(guò)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)來(lái)挖掘?qū)嶒?yàn)結(jié)果背后的科學(xué)原理，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與動(dòng)手能力。對(duì)于無(wú)功功率的調(diào)節(jié)，通常使用幾種方法，比如改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，增大勵(lì)磁電流可以使感應(yīng)電勢(shì)大于端電壓，從而使發(fā)電機(jī)的電流超前于端電壓，使發(fā)電機(jī)發(fā)出無(wú)功功率；在無(wú)功電源充足而局部電網(wǎng)電壓不滿足要求時(shí)，可以采用改變變壓器的變比調(diào)壓。首先采用無(wú)載調(diào)壓變壓器，當(dāng)無(wú)載調(diào)壓變壓器不能滿足要求時(shí)選用有載調(diào)壓變壓器[3]；改變負(fù)荷大小來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功；無(wú)功電源不足導(dǎo)致電壓水平下降的電力系統(tǒng)，考慮增加無(wú)功電源調(diào)壓，無(wú)功電源可以采用并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)、或者靜止無(wú)功補(bǔ)償器。在本實(shí)驗(yàn)中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器分接頭、并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)确椒▉?lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，從而得出無(wú)功功率和電壓特性的關(guān)系。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中尋找規(guī)律，加深理解。一、IEEE 9節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)模型簡(jiǎn)介IEEE 9節(jié)點(diǎn)模型是被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)模型，很多科研成果都使用該模型進(jìn)行仿真和驗(yàn)證[1]。該模型由3臺(tái)發(fā)電機(jī)、3臺(tái)變壓器、9個(gè)節(jié)點(diǎn)、6條線路和3個(gè)負(fù)荷組成。相對(duì)于電力系統(tǒng)分析教材中常用的3節(jié)點(diǎn)環(huán)形電網(wǎng)模型，IEEE 9節(jié)點(diǎn)模型具有較大的復(fù)雜度和靈活性。選擇IEEE 9節(jié)點(diǎn)模型開(kāi)展無(wú)功功率與電壓特性的實(shí)驗(yàn)，可以使對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功-電壓特性具有更深入的理解，同時(shí)可以引發(fā)學(xué)生思考，提高學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。利用Matlab/Simulink建立的IEEE 9點(diǎn)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)模型如圖1如示，其中發(fā)電機(jī)用理想電壓源代替，輸電線路采用Π型等值電路，負(fù)荷用電阻電感串聯(lián)支路代替。仿真模型建立后，可以通過(guò)RT-Lab虛擬仿真機(jī)進(jìn)行仿真，各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓以及各條線路的電流、功率都能夠在RT-Lab中實(shí)時(shí)顯示[4]。下面就分別通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器分接頭、并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的方式來(lái)研究電力系統(tǒng)的無(wú)功—電壓特性[5]。（一）調(diào)節(jié)變壓器分接頭調(diào)節(jié)變壓器分接頭，實(shí)際就是改變變壓器兩端的變比，按此方法分別依次將每個(gè)變壓器的分接頭調(diào)節(jié)5%，運(yùn)行仿真模型并記錄數(shù)據(jù)。由系列仿真結(jié)果圖和記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表可以進(jìn)行看出，若變壓器1的分接頭由1.0pu變?yōu)?.05pu時(shí)，電壓變化最大的是節(jié)點(diǎn)7，節(jié)點(diǎn)4、6、7、8、9的電壓都有不同幅度的升高，其中升高幅度最大的是節(jié)點(diǎn)7，而節(jié)點(diǎn)5的電壓則有所降低。若變壓器2分接頭升高至1.05pu時(shí)，變化最大的是節(jié)點(diǎn)9，節(jié)點(diǎn)4、6至9的電壓升高，而節(jié)點(diǎn)5電壓降低。當(dāng)變壓器3的分接頭升高至1.05pu時(shí)，節(jié)點(diǎn)4至7，9的電壓升高，節(jié)點(diǎn)8電壓降低?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)調(diào)節(jié)任意變壓器的分接頭時(shí)，距離此變壓器分接頭最近的節(jié)點(diǎn)電壓變化最大。（二）并聯(lián)電容補(bǔ)償常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備有固定電容器，靜止同步補(bǔ)償器和靜止無(wú)功發(fā)生器。由于本文主要關(guān)注電網(wǎng)的無(wú)功-電壓特性，不關(guān)注無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備本身，所以選取電容器作為補(bǔ)償裝置。分別在圖1中節(jié)點(diǎn)5、7、9上并聯(lián)固定電容器支路，并通過(guò)斷路器的操作控制是否投入運(yùn)行。仿真中設(shè)定0.5s時(shí)投入無(wú)功補(bǔ)償支路，投入前后的節(jié)點(diǎn)電壓暫態(tài)波形如圖所示。投入這三條無(wú)功補(bǔ)償支路后的節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)態(tài)有效值數(shù)據(jù)如圖所示。從圖3可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)7并聯(lián)大小為35MVar的電容補(bǔ)償時(shí)，節(jié)點(diǎn)4、6、7、8、9的電壓都有不同幅度的升高，其中節(jié)點(diǎn)8的電壓升高幅度最大。但是節(jié)點(diǎn)5的電壓卻有所下降。這是由于增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，電網(wǎng)中的潮流分布發(fā)生變化，不同線路的潮流變化不同，使得不同節(jié)點(diǎn)的電壓變化也不同。當(dāng)負(fù)荷9并聯(lián)50MVar的電容器時(shí)，節(jié)點(diǎn)4、5、6、7、9的電壓7、節(jié)點(diǎn)9、節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)4的電壓均有不同幅度的升高，其中節(jié)點(diǎn)5升高的幅度最大，而節(jié)點(diǎn)8的電壓則有一定的降低。當(dāng)負(fù)荷5并聯(lián)大小為30MVar的電容補(bǔ)償時(shí)，變化最大的是節(jié)點(diǎn)6，節(jié)點(diǎn)4、6、7、9、節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)4的電壓升高；節(jié)點(diǎn)5、8的電壓下降。總的分析可得，當(dāng)在某一節(jié)點(diǎn)并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)，該節(jié)點(diǎn)及相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓上升幅度較大。由圖4、圖5、圖6的仿真結(jié)果可以看出，節(jié)點(diǎn)5的暫態(tài)瞬時(shí)電壓峰值最低，斷路器動(dòng)作瞬間，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓變化趨勢(shì)大體一致，在數(shù)值上小有差異。二、小結(jié)在研究復(fù)雜電力系統(tǒng)的時(shí)候，由于系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備元件眾多，學(xué)生時(shí)常難以理解，因此搭建仿真模型十分必要。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，自己動(dòng)手搭建模型，調(diào)節(jié)參數(shù)，觀察記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并總結(jié)規(guī)律，才能獲得更深刻的印象與理解。本文中搭建了仿真模型，并可令學(xué)生通過(guò)虛擬仿真觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器分接頭與并聯(lián)電容器兩種方法，讓學(xué)生切實(shí)了解無(wú)功功率—電壓特性與關(guān)系，提高學(xué)習(xí)興趣與效率，具有十分重要的教育意義。參考文獻(xiàn)：[1]沈天時(shí)，劉崇新，岳青，王李娟.基于改進(jìn)禁忌搜索法的IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化[J].電工電氣，2015，（07）：19-23.[2]胡寬鵠.基于RT-LAB的主動(dòng)配電網(wǎng)數(shù)字仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)[D].湖南大學(xué)，2016.[3]馬金奎.對(duì)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定行的研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2017，（18）：155-157.[4]傅望.RT-LAB分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及其在電力電子中的應(yīng)用[A].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì).2013年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)，2013：6.[5]馮宇.基于MATLAB的《電力系統(tǒng)分析》教學(xué)研究[M].2017.