基于MATLAB的电力系统静态稳定性分析与仿真_常臻.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第6期No.62023年3月Mar.2023收稿日期：2022-03-17稿件编号：202203149基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK20150115）；中国博士后基金项目（2015M570396）作者简介：常 臻（1997），男，江苏泰州人，硕士研究生。研究方向：直线电机应用与海浪发电机系统及其控制，电力电网计算与分析。上世纪开始电力系统稳定性的问题就已经被各国的电网工作者所重视1。电力系统稳定性是指在正常运行状态下的电力系统，受到外界干扰后能否恢复到原先运行状态的能力2-4。近些年来，由于电力系统稳定性的破坏，全球各地都因此发生过大规模的停电事件，给社会造成了很大的经济损失5-7。该实验为降低搭建模型复杂程度，设计一个单机无穷大系统来研究系统的静态稳定性。通过软件MATLAB进行仿真8-9，在只装有励磁调节系统的情况下，设置几组小基于MATLAB的电力系统静态稳定性分析与仿真常 臻1，张 静2，范舒羽2，邵志良3（1.盐城工学院 机械工程学院，江苏 盐城 224051；2.金陵科技学院 机电工程学院，江苏 南京 211169；3.中策橡胶（建德）有限公司，浙江 杭州 310000）摘要：对电力系统稳定性的基本概念进行了阐述，电力系统几乎每时每刻都会遭受到来自于小扰动的威胁，可能会导致电力系统在运行时的各项参数发生很大的变化，从而整个系统运行失稳。因此研究电力系统在遭受小扰动情况下的静态稳定性具有一定的理论和工程实际意义。通过Simulink对构建的单机无穷大系统中的小扰动进行建模和测试仿真，分别对影响静态稳定性的三个条件：自动励磁、系统稳定器、改变电压增益后系统的稳定性进行实验分析，对结果进行验证对比，发现励磁电压增益的作用没有前两者明显。关键词：MATLAB；Simulink；电力系统；静态稳定性；仿真中图分类号：TN710文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）06-0052-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.06.012Static stability analysis and simulation of power system based on MATLABCHANG Zhen1，ZHANG Jing2，FAN Shuyu2，SHAO Zhiliang3（1.School of Mechanical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China；2.School of Mechanical and Electronic Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing 211169，China；3.Zhongce Rubber(Jiande)Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）Abstract:This paper expounds the basic concept of power system stability，the power system will sufferfrom the threat of small disturbances almost every moment，which may lead to great changes in theparameters of the power system during operation，so that the entire system is unstable.Therefore，thestudy of the static stability of power systems in the case of small disturbances has certain theoretical andengineering practical significance.Through the Simulink，the small perturbations in the constructed standalone infinity system are modeled and tested，and the three conditions that affect the static stability aresimulated and analyzed automatic excitation，system stabilizer and system stability after changing thevoltage gain，and the results are verified and compared，found that the effect of the excitation voltagegain was not as obvious as the former.Keywords:MATLAB；Simulink；power system；static stability；simulation-52干扰参数，然后逐渐增大扰动量，分析该环节对系统的影响；分别在加入电力系统稳定器PSS、系统在自动励磁调节下、改变发电机励磁电压增益的情况下，沿用基础模块参数，分析该环节对系统的影响。1电力系统稳定性电力系统稳定性分为两大类：一种是电力系统暂态稳定性，另一种是该实验的研究对象电力系统静态稳定性10。电力系统暂态稳定性指的是该电力系统在正常运转的情况下，遭受到来自外界的较大的干扰后，该电力系统能够恢复到原来的正常工作状况的能力。电力系统静态稳定性指的是电力系统在遭遇到外界一次很小的干扰，而如果在这种扰动完全消失后，电力系统仍然能够达到原先平稳运转的状态，那么就可认为电力系统在小干扰情况下仍然是静态平稳的。而电力系统如何保持静态平稳，则主要和系统在小干扰之前的初始工作状况相关，如果能恢复原来的稳定或者重新达到一个新的运行稳定状态，则系统是稳定的，如果不能，则系统是不稳定的。电力系统的小干扰通常指的是由负载电流通常波动性、输出功率和潮流调节、电力变压器的各接点调节,以及联系点输出功率自然波动性等因素引起的小干扰11-12。2简单励磁调节系统仿真分析2.1系统模型参数计算该节用来计算单机无穷大系统13静态稳定性，具体系统结构及参数如图1所示。图1单机无穷大系统结构与参数变压器T1的参数配置如下所示：STN1=360 MVA，UST1%=14%，KT1=10.5/242；变压器T2的参数配置如下所示：UTN2=360 MVA，UST2%=14%，KT2=220/121。该系统线路上各个参数：L=250km，UN=220 kV，x1=0.41/km,rL=0.07/km，线路正序电抗为零序的1/5。线路运行的条件：U0=115 kV，P0=250 MW，cos=0.95。在一个给定的运行条件下只带励磁调节，发电机的输出功率为P0，=N；原动机的功率为PT0=P0；发电机为隐极机。在电动势Eq=Eq0=常数的条件下,励磁调节综合放大系数Ka=5.785 7。取系统的基准容量也就是发电机组的发电功率为SB=250 MWA，升压变压器 T1 处电压为UBIII=115 kV。则线路侧电压UBII=UBIIIKT2=115220/121=209.1 kV，降 压 变 压 器 T2 处 电 压 为UBI=UBIIKT1=209.110.5/242=9.07 kV。那么在这个系统下的各元件的参数经归算后的标幺值如下：Xd=Xq=1.615（1）Xd的计算方式同式（1）：Xd=0.238,XT1=0.13,XT2=0.108,XL=0.586,Td=2.51 s,TJ=11 s（2）XTL=XT1+12XL+XT2=0.531（3）Xd=Xd+XTL=2.416（4）X2d=Xd+XTL=0.769（5）运行的参数计算结果如式（6）：U0*=U0UBIII=115115=1;P0*=P0SB=1;u0*=P0*tan0=0.329（6）2.2模型搭建与仿真搭建只有自动励磁调节功能的电力系统仿真模型如图2所示，其中，先将弧度转换成角度与90作比较，如果系统内部模块不能同步运行，则停止模拟。模型中电力传输线路用的是“三相串联 RLC 支路”模块。其中，发电厂从信息总线通道(m)传入信息并通过总线信号选择器(Bus Selector)将所要求的信息输入输出，将发电厂提供的机端电压q轴和d轴的二分量传入EXCITATION模块，经过内部传递函数公式，与机端参考电压(Vref1)相比，进而发出励磁电流信息，最后反映在由无穷大系统与发电厂所组成的控制系统中。小干扰信号用时间和开关模块来模拟，通过两个常数模块、时间模块和开关选择模块来改变发电机的机械功率，使之按照想要的方向变化。开关和时间模块设置如表 1所示。常数模块控制小干扰的大小，时间模块控制小干扰何时发生何时结束。在Eq和Eq0相等且为定值，在励磁放大系数为5.785 7的条件下仿真。励磁系统设置如表 1所示，励磁机增益值为0.01，时间值为0.2 s；阻尼滤波器增益值为0.04，时间常数值为0.05 s。常 臻，等基于MATLAB的电力系统静态稳定性分析与仿真-53电子设计工程 2023年第6期3影响静态稳定性的三个条件该节在原有仿真模型图 2的基础上加入多种因素，用于分析验证对电力系统静态稳定性的影响，如 PSS 的投入与退出14、自动励磁调节、励磁电压调节15。下面将对影响静态稳定性的三个条件：增加电力系统稳定器 PSS、增加励磁调节系统以及励磁电压增益的变化做具体的分析说明。3.1采用自动励磁系统首先分析自动励磁调节系统对静态稳定性的影响，逐渐增大扰动量，分析该环节对系统的影响。对自动励磁调节（AVR）进行仿真分析，仿真时间设为 10 s。当 Step=3、initial value为 0.3、final value为 0.45 时，功角、转速随时间变化曲线如图 3 所示。由这个曲线可以看出，系统在10 s左右达到稳定。控制 Step=3、initial value 为 0.3 不变，改变 finalvalue为 1.5时，功角、转速变化曲线如图 4所示。此时整个系统发生幅度震荡，并会不断延续下去。由此对自动励磁调节(AVR)仿真分析结果表明，励磁控制系统的调整能力随着较小扰动的增加而下降。图4功角、转速变化曲线3.2装设电力系统稳定器PSS下面对该电力系统装设稳定器(PSS)后的仿真进行分析16。根据控制变量的研究方法，当控制 Step=3，令 initial value 为 0.3不变，final value为 0.45时，得出功角、转速变化曲线如图 5 所示。从曲线上可见系统在8 s左右达到稳态，比只装设励磁调节系统的情况下趋于稳定的时间要短17。图2自动励磁调节功能的系统仿真模型表1励磁系统参数设置名称低通滤波器时间常数Tr/s调节器增益和时间常数Ka,Ta/s励磁机Ke,Te/s瞬态增益降低Tb/s,Tc/s阻尼滤波器增益和时间常数Kf,Tf/s调节器输出限制和增益Efmin Efmax/pu,Kp终端出口电压和励磁电压的初始值Vt0/pu,Vf0/pu参数2010-35.785 7,0.050.01,0.20,00.04,0.05 0,5,01,1.899 01图3功角、转速变化曲线-54图5功角、转速变化曲线控 制 Step=3、initial value 为 0.3、final value 为1.5，功角、转速变化曲线如图 6所示。由曲线可见，系统在 18 s左右达到稳定，对比可知只装设自动励磁调节系统在此时已发生等幅振荡不能趋于稳定。而由对电力系统稳定器 PSS的仿真分析可以得出结论：PSS 可以有效地缓解系统稳定性，随扰动的增大，平衡点逐渐提高。图6功角、转速