第6章電力系統穩態與暫態仿真,6.1Powergui模塊6.2電力系統穩態仿真6.3電力系統電磁暫態仿真6.4電力系統機電暫態仿真習題,6.1Powergui模塊Powergui模塊為電力系統穩態與暫態仿真提供了有用的圖形用戶分析界面。通過Powergui模塊，可以對系統進行可變步長連續系統仿真、定步長離散系統仿真和相量法仿真，并實現以下功能：(1)顯示測量電壓、測量電流和所有狀態變量的穩態值；(2)改變仿真初始狀態；(3)進行潮流計算并對包含三相電機的電路進行初始化設置；(4)顯示阻抗的依頻特性圖；,(5)顯示FFT分析結果；(6)生成狀態空間模型并打開“線性時不變系統”(LTI)時域和頻域的視窗界面；(7)生成報表，該報表中包含測量模塊、電源、非線性模塊和電路狀態變量的穩態值，并以后綴名.rep保存；(8)設計飽和變壓器模塊的磁滯特性。6.1.1主窗口功能簡介MATLAB提供的Powergui模塊在SimPowerSystems庫中，圖標如圖6-1所示。,圖6-1Powergui模塊圖標,雙擊Powergui模塊圖標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)兩塊內容，簡介如下。1.仿真類型1)“相量法仿真”(Phasorsimulation)單選框點擊該單選框后，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)“離散系統仿真”(Discretizeelectricalmodel)單選框點擊該單選框后，在“采樣時間”(Sampletime)文本框中輸入指定的采樣時間(Ts0)，按指定的步長對離散化系統進行分析。若采樣時間等于0，表示不對數據進行離散化處理，采用連續算法分析系統。若未選中該單選框，“采樣時間”文本框顯示為灰色。3)“連續系統仿真”(Continuous)單選框點擊該單選框后，采用連續算法分析系統。4)“顯示分析信息”(Showmessageduringanalysis)復選框選中該復選框后，命令窗口中將顯示系統仿真過程中的相關信息。,2.分析工具1)“穩態電壓電流分析”(Steady-StateVoltagesandCurrents)按鍵打開穩態電壓電流分析窗口，顯示模型文件的穩態電壓和電流。2)“初始狀態設置”(InitialStatesSetting)按鍵打開初始狀態設置窗口，顯示初始狀態，并允許對模型的初始電壓和電流進行更改。3)“潮流計算和電機初始化”(LoadFlowandMachineInitialization)按鍵打開潮流計算和電機初始化窗口。,4)“LTI視窗”(UseLTIViewer)按鍵打開窗口，使用“控制系統工具箱”(ControlSystemToolbox)的LTI視窗。5)“阻抗依頻特性測量”(Impedancevs.FrequencyMeasurement)按鍵打開窗口，如果模型文件中含阻抗測量模塊，該窗口中將顯示阻抗依頻特性圖。6)“FFT分析”(FFTAnalysis)按鍵打開FFT分析窗口。7)“報表生成”(GenerateReport)按鍵打開窗口，產生穩態計算的報表。,8)“磁滯特性設計工具”(HysteresisDesignTool)按鍵打開窗口，對飽和變壓器模塊和三相變壓器模塊的鐵芯進行磁滯特性設計。9)“計算RLC線路參數”(ComputeRLCLineParameters)按鍵打開窗口，通過導線型號和桿塔結構計算架空輸電線的RLC參數。6.1.2穩態電壓電流分析窗口打開“穩態電壓電流分析”窗口如圖6-3所示。該窗口中含有以下內容：,圖6-3“穩態電壓電流分析”窗口,(1)“穩態值”(Steadystatevalue)列表框：顯示模型文件中指定的電壓、電流穩態值。(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”(States)復選框：顯示穩態下電容電壓和電感電流的相量值。默認狀態為不選。(5)“測量”(Measurements)復選框：顯示穩態下測量模塊測量到的電壓、電流相量值。默認狀態為選中。,(6)“電源”(Sources)復選框：顯示穩態下電源的電壓、電流相量值。默認狀態為不選。(7)“非線性元件”(Nonlinearelements)復選框：顯示穩態下非線性元件的電壓、電流相量值。默認狀態為不選。(8)“格式”(Format)下拉框：在下拉列表框中選擇要觀測的電壓和電流的格式。“浮點格式”(floatingpoint)以科學計數法顯示5位有效數字；“最優格式”(bestof)顯示4位有效數字并且在數值大于9999時以科學計數法表示；最后一個格式直接顯示數值大小，小數點后保留2位數字。默認格式為“浮點格式”。(9)“更新穩態值”(UpdateSteadyStateValues)按鍵：重新計算并顯示穩態電壓、電流值。,6.1.3初始狀態設置窗口仿真時，常常希望仿真開始時系統處于穩態，或者仿真開始時系統處于某種初始狀態，這時，就可以使用“初始狀態設置”按鍵。打開“初始狀態設置”窗口如圖6-4所示。該窗口中含有以下內容：(1)“初始狀態”(Initialstatevaluesforsimulation)列表框：顯示模型文件中狀態變量的名稱和初始值。(2)“設置到指定狀態”(Setselectedstate)文本框：對“初始狀態”列表框中選中的狀態變量進行初始值設置。(3)“設置所有狀態量”(ResetallStates)：選擇從“穩態”(ToSteadyState)或者“零初始狀態”(ToZero)開始仿真。,(4)“加載狀態”(ReloadStates)：選擇從“指定的文件”(FromFile)中加載初始狀態或直接以“當前值”(FromDiagram)作為初始狀態開始仿真。,圖6-4“初始狀態設置”窗口,(5)“應用”(Apply)按鍵：用設置好的參數進行仿真。(6)“返回”(Revert)按鍵：返回到“初始狀態設置”窗口打開時的原始狀態。(7)“保存初始狀態”(SaveInitialStates)按鍵：將初始狀態保存到指定的文件中。(8)“格式”(Format)下拉框：選擇觀測的電壓和電流的格式。格式類型見6.1.2節。默認格式為“浮點格式”。(9)“分類”(Sortvaluesby)下拉框：選擇初始狀態值的顯示順序。“默認順序”(Defaultorder)是按模塊在電路中的順序顯示初始值；“狀態序號”(Statenumber)是按狀態空間模型中狀態變量的序號來顯示初始值；“類型”(Type)是按電容和電感來分類顯示初始值。默認格式為“默認順序”。,6.1.4潮流計算和電機初始化窗口打開“潮流計算和電機初始化”窗口如圖6-5所示。該窗口中含有以下內容：(1)“電機潮流分布”(Machinesloadflow)列表框：顯示“電機”(Machines)列表框中選中電機的潮流分布。(2)“電機”(Machines)列表框：顯示簡化同步電機、同步電機、非同步電機和三相動態負荷模塊的名稱。選中該列表框中的電機或負荷后，才能進行參數設置。,圖6-5潮流計算和電機初始化窗口,(3)“節點類型”(Bustype)下拉框：選擇節點類型。對于“PV節點”(Psim(gcs);toc仿真結束后，仿真所用的時間將以秒為單位顯示在MATLAB命令窗口中，如圖6-26所示。,可見，離散化系統后，仿真運行時間為0.188s。將離散系統的采樣時間設為0并回到連續系統的仿真狀態，仿真算法改為連續積分算法ode23tb，可以得到連續系統仿真需要的運行時間為0.219s。因此，離散積分算法比連續積分算法更快。(4)仿真精度比較。為了比較兩種方法的精確度，執行以下三種仿真：連續系統仿真，Ts=0s；離散系統仿真，Ts=25s；離散系統仿真，Ts=50s。,如圖6-27所示，雙擊并打開V2示波器模塊，選擇“參數”(Parameters)項，在打開的窗口中選擇“數據歷史”(Datahistory)，去掉“僅保留最新的數據點”(Limitdatapointstolast)復選框，這樣可以觀察到整個仿真過程中的波形變化。選中“將數據保存到工作空間”(Savedatapointstoworkspace)復選框，將變量名指定為V2，格式為“列”(Array)。,圖6-27例6-4示波器V2的參數設置(a)波形；(b)參數標簽頁,開始連續系統仿真，仿真結束時間選為0.02s。仿真結束后，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。重新開始仿真，將系統離散化，設置仿真步長Ts=25s，注意仿真參數中的步長設置也要改為25s，仿真結束時間為0.02s。仿真結束后，將電壓V2保存在變量V2d25中。再次仿真，設置仿真步長為Ts=50s。仿真結束后，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下的仿真結果與50s的仿真結果一致，連續系統的仿真結果除了步長不同，結果也相同。可見，本例中，選擇50s的步長不但可以提高計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數，可以用直角坐標或者極坐標表示。相量法是電力系統正弦穩態分析的主要手段。它只關心系統中電壓電流的相角和幅值，不需要求解電力系統狀態方程，不需要特殊的算法，因此計算速度快得多。必須清楚的是，相量法給出的解是在特定頻率下的解。【例6.5】用相量法分析例6.4。解：(1)參數設置。打開Powergui模塊，選擇“相量法分析”單選框，并在“頻率”對話框中將頻率改為50Hz。關閉Powergui模塊，模型文件主窗口中的Powergui模塊圖標顯示為“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,圖6-31例6.5的電壓測量模塊V1,打開電壓測量模塊V1，選擇“幅值相角”(Magnitude-Angle)模式，如圖6-31所示。電壓測量模塊V2也選擇幅值相角模式。,(2)仿真。開始仿真，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。可見，V1側電壓幅值為1p.u.，相角為0.19；V2側電壓幅值為0.67p.u.，相角為3.66。這和圖6-16穩態分析的結論一致。,圖6-32例6.5的仿真結果(a)V1；(b)V2,6.3電力系統電磁暫態仿真SIMULINK的電力系統暫態仿真過程通過機械開關設備，如“斷路器”(circuitbreakers)模塊或者電力電子設備的開斷實現。6.3.1斷路器模塊SimPowerSystems庫提供的斷路器模塊可以對開關的投切進行仿真。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，相對外電路可以忽略。斷路器斷開時等效于無窮大電阻，熄弧過程通過電流過零時斷開斷路器完成。開關的投切操作可以受外部或內部信號的控制。,外部控制方式時，斷路器模塊上出現一個輸入端口，輸入的控制信號必須為0或者1，其中0表示切斷，1表示投合；內部控制方式時，切斷時間由模塊對話框中的參數指定。如果斷路器初始設置為1(投合)，SimPowerSystems庫自動將線性電路中的所有狀態變量和斷路器模塊的電流進行初始化設置，這樣仿真開始時電路處于穩定狀態。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，則必須使用緩沖電路。,圖6-33單相斷路器模塊圖標,帶有斷路器模塊的系統進行仿真時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如圖6-33所示。,雙擊斷路器模塊，彈出該模塊的參數對話框如圖6-34。該對話框中含有如下參數：(1)“斷路器電阻”(BreakerresistanceRon)文本框：斷路器投合時的內部電阻(單位：)。斷路器電阻不能為0。(2)“初始狀態”(Initialstate)文本框：斷路器初始狀態。斷路器為合閘狀態，輸入1，對應的圖標顯示投合狀態；輸入0，表示斷路器為斷開狀態。(3)“緩沖電阻”(SnubberresistanceRs)文本框：并聯緩沖電路中的電阻值(單位：)。緩沖電阻值設為inf時，將取消緩沖電阻。,圖6-34單相斷路器模塊參數對話框,(4)“緩沖電容”(SnubbercapacitanceCs)文本框：并聯緩沖電路中的電容值(單位：F)。緩沖電容值設為0時，將取消緩沖電容；緩沖電容值設為inf時，緩沖電路為純電阻性電路。(5)“開關動作時間”(Switchingtimes)文本框：采用內部控制方式時，輸入一個時間向量以控制開關動作時間。從開關初始狀態開始，斷路器在每個時間點動作一次。例如，初始狀態為0，在時間向量的第一個時間點，開關投合，第二個時間點，開關打開。如果選中外部控制方式，該文本框不可見。,(6)“外部控制”(Externalcontrolofswitchingtimes)復選框：選中該復選框，斷路器模塊上將出現一個外部控制信號輸入端。開關時間由外部邏輯信號(0或1)控制。(7)“測量參數”(Measurements)下拉框：對以下變量進行測量。“無”(None)：不測量任何參數。“斷路器電壓”(Branchvoltages)：測量斷路器電壓。“斷路器電流”(Branchcurrents)：測量斷路器電流，如果斷路器帶有緩沖電路，測量的電流僅為流過斷路器器件的電流。,圖6-35三相斷路器模塊圖標,“所有變量”(Branchvoltagesandcurrents)：測量斷路器電壓和電流。選中的測量變量需要通過萬用表模塊進行觀測。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如圖6-35所示。,雙擊三相斷路器模塊，彈出該模塊的參數對話框如圖6-36所示。該對話框中含有以下參數：(1)“斷路器初始狀態”(Initialstatusofbreakers)下拉框：斷路器三相的初始狀態相同，選擇初始狀態后，圖標會顯示相應的切斷或者投合狀態。(2)“A相開關”(SwitchingofphaseA)復選框：選中該復選框后表示允許A相斷路器動作，否則A相斷路器將保持初始狀態。(3)“B相開關”(SwitchingofphaseB)復選框：選中該復選框后表示允許B相斷路器動作，否則B相斷路器將保持初始狀態。,圖6-36三相斷路器模塊參數對話框,(4)“C相開關”(SwitchingofphaseC)復選框：選中該復選框后表示允許C相斷路器動作，否則C相斷路器將保持初始狀態。(5)“切換時間(Transitiontimes)文本框：采用內部控制方式時，輸入一個時間向量以控制開關動作時間。如果選中外部控制方式，該文本框不可見。(6)“外部控制”(Externalcontrolofswitchingtimes)復選框：選中該復選框，斷路器模塊上將出現一個外部控制信號輸入口。開關時間由外部邏輯信號(0或1)控制。(7)“斷路器電阻”(BreakerresistanceRon)文本框：斷路器投合時內部電阻(單位：W)。斷路器電阻不能為0。,(8)“緩沖電阻”(SnubberresistanceRp)文本框：并聯的緩沖電路中的電阻值(單位：)。緩沖電阻值設為inf時，將取消緩沖電阻。(9)“緩沖電容”(SnubbercapacitanceCp)文本框：并聯的緩沖電路中的電容值(單位：F)。緩沖電容值設為0時，將取消緩沖電容；緩沖電容值設為inf時，緩沖電路為純電阻性電路。(10)“測量參數”(Measurements)下拉框：對以下變量進行測量。“無”(None)：不測量任何參數。,“斷路器電壓”(Branchvoltages)：測量斷路器的三相終端電壓。“斷路器電流”(Branchcurrents)：測量流過斷路器內部的三相電流，如果斷路器帶有緩沖電路，測量的電流僅為流過斷路器器件的電流。“所有變量”(Branchvoltagesandcurrents)：測量斷路器電壓和電流。選中的測量變量需要通過萬用表模塊進行觀察。測量變量用“標簽”加“模塊名”加“相序”構成，例如斷路器模塊名稱為B1時，測量變量符號如表6-3所示。,表6-3三相斷路器測量變量符號,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獨立的斷路器組成的、能對相相故障和相地故障進行模擬的模塊。該模塊的等效電路如圖6-37所示。外部控制方式和內部控制方式下的三相故障模塊圖標如圖6-38所示。,圖6-38三相故障模塊圖標,雙擊三相故障模塊，彈出該模塊的參數對話框如圖6-39所示。在該對話框中含有以下參數：(1)“A相故障”(PhaseAFault)復選框：選中該復選框后表示允許A相斷路器動作，否則A相斷路器將保持初始狀態。(2)“B相故障”(PhaseBFault)復選框：選中該復選框后表示允許B相斷路器動作，否則B相斷路器將保持初始狀態。(3)“C相故障”(PhaseCFault)復選框：選中該復選框后表示允許C相斷路器動作，否則C相斷路器將保持初始狀態。(4)“故障電阻”(FaultresistancesRon)文本框：斷路器投合時的內部電阻(單位：)。故障電阻不能為0。,圖6-39三相故障模塊參數對話框,(5)“接地故障”(GroundFault)復選框：選中該復選框后表示允許接地故障。通過和各個開關配合可以實現多種接地故障。未選中該復選框時，系統自動設置大地電阻為106。(6)“大地電阻”(GroundresistanceRg)文本框：接地故障時的大地電阻(單位：)。大地電阻不能為0。選中接地故障復選框后，該文本框可見。(7)“外部控制”(Externalcontroloffaulttiming)復選框：選中該復選框，三相故障模塊上將增加一個外部控制信號輸入端。開關時間由外部邏輯信號(0或1)控制。,(8)“切換狀態”(Transitionstatus)文本框：設置斷路器的開關狀態，斷路器按照該文本框設置狀態進行切換。采用內部控制方式時，該文本框可見。斷路器的初始狀態默認為與該文本框中第一個狀態量相反的狀態。(9)“切換時間”(Transitiontimes)文本框：設置斷路器的動作時間，斷路器按照該文本框設置的時間進行切換。(10)“斷路器初始狀態”(Initialstatusoffault)文本框：設置斷路器的初始狀態。采用外部控制方式時，該文本框可見。(11)“緩沖電阻”(SnubberresistanceRp)文本框：并聯的緩沖電路中的電阻值(單位：)。緩沖電阻值設為inf時，將取消緩沖電阻。,(12)“緩沖電容”(SnubbercapacitanceCp)文本框：并聯的緩沖電路中的電容值(單位：F)。緩沖電容值設為0時，將取消緩沖電容；緩沖電容值設為inf時，緩沖電路為純電阻性電路。(13)“測量參數”(Measurements)下拉框：對以下變量進行測量。“無”(None)：不測量任何參數。“故障電壓”(Branchvoltages)：測量斷路器的三相端口電壓。“故障電流”(Branchcurrents)：測量流過斷路器的三相電流，如果斷路器帶有緩沖電路，測量的電流僅為流過斷路器器件的電流。,“所有變量”(Branchvoltagesandcurrents)：測量斷路器電壓和電流。選中的測量變量需要通過萬用表模塊進行觀察。測量變量用“標簽”加“模塊名”加“相序”構成，例如三相故障模塊名稱為F1時，測量變量符號如表6-4所示。,表6-4三相故障模塊測量參數符號,6.3.2暫態仿真分析【例6.6】線電壓為300kV的電壓源經過一個斷路器和300km的輸電線路向負荷供電。搭建電路對該系統的高頻振蕩進行仿真，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)設置模塊參數和仿真參數。并聯RLC模塊Z_eq的參數設置如圖6-41所示。斷路器模塊Breaker的參數設置如圖6-42所示。其余元件參數與例4.4相同，仿真參數的設置也與例4.4相同。仿真結束時間取為0.02s。,圖6-41例6.6的Z_eq參數設置,圖6-42例6.6的Breaker參數設置,(3)不同輸電線路模型下的仿真。按例6.4的方法，設置線路為1段PI形電路、10段PI形電路和分布參數線路，把仿真得到的V2處電壓分別保存在變量V21、V210和V2d中，并畫出對應的波形如圖6-43所示。由圖6-43可見，斷路器在0.005s合閘時，系統中產生了高頻振蕩。其中由1段PI形電路模塊構成的系統未反映高于206Hz的振蕩(見例4.4)，由10段PI形電路模塊構成的系統較好地反映了這種高頻振蕩，分布參數線路由于波傳導過程在斷路器合閘后存在1.03ms的時間延遲。,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，執行以下三種仿真：連續系統仿真，Ts=0s；離散系統仿真，Ts=25s；離散系統仿真，Ts=50s。把仿真得到的V2處電壓分別保存在變量V2c、V2d25和V2d50中，并畫出對應的波形如圖6-44所示。由圖6-44可見，25s步長下的仿真結果(短虛線)與連續系統的結果(實線)很接近，而50ms步長下的仿真結果(長虛線)已經小有誤差了。三種仿真的運算時間分別為0.25s、0.17s和0.15s。因此，本例中選擇25s的步長不但仿真精度滿足要求，還可以提高運算速度。,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的系統圖,【例6.7】供電系統如圖6-45所示，其中線路L的參數為長50km，r=0.17/km，x=0.402/km。變壓器T的參數為Sn=10MVA，Vs%=10.5，KT=110/11。假定供電點電壓Vi為106.5kV，保持恒定，當空載運行時變壓器低壓母線發生三相短路。試構建系統進行仿真，并觀察短路電流周期分量、沖擊電流大小。,解：(1)理論分析。將供電點等效為理想電壓源，同時忽略線路和變壓器中的并聯導納，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)設置模塊參數和仿真參數。簡化同步電機參數設置如圖6-47所示。三相故障模塊Breaker在0.02s時三相合閘，對應的參數設置如圖6-48所示。,圖6-47例6.7的簡化同步電機模塊參數設置,圖6-48例6.7的三相故障模塊參數設置,并聯RLC負荷為有功功率負荷，負荷大小為5MW，其余元件參數按題目已知條件設置。選擇ode23tb算法，仿真結束時間取為0.6s。仿真開始前，利用Powergui模塊對電機進行初始化設置，初始化后，與簡化同步電機模塊輸入端口相連的兩個常數模塊Pm和VLLrms的參數被自動設置為4.70961e6和106665。(4)仿真。開始仿真，得到變壓器低壓側的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，短路電流周期分量的幅值為5.85kA，沖擊電流為10.5kA，和理論計算分別存在0.85%和2.98%的誤差。這是由于實際仿真中，供電點并不是理想電壓源，發生短路后，供電點電壓將降低，因此計算得到的短路電流和沖擊電流值偏大。利用SimPowerSystems/ExtraLibrary/Measurements子庫中的“FFT模塊”(Fourier)和“三相序分量模塊”(3-PhaseSequenceAnalyzer)還可以進行電流直流和倍頻分量的分析或者正序、負序和零序的分析。限于篇幅，本節不再給出各序分量和各次諧波分量的電流波形圖，讀者可以動手試試，看看結果是否和理論一致。,6.4電力系統機電暫態仿真當電力系統受到大的擾動時，表征系統運行狀態的各種電磁參數都要發生急劇的變化。但是，由于原動機調速器具有較大的慣性，它必須經過一定時間后才能改變原動機的功率。這樣，發電機的電磁功率與原動機的機械功率之間便失去了平衡，于是產生了不平衡轉矩。在不平衡轉矩作用下，發電機開始改變轉速，使各發電機轉子間的相對位置發生變化(機械運動)。發電機轉子相對位置，即相對角的變化，反過來又將影響到電力系統中電流、電壓和發電機電磁功率的變化。,所以，由大擾動引起的電力系統暫態過程，是一個電磁暫態過程和發電機轉子間機械運動暫態過程交織在一起的復雜過程。如果計及原動機調速器、發電機勵磁調節器等調節設備的暫態過程，則過程將更加復雜。精確地確定所有電磁參數和機械運動參數在暫態過程中的變化是困難的，對于解決一般的工程實際問題往往也是不必要的。通常，暫態穩定性分析計算的目的在于確定系統在給定的大擾動下發電機能否繼續保持同步運行。因此，只需研究表征發電機是否同步的轉子運動特性，即功角d隨時間變化特性便可以了。這就是通常說的機電暫態過程，即穩定性問題。,本節將對一個含兩臺水輪發電機組的輸電系統進行暫態穩定性的仿真演示。為提高系統的暫態穩定性和阻尼振蕩的能力，該系統中配置了靜止無功補償器(SVC)以及電力系統穩定器(PSS)。打開SimPowerSystems庫的demo子庫中的模型文件power_svc_pss，可以直接得到如圖6-50所示的仿真系統，以文件名circuit_pss另存。這樣，用戶可對該原始模型進行進一步的調整。該系統的具體實現方法和參數設置可以參考有關文獻10。對于初學者來說，本節有一定的難度。,圖6-50電力系統暫態穩定性分析的仿真系統圖,6.4.1輸電系統的描述圖6-50是一個簡單的500kV輸電系統圖。圖中，一個1000MVA的水輪發電廠(M1)通過500kV、700km輸電線路與5000MW的負荷中心相連，另一容量為5000MVA的本地發電廠(M2)也向該負荷供電。為了提高故障后系統的穩定性，在輸電線路中點并聯了一個容量為200Mvar的靜止無功補償器。兩個水輪發電機組均配置水輪機調速器、勵磁系統和電力系統穩定器。單擊并進入“渦輪和調速器”(Turbine&Regulators)子系統，其結構如圖6-51所示。,圖6-51“渦輪和調速器”子系統結構圖,該子系統中，與勵磁系統相連的穩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。這兩種穩定器模塊都可以從SimPowerSystems/Machines庫中直接提取。通過手動設置圖6-50左下方的“開關”模塊可以選擇不同的PSS，或者將系統設置為不含PSS的工作狀態。,圖6-50中的SVC模塊是SimPowerSysterms/PhasorElements庫中的相量模塊。打開SVC模塊的參數對話框，在“顯示”(Display)下拉框中選擇“功率數據”(Powerdata)選項，將顯示功率數據參數對話框(見圖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”(Controlparameters)選項，將顯示控制參數對話框(見圖6-52(b)，在該窗口中，可以選擇SVC的運行模式為“電壓調整”(Voltageregulation)或“無功控制”(Varcontrol)，默認設置為“無功控制”模式。若不希望投入SVC，直接將電納設置為Bref=0即可。,圖6-52SVC模塊參數對話框(a)SVC功率數據；(b)SVC控制參數,圖6-50中的母線B1上連接有一個三相故障模塊。通過該故障模塊設置不同類型的故障，可觀測PSS和SVC對系統穩定性的影響。仿真開始前，打開Powergui模塊參數對話框，選中“相量法分析”單選框以加快仿真速度。點擊Powergui模塊的“潮流計算和電機初始化”按鍵進行初始化設置。將發電機M1定義為PV節點(V=13800V，P=950MW)，發電機M2定義為平衡節點(V=13800V，a相電壓相角為0，估計要送出的有功功率為4000MW)。潮流計算和初始化工作完成后，兩個發電機參數對話框中的初始條件、兩個發電機輸入端口的參考功率都被自動更新，其中Pref1=0.95p.u.(950MW)，Pref2=0.8091p.u.(4046MW)。,更新后發電機的初始狀態如圖6-53。進入“渦輪和調速器”子系統，可以看見兩個勵磁系統輸入端口上的參考電壓被自動更新為Vref=Vref1=1.0p.u.。,圖6-53更新后的發電機初始參數(a)發電機M1；(b)發電機M2,6.4.2單相故障本節將對不使用SVC時的單相故障進行仿真，并觀測系統的暫態穩定性。電力系統中發電機經輸電線路并列運行時，在擾動下會發生發電機轉子間的相對搖擺，并在缺乏阻尼時引起持續振蕩。此時，輸電線路上功率也會發生相應振蕩。由于其振蕩頻率很低，一般為0.22.5Hz，故稱為低頻振蕩。電力系統低頻振蕩在國內外均有發生，常出現在長距離、重負荷輸電線路上，在采用現代快速、高頂值倍數勵磁系統的條件下更容易發生。這種低頻振蕩可以通過電力系統穩定器得到有效抑制。,此外，從理論分析上可知，當轉子間相角差為90時，發電機輸出的電磁功率達到最大值。若系統長期在功角大于90的狀況下運行，電機將失去同步，系統不穩定。設置SVC的參數Bref=0，即不使用SVC。設置三相故障模塊在0.1s時發生a相接地故障，0.2s時清除故障。分別對投入普通PSS、投入多頻段PSS、退出PSS三種情況進行暫態仿真。將這三種情況下的仿真結果疊加比較，如圖6-54所示。圖中波形從上到下依次為轉子間相角差、電機轉速和SVC端口上的正序電壓幅值。,圖6-54單相接地故障時的暫態仿真波形,從圖中可見，在故障期間，由于電機M1的電磁功