1、第6章 電力系統穩態與暫態仿真 第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.1 Powergui模塊模塊 6.2 電力系統穩態仿真電力系統穩態仿真 6.3 電力系統電磁暫態仿真電力系統電磁暫態仿真 6.4 電力系統機電暫態仿真電力系統機電暫態仿真 習題習題 第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.1 Powergui模塊模塊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

2、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；第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-1 Powergui模塊圖標第6章 電力系統穩態與暫態仿真 雙擊Powergu

3、i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”(Simulation Type)和“分析工具”(Analysis Tools)兩塊內容，簡介如下。1. 仿真類型仿真類型1) “相量法仿真”(Phasor simulation)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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-2 Powergui模塊主窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 2) “離散系統仿真”(Discretize electrical model)單選框點擊該單選

4、框后，在“采樣時間”(Sample time)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”(Show message during analysis)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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 2. 分析工具分析工具1) “穩態電壓電流分析”(Steady-State Voltages an

5、d Currents)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”(Initial States Setting)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”(Load Flow and Machine Initialization)按鍵打開潮流計算和電機初始化窗口。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 4) “LTI視窗”(Use LTI Viewer)按鍵打開窗口，使用“控制系統工具箱”(Control System Toolbox)的LTI視窗。5) “阻抗依頻特性測量”(Impedance

6、vs. Frequency Measurement)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”(FFT Analysis)按鍵打開FFT分析窗口。7) “報表生成”(Generate Report)按鍵打開窗口，產生穩態計算的報表。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 8) “磁滯特性設計工具”(Hysteresis Design Tool)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”(Compute RLC Line Parameters)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R

7、LC參數。6.1.2 穩態電壓電流分析窗口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：第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-3 “穩態電壓電流分析”窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (1) “穩態值”(Steady state value)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：

8、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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (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”(Nonlinear elements)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”(floating point)以科學計數法顯示5位有效數字；“最優格式”(best o

9、f)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”(Update Steady State Values)按鍵：重新計算并顯示穩態電壓、電流值。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.1.3 初始狀態設置窗口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”(Initial state values for simulation)

10、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”(Set selected state)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”(Reset all States)：選擇從“穩態”(To Steady State)或者“零初始狀態”(To Zero) 開始仿真。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (4) “加載狀態”(Reload States)：選擇從“指定的文件”(From File)中加載初始狀態或直接以“當前值”(From Diagram)作為初始狀態開始仿真。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-4 “初始狀態設置”窗

11、口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (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”(Save Initial States)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”(Sort values by)下拉框：選擇初始狀態值的顯示順序。“默認順序”(Default order)是按模塊在電路中的順序顯示初始值；“狀態序號”(State number)是按狀態

12、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”。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.1.4 潮流計算和電機初始化窗口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”(Machines load flow)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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6

13、-5 潮流計算和電機初始化窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (3) “節點類型”(Bus type)下拉框：選擇節點類型。對于“PV節點”(P&V Generator)，可以設置電機的端口電壓和有功功率；對于“PQ節點”(P&Q Generator)，可以設置電機的有功和無功功率；對于“平衡節點”(Swing Bus)，可以設置終端電壓UAN的有效值和相角，同時需要對有功功率進行預估。如果選擇了非同步電機模塊，則僅需要輸入電機的機械功率；如果選擇了三相動態負荷模塊，則需要設置該負荷消耗的有功和無功功率。(4) “終端電壓UAB”(Terminal voltage UAB)文本

14、框：對選中電機的輸出線電壓進行設置(單位：V)。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (5) “有功功率”(Active power)文本框：設置選中的電機或負荷的有功功率(單位：W)。(6) “預估的有功功率”(Active power guess)文本框：如果電機的節點類型為平衡節點的話，設置迭代起始時刻電機的有功功率。(7) “無功功率”(Reactive power)文本框：設置選中的電機或負荷的無功功率(單位：var)。(8) “電壓UAN的相角”(Phase of UAN voltage)文本框：當電機的節點類型為平衡節點時，該文本框被激活。指定選中電機a相相電壓的相角。第6章 電力系統

15、穩態與暫態仿真 (9) “負荷頻率”(Load flow frequency)下拉框：對潮流計算的頻率進行設置，通常為60 Hz或者50 Hz。(10) “負荷潮流初始狀態”(Load flow initial condition)下拉框：常常選擇默認設置“自動”(Auto)，使得迭代前系統自動調節負荷潮流初始狀態。如果選擇“從前一個結果開始” (Start from previous solution)，則負荷潮流的初始值為上次仿真結果。如果改變電路參數、電機的功率分布和電壓后負荷潮流不收斂，就可以選擇這個選項。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (11) “更新電路和測量結果”(Update

16、Circuit & Measurements)按鍵：更新電機列表，更新電壓相量和電流相量，更新“電機潮流分布”列表框中的功率分布。其中的電機電流是最近一次潮流計算的結果。該電流值儲存在電機模塊的“初始狀態參數”(Initial conditions)文本框中。(12) “更新潮流分布”(Update Load Flow)按鍵：根據給定的參數進行潮流計算。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.1.5 LTI視窗視窗打開“LTI視窗”窗口如圖6-6所示。該窗口中含有以下內容：(1) “系統輸入”(System inputs)列表框：列出電路狀態空間模型中的輸入變量，選擇需要用到LTI視窗的輸

17、入變量。(2) “系統輸出”(System outputs)列表框：列出電路狀態空間模型中的輸出變量，選擇需要用到LTI視窗的輸出變量。(3) “打開新的LTI視窗”(Open New LTI Viewer)按鍵：產生狀態空間模型并打開選中的輸入和輸出變量的LTI視窗。(4) “打開當前LTI視窗”(Open in current LTI Viewer)按鍵：產生狀態空間模型并將選中的輸入和輸出變量疊加到當前LTI視窗。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-6 “LTI視窗”窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-7 “阻抗依頻特性測量”窗口6.1.6 阻抗依頻特性測量窗口阻抗依頻特性測量窗

18、口打開“阻抗依頻特性測量”窗口如圖6-7所示。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 該窗口中含有以下內容： (1) 圖表：窗口左上側的坐標系表示阻抗頻率特性，左下側的坐標系表示相角頻率特性。(2) “測量模塊”(Measurement)列表框：列出模型文件中的阻抗測量模塊，選擇需要顯示依頻特性的阻抗測量模塊。使用“Ctrl”鍵可選擇多個阻抗顯示在同一個坐標中。(3) “范圍”(Range)文本框：指定頻率范圍(單位：Hz)。該文本框中可以輸入任意有效的MATLAB表達式。(4) “對數阻抗”(Logarithmic Impedance)單選框：坐標系縱坐標的阻抗以對數值形式表示。第6章 電力系統穩態

19、與暫態仿真 (5) “線性阻抗”(Linear Impedance)單選框：坐標系縱坐標的阻抗以線性形式表示。(6) “對數頻率”(Logarithmic Frequency)單選框：坐標系橫坐標的頻率以對數值形式表示。(7) “線性頻率”(Linear Frequency)單選框：坐標系橫坐標的頻率以線性形式表示。(8) “網格”(Grid)復選框：選中該復選框，阻抗頻率特性圖和相角頻率特性圖上將出現網格。默認設置為無網格。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (9) “更新后保存數據”(Save data when updated)復選框：選中該復選框后，該復選框下面的“工作間變量名” (Wor

20、kspace variable name)文本框被激活，數據以該文本框中顯示的變量名被保存在工作間中。復數阻抗和對應的頻率保存在一起。其中頻率保存在第1列，阻抗保存在第2列。默認設置為不保存。(10) “顯示/保存”(Display/Save)按鍵：開始阻抗依頻特性測量并顯示結果，如果選擇了“更新后保存數據”(Save data when updated)復選框，數據將保存到指定位置。6.1.7 FFT分析窗口分析窗口打開“FFT分析”窗口如圖6-8所示。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-8 “FFT分析”窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 該窗口中含有以下內容：(1) 圖表：窗口左上側的

21、圖形表示被分析信號的波形，窗口左下側的圖形表示該信號的FFT分析結果。(2) “結構”(Structure)下拉框：列出工作間中帶時間的結構變量的名稱。使用下拉菜單選擇要分析的結構變量。這些結構變量名可以由“示波器”(Scope)模塊產生。打開示波器模塊參數對話框，選中“數據歷史”(Data history)標簽頁，如圖6-9所示，在“變量名”(Variable name)文本框中輸入該結構變量的名稱，在“存儲格式”(Format)下拉框中選擇“帶時間的結構變量”(Structure with time)。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-9 由“示波器”模塊產生結構變量第6章 電力系統穩

22、態與暫態仿真 這些結構變量名也可以由“到工作間”(To Workspace)模塊產生，如圖6-10所示。打開該模塊的對話窗口，并在“變量名”(Variable name)文本框中輸入該結構變量的名稱，“存儲格式”(Save format)為“結構變量”(Structure)。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-10 由“到工作間”模塊產生結構變量(a) “到工作間”模塊圖標；(b) “到工作間”模塊參數對話框第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (3) “輸入變量”(Input)下拉框：列出被選中的結構變量中包含的輸入變量名稱，選擇需要分析的輸入變量。(4) “信號路數”(Signal numbe

23、r)下拉框：列出被選中的輸入變量中包含的各路信號的名稱。例如，若要把a、b、 c三相電壓繪制在同一個坐標中，可以通過把這三個電壓信號同時送入示波器的一個通道來實現，這個通道就對應一個輸入變量，該變量含有3路信號，分別為a相、b相和c相電壓。(5) “開始時間”(Start time)文本框：指定FFT分析的起始時間。(6) “周期個數”(Number of cycles)文本框：指定需要進行FFT分析的波形的周期數。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (7) “顯示FFT窗/顯示完整信號”(Display FFT window/Display entire signal)下拉框：選擇“顯示完整信號

24、”(Display entire signal)，將在左上側插圖中顯示完整的波形；選擇“顯示FFT窗”(Display FFT window)將在左上側插圖中顯示指定時間段內的波形。(8) “基頻”(Fundamental frequency)文本框：指定FFT分析的基頻(單位：Hz)。(9) “最大頻率”(Max Frequency)文本框：指定FFT分析的最大頻率(單位：Hz)。(10) “頻率軸”(Frequency axis)下拉框：在下拉框中選擇“赫茲”(Hertz)使頻譜的頻率軸單位為Hz，選擇“諧波次數” (Harmonic order)使頻譜的頻率軸單位為基頻的整數次倍數。第6

25、章 電力系統穩態與暫態仿真 (11) “顯示類型”(Display style)下拉框：頻譜的顯示類型可以是“以基頻或直流分量為基準的柱狀圖”(Bar(relative to Fund. or DC)、“以基頻或直流分量為基準的列表”(list (relative to Fund. or DC)、“指定基準值下的柱狀圖”(Bar (relative to specified base)、“指定基準值下的列表”(List (relative to specified base)四種類型。(12) “基準值”(Base value)文本框：當“顯示類型”下拉框中選擇“指定基準值下的柱狀圖”或“指定

26、基準值下的列表”時，該文本框被激活，輸入諧波分析的基準值。(13) “顯示”(Display)按鍵：顯示FFT分析結果。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.1.8 報表生成窗口報表生成窗口打開“報表生成”窗口如圖6-11所示。該窗口中含有以下內容：(1) “報表中包含的內容”(Items to include in the report)：包括“穩態”(Steady state)復選框、“初始狀態”(Initial states)復選框和“電機負荷潮流”(Machine load flow)復選框，這三個復選框可以任意組合。(2) “報表中的頻率”(Frequency to include i

27、n the report)下拉框：選擇報表中包含的頻率。可以是60 Hz或者全部，默認為60 Hz。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (3) “單位”(Units)下拉框：選擇以“峰值”(Peak)還是“有效值”(Units)顯示數據。(4) “格式”(Format)下拉框：與6.1.2節相關內容相同。(5) “報表生成”(Create Report)按鍵：生成報表并保存。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-11 “報表生成”窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.1.9 磁滯特性設計工具窗口磁滯特性設計工具窗口打開“磁滯特性設計工具”窗口如圖6-12所示。該窗口中含有以下內容：(1) “磁滯

28、曲線”(Hysteresis curve for file)圖表：顯示設計的磁滯曲線。(2) “分段”(Segments)下拉框：將磁滯曲線做分段線性化處理，并設置磁滯回路第1象限和第4象限內曲線的分段數目。左側曲線和右側曲線關于原點對稱。(3) “剩余磁通”(Remanent flux Fr)文本框：設置零電流對應的剩磁。(4) “飽和磁通”(Saturation flux Fs)文本框：設置飽和磁通。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-12 “磁滯特性設計工具”窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (5) “飽和電流”(Saturation current Is)文本框：設置飽和磁通對應的

29、電流。(6) “矯頑電流”(Coercive current Ic)文本框：設置零磁通對應的電流。(7) “矯頑電流處的斜率”(dF/dI at coercive current)文本框：指定矯頑電流點的斜率。(8) “飽和區域電流”(Saturation region currents)文本框：設置磁飽和后磁化曲線上各點所對應的電流值，僅需設置第1象限值。注意該電流向量的長度必須和“飽和區域磁通”的向量長度相同。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (9) “飽和區域磁通”(Saturation region fluxes)文本框：設置磁飽和后磁化曲線上各點所對應的磁通值，僅需要設置第1象限值。注

30、意該向量的長度必須和“飽和區域電流”的向量長度相同。(10) “變壓器額定參數”(Transfo Nominal Parameters)文本框：指定額定功率(單位：VA)、一次繞組的額定電壓值(單位：V)和額定頻率(單位：Hz)。(11) “參數單位”(Parameter units)下拉框：將磁滯特性曲線中電流和磁通的單位由國際單位制(SI)轉換到標幺制(p.u.)或者由標幺制轉換到國際單位制。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (12) “放大磁滯區域”(Zoom around hysteresis)復選框：選中該復選框，可以對磁滯曲線進行放大顯示。默認設置為“可放大顯示”。6.1.10 計算

31、計算RLC線路參數窗口線路參數窗口打開“計算RLC線路參數”窗口如圖6-13所示。該窗口可分為三個子窗口，左上窗口輸入常用參數(單位、頻率、大地電阻和文件注釋)，右上窗口輸入線路的幾何結構，下方窗口輸入導線的特性。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-13 “計算RLC線路參數”窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 1. 常用參數子窗口常用參數子窗口(1) “單位”(Units)下拉框：在下拉菜單中，選擇以“米制”(metric)為單位時，以厘米作為導線直徑、幾何平均半徑GMR和分裂導線直徑的單位，以米作為導線間距離的單位；選擇以“英制”(english)為單位時，以英寸作為導線直徑、幾何平均半

32、徑GMR和分裂導線直徑的單位，以英尺作為導線間距離的單位。(2) “頻率”(Frequency)文本框：指定RLC參數所用的頻率(單位：Hz)。(3) “大地電阻”(Ground resistivity)文本框：指定大地電阻(單位：m)。輸入0表示大地為理想導體。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (4) “注釋”(Comments)多行文本框：輸入關于電壓等級、導線類型和特性等的注釋。該注釋將與線路參數一同被保存。2. 線路幾何結構子窗口線路幾何結構子窗口(1) “導線相數”(Number of phase conductors(bundle)文本框：設置線路的相數。(2) “地線數目”(Num

33、ber of ground wires(bundle)文本框：設置大地導線的數目。(3) 導線結構參數表：輸入導線的“相序”(Phase number)、“水平擋距”(X)、“垂直擋距”(Y tower)、“擋距中央的高度”(Y min)、“導線的類型”(Conductor(bundle)type)共五個參數。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 3. 導線特性子窗口導線特性子窗口(1) “導線類型的個數”(Number of conductor types or bundle types)文本框：設置需要用到導線類型(單導線或分裂導線)的數量。假如需要用到架空導線和接地導線，該文本框中就要填“2”

34、。(2) “導線內電感計算方法”(Conductor internal inductance evaluated from)下拉框：選擇用“直徑/厚度”(T/D ratio)、“幾何平均半徑”(Geometric Mean Radius(GMR)或者“1英尺(米)間距的電抗”(Reactance Xa at 1-foot spacing)進行內電感計算。(3) “考慮導線集膚效應”(Include conductor skin effect)復選框：選中該復選框后，在計算導線交流電阻和電感時將考慮集膚效應的影響。若未選中，電阻和電感均為常數。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (4) 導線特性參數

35、表：輸入導線“外徑”(Conductor Outside diameter)、“T/D”(Conductor T/D ratio)、“GMR” (Conductor GMR)、“直流電阻”(Conductor DC resistance)、“相對磁導率”(Conductor relative permeability)、“分裂導線中的子導線數目”(Number of conductors per bundle)、“分裂導線的直徑”(Bundle diameter)、“分裂導線中1號子導線與水平面的夾角”(Angle of conductor 1)共八個參數。(5) “計算RLC參數”(comp

36、ute RLC parameters)按鍵：點擊該按鍵后，將彈出RLC參數的計算結果窗口。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (6) “保存”(Save)按鍵：點擊該按鍵后，線路參數以及相關的GUI信息將以后綴名.mat被保存。(7) “加載”(Load)按鍵：點擊該按鍵后，將彈出窗口，選擇“典型線路參數”(Typical line data)或“用戶定義的線路參數” (User defined line data)將線路參數信息加載到當前窗口。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.2 電力系統穩態仿真電力系統穩態仿真6.2.1 連續系統仿真連續系統仿真以例4.4為例，說明Powergui模塊在電力

37、系統穩態仿真分析中的應用。【例【例6.1】計算例4.4的潮流分布，并利用Powergui模塊實現連續系統的穩態分析。解：解：例4.4看似一個極簡單的電路，可是它的潮流分析卻不簡單。已知電源側的電壓幅值、相角和額定電壓下的負荷大小，這意味著在求出負荷側電壓前，負荷未知，因此按潮流計算的理論進行分析，這種電路必須經過一些假設，并反復迭代計算，直到逼近真實解。但是，利用Powergui模塊卻很簡單。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-14 例6.1的系統仿真圖(1) 重新布置系統仿真圖，如圖6-14所示。相對例4.4，本例添加了新的模塊，新增模塊的名稱及提取路徑如表6-2所示。第6章 電力系統穩態

38、與暫態仿真 表表6-2 例例6.1新增模塊的名稱及提取路徑新增模塊的名稱及提取路徑(2) Powergui仿真。打開Powergui模塊窗口，選中“連續系統仿真”(Continuous)單選框后，點擊“穩態電壓電流分析”按鍵，出現穩態電壓電流分析窗口，如圖6-15所示。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-15 例6.1的穩態電壓電流分析窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖中，狀態變量用電流和電壓的符號加上電感或電容的模塊名表示，例如“I1_110Mvar”表示110Mvar負荷上的電流大小，“Uc_input：Pi Line”表示PI形線路左側并聯電容器上的電壓大小，“Uc_output：

39、Pi Line”表示PI形線路右側并聯電容器上的電壓大小，“I1_section _1：Pi Line”表示第一段PI形線路串聯電感上的電流大小。電壓源上電壓的名稱與系統電壓源名稱一致，如“Vs”表示電壓源Vs上的電壓大小。測量模塊測得的電壓值用測量模塊的名稱表示，如“V1”表示電壓表模塊V1測得的電壓大小(電源側電壓)，“V2”表示電壓表模塊V2測得的電壓大小，“I2”表示電流表模塊I2測得的電流大小。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 由圖6-15可見，PI形電路左側的電壓相量為244.88 0.19 kV，PI形電路右側的電壓相量為166.413.66kV，PI形電路上的電流為529.21.

40、0886.12 A，負荷側電流為610.1786.15 A。因此，負荷大小為MVA76.50168. 0)66. 315.86(217.610241.166*IVS(6-1) 第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-16所示為直接通過測量模塊得到的PI形電路兩側電壓和實際負荷大小。圖中波形從上到下依次為PI形電路左側電壓、PI形電路右側電壓、負荷側有功功率、負荷側無功功率。該結果與Powergui所得結論一致。利用測量模塊還可以得到電源側電流的大小，這樣就可以很容易求到線路各處的功率分布、功率損耗和電壓損耗了。讀者可以動手試一試，并和電力系統分析課程中潮流計算的相關內容進行比較。仿真時，特別是在

41、對含電機的電路或者節點較多的電力系統，往往希望仿真開始時系統處于某種指定的初始狀態。下例將說明對系統初始狀態的設置方法。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-16 例6.1的仿真波形圖第6章 電力系統穩態與暫態仿真 【例【例6.2】改變例6.1的初始狀態，使仿真開始時，電路處于零初始狀態。解：解：打開Powergui模塊窗口，點擊“初始狀態設置”按鍵，出現初始狀態設置窗口，如圖6-17所示。點擊按鍵“to zero”將全部狀態變量的初始值設為0，回到模型文件主窗口，重新開始仿真，得到仿真波形如圖6-18所示。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-17 例6.2的初始狀態設置窗口第6章 電力系統

42、穩態與暫態仿真 圖6-18 例6.2的仿真波形圖第6章 電力系統穩態與暫態仿真 由仿真波形圖可見，當仿真從零初始狀態開始時，線路兩側的電壓在仿真初期不是理想正弦波。簡單地說，就是合閘引起了一個暫態過程。從“波”的角度來講，就是合閘后在線路上引起了“波”過程，“波”在阻抗不連續點(線路兩端)不斷進行折射和反射，形成了圖6-18所示的波形。如果系統中存在電機模塊，電機模塊的初始狀態需要通過“潮流計算和電機初始化”按鍵進行設置。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 【例【例6.3】利用Powergui模塊設置例4.2同步發電機的初始狀態。解：解：例4.2中直接在同步發電機參數對話框中輸入了初始狀態，這些初

43、始狀態實際上是由Powergui模塊自動產生的。首先在同步發電機參數對話窗口(見圖6-19)的初始狀態文本框中輸入初始狀態0 0 0 0 0 0 0 0 1，確認后關閉該對話框。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-19 例6.3的同步發電機參數對話窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 點擊“潮流計算和電機初始化”按鍵，進入潮流計算和電機初始化設置窗口，如圖6-20所示。該窗口中只顯示了一個電機模塊，名為SM_p.u.，選中該模塊，并點擊“更新潮流分布”按鍵，更新負荷潮流，窗口左側將顯示更新后的負荷潮流分布情況。現在重新打開同步發電機參數對話窗口(見圖6-21)，可以看到，初始狀態已經自動更新了

44、。同步發電機的初始狀態設置好后，剩下的仿真工作就可交給讀者了。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-20 例6.3的潮流計算和電機初始化設置窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-21 更新后的同步發電機參數對話窗口第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.2.2 離散系統仿真離散系統仿真連續系統仿真通常采用變步長積分算法。對小系統而言，變步長算法通常比定步長算法快，但是對含大量狀態變量或非線性模塊(如電力電子開關)的系統而言，采用定步長離散算法的優越性更為明顯。對系統進行離散化時，仿真的步長決定了仿真的精確度。步長太大可能導致仿真精度不足，步長太小又可能大大增加仿真運行時間。判斷步長是否合適的唯

45、一方法就是用不同的步長試探并找到最大時間步長。對于50 Hz或60 Hz的系統，或者帶有整流電力電子設備的系統，通常2050 s的時間步長都能得到較好的仿真結果。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 對于含強迫換流電力電子開關器件的系統，由于這些器件通常都運行在高頻下，因此需要適當地減小時間步長。例如，對運行在8 kHz左右的脈寬調制(PWM)逆變器的仿真，需要的時間步長為1 s。【例【例6.4】將例4.4中的PI形電路的段數改為10，對系統進行離散化仿真并比較離散系統和連續系統的仿真結果。解：解： (1) 重新布置系統仿真圖，如圖6-22所示。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-22 例6-4的

46、系統仿真圖第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (2) 參數設置。雙擊例4-4模型文件中PI形電路模塊，打開參數對話框，將分段數改為10，如圖6-23所示。打開Powergui模塊，選擇“離散系統仿真”單選框，設置采樣時間為25e-6 s，如圖6-24所示。仿真時該系統將以25 s的采樣率進行離散化。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-23 例6-4的PI形電路參數對話窗 第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-24 例6-4的Powergui模塊參數對話窗 第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-25 例6-4的仿真參數設置對話窗由于系統離散化了，因此在該系統中無連續的狀態變量，所以不需要采用變步長

47、的積分算法進行仿真。打開菜單SimulationConfiguration parameters對話框，按圖6-25設置仿真參數，選擇“定步長”(Fixed-step)和“離散”(discrete(no continuous states)選項并設置步長為25 s。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-26 例6-4的仿真運行時間(3) 仿真運行時間比較。為了得到仿真運行時間，在MATLAB命令窗口輸入如下命令：tic; sim(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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 可見，離散化系統后，仿真運行時

48、間為0.188 s。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0.219 s。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=0 s； 離散系統仿真，Ts=25 s； 離散系統仿真，Ts=50 s。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 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”(Data history)，去掉“僅保留最新的數據點”(Limit data points

49、 to last)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”(Save data points to workspace)復選框，將變量名指定為V2，格式為“列”(Array)。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-27 例6-4示波器V2的參數設置(a) 波形；(b) 參數標簽頁 第6章 電力系統穩態與暫態仿真 開始連續系統仿真，仿真結束時間選為0.02 s。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=25 s，注意仿真參數中的步長設置也要改為25 s，仿真結束

50、時間為0.02 s。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=50 s。仿真結束后，將電壓V2保存在變量V2d50中。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 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)第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-28 三種仿真方法波形比較第6章 電力系統穩態與暫態仿真 使用圖形窗口中的放大功能，將目標集中到0.0045 s附近觀察三種仿真的差別。如圖6-29所示，25

51、s下的仿真結果與50 s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50 s的步長不但可以提高計算速度而且不影響仿真的精確度。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-29 放大后三種仿真波形比較第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.2.3 相量法仿真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【例6.5】用相量法分析例6.4。解：解：

52、(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50 Hz。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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-30 例6.5的Powergui模塊相量法分析圖標第6章 電力系統穩態與暫態仿真 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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (2) 仿真。開始仿真，得到輸電線路送端

53、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1 p.u.，相角為0.19；V2側電壓幅值為0.67 p.u.，相角為3.66。這和圖6-16穩態分析的結論一致。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-32 例6.5的仿真結果(a) V1；(b) V2第6章 電力系統穩態與暫態仿真 6.3 電力系統電磁暫態仿真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”(circuit breakers)模塊或者電力電子設備的開斷實現。6.3.1 斷路器模塊斷路器模塊SimPowerSystems庫提供的斷路器模塊可以對開關的投切進行仿真。斷

54、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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 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

55、流源和空載電路串聯，則必須使用緩沖電路。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 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”(Breaker resistance Ron)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”(Initial st

56、ate)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”(Snubber resistance Rs)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。 第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-34 單相斷路器模塊參數對話框第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (4) “緩沖電容”(Snubber capacitance Cs)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”(Switchin

57、g times)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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (6) “外部控制”(External control of switching times)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

58、壓”(Branch voltages)：測量斷路器電壓。 “斷路器電流”(Branch currents)：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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-35 三相斷路器模塊圖標 “所有變量”(Branch voltages and currents)：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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 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

59、含有以下參數：(1) “斷路器初始狀態”(Initial status of breakers)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”(Switching of phase A)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”(Switching of phase B)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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 圖6-36 三相斷路器模塊參數對話框 第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (4) “C相開關”(Switchin

60、g of phase C)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 (Transition times)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”(External control of switching times)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”(Breaker resistance Ron)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。第6章 電力系統穩態與暫態仿真 (