第9章

電力系統的MATLAB/SIMULINK建模與仿真9.1電力系統常用仿真軟件簡介目前常用的電力系統的仿真軟件有：（1）邦納維爾電力局(Bonnevi11ePowerAdministration,BPA)開發的BPA程序和EMTP(ElectromagneticTransientsProgram)程序；（2）曼尼托巴高壓直流輸電研究中心(ManitobaHVDCResearchCenter)開發的PSCAD/EMTDC(PowerSystemComputerAidedDesign/ElectromagneticTransientsProgramincludingDirectCurrent)程序；（3）德國西門子公司研制的電力系統仿真軟件：NETOMAC(NetworkTorsionMachineControl)；（4）中國電力科學研究院開發的電力系統分析綜合程序PSASP(PowerSystemAnalysisSoftwarePackage)；

（5）MathWorks公司開發的科學與工程計算軟件MATLAB(MatrixLaboratory，矩陣實驗室)。MATLAB的特點MATLAB的特點可概括為以下七點：(1)提供了便利的開發環境。(2)提供了強大的數學應用功能。(3)編程語言簡易高效。(4)圖形功能強大。(5)提供了功能強大的工具箱。(6)應用程序接口功能強大。(7)和其他高級程序相比，MATLAB程序的執行速度較慢。9.2MATLAB/SIMULINK的特點9.2MATLAB/SIMULINK的特點SIMULINK的特點SIMULINK具有如下特點：(1)建立動態系統的模型并進行仿真。(2)以直觀的方式建模。(3)增添定制模塊元件和用戶代碼。(4)快速、準確地進行設計模擬。(5)分層次地表達復雜系統。(6)交互式的仿真分析。9.2MATLAB/SIMULINK的特點SimPowerSystems庫的特點（1）使用標準電氣符號進行電力系統的拓撲圖形建模和仿真。（2）標準的AC和DC電機模型模塊、變壓糖、輸電線路、信號和脈沖發生輯、HVDC控制、IGBT模塊和大量設備模型。（3）使用SIMULINK強有力的變步長積分器和零點穿越檢測功能，給出高度精確的電力系統仿真計算結果。（4）利用定步長梯形積分算法進行離散仿真計算，為快速仿真和實時仿真提供模型離散化方法。（5）利用

Powergui交互式工具模塊可以修改模型的初始狀態，從任何起始條件開始進行仿真分析，例如計算電路的狀態空間表達、計算電流和電壓的穩態解、設定或恢復初始電流電壓狀態、電力系統的潮流計算等。（6）提供了擴展的電力系統設備模塊，如電力機械、功率電子元件、控制測量模塊和三相元器件。（7）提供大量功能演示模型，可直接運行仿真或進行案例學習。

9.3電力系統主要元件等效模型9.3.1簡化同步電機模塊SimPowerSystems庫中有兩種簡化同步電機模塊：標幺制單位（p.u.）下的簡化同步電機模塊和國際單位制（SI）下的簡化同步電機模塊。9.3.2同步電機模塊9.3電力系統主要元件等效模型SimPowerSystems庫中提供了三種同步電機模塊，用于對三相隱極和凸極同步電機進行動態建模，其圖標如圖10-6所示。圖10-6(a)為標幺制（p.u.）下的基本同步電機模塊，圖10-6(b)為標么制(p.u.)下的標準同步電機模塊，圖10-6(c)為國際單位制(SI)下的基本同步電機模塊。9.3.3電力變壓器模型9.3電力系統主要元件等效模型1．雙繞組三相變壓器模塊SimPowerSystems庫中提供的雙繞組三相變壓器模塊可以對線性或鐵芯變壓器進行仿真，圖標如圖9-8所示。圖9-8雙繞組三相變壓器模塊圖標9.3電力系統主要元件等效模型SimPowerSystems庫提供的三相三繞組變壓器模塊圖標如圖9-11所示。圖9-11三相三繞組變壓器模塊圖標2．互感線圈SimPowerSystems庫中提供的互感線圈模塊圖標如圖9-12(a)所示。如果不設第三個線圈的自感，則模塊成為兩個有互感的線圈，模塊圖標變為圖9-12(b)所示。9.3電力系統主要元件等效模型3.其他除了三相雙繞組和三繞組變壓器外。SimPowerSystems庫中還提供了其它一些變壓器模塊，如圖9-14所示。這些模塊包括“單相線性變壓器”(LinearTransformer)、“單相飽和變壓器”(SaturableTransformer)、“三相6端口變壓器”(Three-PhaseTransformer12Terminals)、“移相變壓器”(ZigzagPhase-ShiftingTransformer)。圖9-14其他變壓器模塊圖標9.3電力系統主要元件等效模型9.3.4輸電線路等效模型1．RLC串聯支路模型9.3電力系統主要元件等效模型2．PI型等效電路模塊9.3電力系統主要元件等效模型3．分布參數線路模塊9.3電力系統主要元件等效模型1．靜態負荷模塊9.3.5負荷模型9.3電力系統主要元件等效模型2．三相動態負荷模塊

三相動態負荷模塊有3個電氣連接端子，1個輸出端子。3個電氣連接端子(A，B，C)分別與外電路的三相相連。如果該模塊的功率受外部信號控制，該模塊上還將出現第4個輸入端子，用于外部控制有功和無功功率。輸出端子（m）輸出3個內部信號，分別是正序電壓V（單位：p.u.）、有功功率P（單位：W）和無功功率Q（單位：Var）。9.3電力系統主要元件等效模型3．異步電動機模塊9.3電力系統主要元件等效模型異步電動機模塊分為標幺制(p.u.)下和國際單位制(SI)下的兩種模塊。圖9-27異步電動機模塊的圖標（a）標幺值；（b）國際單位制9.3電力系統主要元件等效模型4．直流電動機模塊SimPowerSystems庫中直流電機模塊的圖標如圖9-29。圖9-29直流電機模塊圖標9.4Powergui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。

9.4.1主窗口功能簡介

MATLAB提供的Powergui模塊在SimPowerSystems庫中，圖標如圖9-31所示。

圖9-31powergui模塊圖標圖9-32Powergui模塊主窗口9.4Powergui模塊9.4.2穩態電壓電流分析窗口9.4Powergui模塊9.4.3初始狀態設置窗口圖9-34“初始狀態設置”窗口9.4.4潮流計算和電機初始化窗口9.4.5LTI視窗9.4.6阻抗依頻特性測量窗口9.4.7FFT分析窗口9.4.8報表生成窗口9.4.9磁滯特性設計工具窗口9.4.10計算RLC線路參數窗口9.5.1連續系統仿真9.5電力系統穩態仿真9.5電力系統穩態仿真（2）Powergui仿真由圖9-45可見，PI形電路左側的電壓相量為244.88∠0.19kV，PI形電路右側的電壓相量為166.41∠3.66

kV，PI形電路上的電流為529.21∠-86.12

A。負荷側電流為610.17∠-86.15

A。9.5.2離散系統仿真9.5電力系統穩態仿真（2）參數設置。雙擊例9.2模型文件中PI形電路模塊，打開參數對話框，將分段數設為10，如圖9-48所示。圖9-48例9.2的PI形電路參數對話框9.5電力系統穩態仿真（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9-51所示。(4)仿真精度比較。9.5電力系統穩態仿真9.5.3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9.3用相量法分析例9.2。9.5電力系統穩態仿真9.6.1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。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9-58所示。圖9-58單相斷路器模塊圖標9.6電力系統電磁暫態仿真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9-60所示。圖9-60三相斷路器模塊圖標3.三相故障模塊圖9-63三相故障模塊圖標9.6電力系統電磁暫態仿真9.6.2暫態仿真分析例9.4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9-65搭建仿真單相電路圖，選用的各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9-66所示。斷路器模塊Breaker的參數設置如圖9-67所示。其余元件參數與例9.2相同，仿真參數的設置也與例9.2相同。仿真結束時間取為0.02s。9.6電力系統電磁暫態仿真9.6電力系統電磁暫態仿真（3）不同輸電線路模型下的仿真。按例9.2的方法，設置線路為l段PI形電路、10段H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9-68所示。

由圖9-68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，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。9.6電力系統電磁暫態仿真9.6電力系統電磁暫態仿真9.7電力系統機電暫態仿真

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δ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（SVC)以及電力系統穩定器（PSS)。圖9-70電力系統暫態穩定性分析的仿真系統圖9.7電力系統機電暫態仿真9.7.1輸電系統的描述圖9-70是一個簡單的500kV輸電系統圖。圖中，一個1000MVA的水輪發電廠(Ml)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