基于MATLAB的电力系统新型元件的仿真建模及分析 - 文章

基于MATLAB的电力系统新型元件的仿真建模及分析

作者：汤亚芳施怀瑾杨赢

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摘要：提出了利用MATLAB来建立用户自定义模型的两种方法，并用方法二建立了新型静止无功补偿器(ASVG)的仿真模型。对一个含有ASVG的简单的电力系统进行了仿真分析，取得了满意的仿真结果。
关键词：电力系统；仿真；建模；MATLAB；新型静止无功补偿器(ASVG)

引言

电力系统动态仿真已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可缺的工具，特别是电力系统新技术的开发研究、新装置设计、参数确定更是需要仿真来进行确认。目前常用的电力系统的仿真软件有EMTP、NETOMAC、PSASP等。1998年Mathworks公司推出MATLAB Version 5.2，它增加的power system block(PSB)是针对电力系统而设计的仿真软件模块，它的元件模型比较多，功能也比较全面，目前许多电力系统的研究工作已开始用它作为仿真分析软件，见文献[4]、[5]。MATLAB 具有较强的开放性，用户可以利用它设计全新的元件(包括元件的图形显示、所需参数、内部算法等)。2000年MATLAB Version 5.3 推出，PSB得到了一定的完善，本文主要介绍利用MATLAB Version 5.3来建立新型静止无功补偿器(Advantage static var generator:ASVG)的仿真模型，并对一个含有ASVG的电力系统进行了仿真研究，同时指出了在利用MATLAB进行电力系统仿真时应注意的问题。

1 在MATLAB中建立电力系统新元件模型的方法

在MATLAB中建立电力系统新元件模型可归纳为以下两种方法：

(1)物理建模方法：

利用MATLAB PSB中固有元件模型(如电阻、电感、，电力电子器件等)构建新元件的物理模型。模型构建完毕后，可以直接利用“Create subsystem”建立模块，并利用“Edit mask”对该模块进行参数设定、模型图形显示的编辑。

如果该仿真研究的目的是探讨元件的内部性能，即器件级的仿真，一般可采用这种方法建模。但是使用该建模方法有一个前提条件：构成新元件模型的元器件必须是MATLAB PSB 中已提供的元件模型。

(2)数学建模方法：

利用MATLAB SIMULINK 中的控制函数模块来构建新元件的数学模型。如果仿真的目标是研究元件的外部特性，即系统级的仿真，则一般可采用这种方法来建模。

值得注意的是：利用SIMULINK建立的自定义元件的数学模型不能直接与PSB中的元件模型同时使用，必须在数学模型后连接一个控制电流源(controlled current source)或控制电压源(controlled voltage source)模块，该元件数学模型才能转变为PSB中的元件模型。

2 新型静止无功补偿器(ASVG)模型的建立

2．1 ASVG简介

ASVG是FACTS元件的一种，它主要是利用大功率门极可关断晶闸管(GTO)构成的逆变桥为主电路,并通过其控制系统达到对电力系统的电压、无功、暂态稳定等控制作用。ASVG的运行原理图见图1.

图1 ASVG的运行原理图

ASVG的数学模型为：

中ω0为d-q坐标系的旋转角频率，与三相系统电压角频率相同；K为逆变器调制比；R,L分别为ASVG的等值电阻和电感；C为ASVG直流侧电容值；δ为ASVG输出电压与系统电压之间的相角差，Us为系统电压，Udc为直流电容电压。

由于ASVG必须具备多种功能，因此ASVG控制器的控制算法应该有多种，可根据需要选择使用。有电压控制算法，无功功率控制算法、PSS算法、神经网络算法等。图2为ASVG的一种非线性PI电压控制算法传递函数框图。

图2 PI逆系统电压控制框图

2．2 ASVG仿真模型的建立

实际的ASVG是由许多子系统构成的，将ASVG所有子系统的物理模型全都建立起来是相当复杂的，而且在研究ASVG对系统的控制作用及动态特性的影响时，即做ASVG系统级的仿真时，不用按实际的ASVG接线来建模，此时可根据ASVG的数学模型来建立ASVG的仿真模块。也就是按照数学建模方法来建立ASVG的仿真模型。

按照数学建模构建的控制系统(如图2所示)的仿真模型如图3，可利用SIMULINK的封装功能将图3所有的模块封装成一个控制模块。其输入为ASVG接入点处系统三相电压，输出为δ角及电压瞬时有效值Us.

图3 在MATLAB中构建的ASVG的控制系统

对用数学模型表示的ASVG,可以利用SIMULINK中的S—函数编写数学模型的内部算法，然后再利用SIMULINK的封装产生一个S函数文件相对应的对话框和模块图标，建立一个能和SIMULINK模块库中的模块一起使用的新模块。该仿真模型的输入为系统电压的瞬时有效值Us和δ，输出为ASVG的三相电流。为将该模块与电力系统连接起来，必须在三相输出电流后连接三个“controlled current source ”模块。

这样，ASVG的仿真模型就建立起来了，为验证仿真模型的正确性，可以将它与系统连接起来，研究它对系统动态特性的影响，并将仿真结果与用其他仿真软件得到的结果相对照。

3 含有ASVG的电力系统仿真

3．1 ASVG的电压控制作用

仿真系统接线如图4所示，图4中各个元件的参数附文后。

图4 含有ASVG的单机-无穷大系统接线图

假设在t=0.3 s时，230 kV系统负荷由50 MW突增至250 MW.图5(a)表示ASVG未接入系统时，t=0.3时系统负荷增加，系统电压下降，图5(b)表示ASVG接入系统，t=0.3 s系统负荷增加，而电压基本维持不变。可见ASVG能够稳定节点的电压。

图5 变压器高压侧母线电压 (a)ASVG未接入系统； (b)ASVG接入

3．2 ASVG对系统的低频振荡的阻尼作用

假设在t=0 ms时在发电机母线上发生三相低频振荡，振荡频率为2 Hz,而振幅是20%正常电压。图6(a)是ASVG未接入系统时发电机母线的电压，可见出现了三相低频振荡。图(b)是ASVG接入系统后，发电机母线电压的变化曲线，可见三相低频振荡得到了抑制。

图6 系统发生低频振荡时发电机母线电压 (a)ASVG未接入系统； (b)ASVG接入

3．3 ASVG对系统暂态稳定性的影响

假设t=0.3 s时，线路2出现了三相短路故障，而故障在t=0.4 s被切除。在该仿真分析中主要是观察发电机转速的变化曲线。当ASVG未接入系统时，通过发电机转速的变化曲线可看出，发电机转速不断增大，最后在t=6 s时系统失去稳定。当ASVG接入系统后，观察发电机转速的变化曲线，可见发电机转速在故障期间出现了波动，但很快趋于稳定值。因此，ASVG的使用提高了系统的暂态稳定性。

图7 发电机转速变化曲线 (a)ASVG未接入系统；(b)接入在MATLAB中构建的ASVG控制系统

3．4 仿真结果的可靠性

将以上的仿真结果与文献[5](采用EMTP仿真软件)中对ASVG的仿真结果相对照可见，两者是相符的。这说明利用MATLAB来建立的ASVG的模型是正确的，说明了建模方法的正确性和仿真分析的可靠性。

4 总结

(1) MATLAB version 5.3中的PSB是一种专门应用于电力系统动态仿真的工具箱，其中的电力系统的元件模型相当丰富。用户还可以利用MATLAB本身的一些工具来建立自定义模型，作者在本文总结了两种建模方法，利用方法二建立了ASVG的仿真模型，并利用该ASVG模型进行了电力系统的仿真分析，仿真分析的结果证明了建模方法的正确性。

(2) 利用MATLAB可以方便的进行电力系统潮流计算，稳定分析，新元件的设计及测定。但是在仿真过程中，有两个问题必须引起注意。

1)构建模型时要保持系统接地点的数目的平衡。即每增加一个非线性元件(增加一个状态变量)时，就应该增加相应的接地负荷。因为 MATLAB在进行仿真时是通过微分方程和电路方程来实现的，因此每增加一个状态变量时，相应的微分方程的阶数也将增加，相应的系数矩阵的行数与列数也应该相应增加。为保证仿真计算的正确性，因此必须相应增加接地回路数。

2)要正确设定电机的初值。在利用MATLAB进行电力系统动态仿真时，为保证仿真从稳定状态下开始进行，必须正确的设定电机的初始参数。因此首先应该利用MATLAB PSB中的Power GUI模块进行潮流计算，然后将潮流计算得出的电机的励磁电压及机械功率稳态值作为电机的初始值输入，这样就能从稳定状态下开始进行动态仿真了。

附录：仿真系统参数

发电机：Pn=200 MVA,Vn=138 kV,xd=1.305,xd′=1.01,xd″=0.252,

xq=0.474,xq″=0.243,Td=1.01 s,Td′=0.053,Tq0″=0.1 s

(未标注单位者均为标幺值，下同)

变压器：接法，变比——230 kV/13.8 kV，Rm=Xm=500,R1=R2=0.08

线路：采用串联电抗来表示， X1=X2=X3=16.7 Ω

无穷大电源：V=2.30 kV,R=0,X=4.4 Ω

ASVG：直流电容值为12.7 μF ，等值电阻R=2.37 Ω,等值电感94.4 mH,逆变器变比K=1.273

参考文献：
[1] 贺仁睦．电力系统动态仿真准确度的探究[Ｊ]．电网技术，2000，24(12)：1-4.
[2] 陆超，唐义良，谢小荣，等．仿真软件MATLAB PSB与PSASB模型及仿真分析[Ｊ]．电力系统自动化，2000，24(9)：23-26.
[3] J D Ainsworth,M Davies,P.Jfitz，et al．Static VAR compensator(STATCOM) based on single-phase chain circuit converters[Ｊ]．IEE Proc-Gener Transm.Distrib.1998,145(4):381-386.
[4] 郑三保，程时杰．UPFC动态特性仿真研究[Ｊ]．电力系统自动化， 2000，24(7)：26-29.
[5] B M Han，G G Karady，J K Park ，et al．Interaction Analysis Model or Transmission Static Compensator with EMTP[Ｊ]．IEEE Trans on Power Delivery,1998,13(4):1297-1302.
[6] Rahman M， AhmedM，Gutman R，et al．UPFC Application on the AEP System：Planning Considerations[Ｊ]．IEEE Trans on PWRS,1997,12(4):350-358.
[7] 黄文梅，杨勇，熊桂林，等．系统分析与仿真[Ｍ]．长沙：国防科技大学，1999.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/31/2005)


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