电力系统多机系统暂态稳定计算实现

用现有的基本功能模块与自己编制的算法生成自定义模块并将其加入到元件库中，从而最大限度地减少模型误差、提高精度。

4.1.1 SPS工具箱分析

4.1.1.1 PSB模型与算法特点

电力系统暂态可分为为毫秒级的电磁暂态和秒级的机电暂态，两者在分析时采用了不同的假设：前者在电机转速恒定的假设下计算电气量，后者忽略了对转矩影响很小的直流与谐波分量。为了提高仿真速度并避免微分方程的刚性问题， 在PSASP中这两种仿真的模型与算法均是分开的。SPS与PSB则未做此划分，它们对两种暂态的计算使用同一组元件模型。以发电机为例，标准模型的微分方程组除了包含发电机转子电势与机械运动共六阶之外还有定子暂态两阶。

PSB机电暂态仿真时采用与电磁暂态仿真相同的详细算法解算，其算法有连续法和离散法两种，它们建立在最基本的电路原理和微分方程求解的基础之上，在每一个周期内均采用微秒级的仿真步长(10?5秒级)，逐点求取基波、直流与谐波分量，故障情况下电机定子电流中会出现直流与高次谐波分量，电磁功率曲线带有小幅波动。此时PSB实质上是在进行电磁与机电暂态的混合仿真，在较短时间内可以获得电磁暂态仿真结果，但由于机电暂态过程暂态时间长、状态变量多，即使是对规模很小的系统仿真一次也要耗费数十小时严重制约了PSB在机电暂态仿真中的应用。

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4.1.1.2 SPS相对于 PSB 的改进

SPS采用的模型与PSB相同，但在解算方法上作了改进。PSB仿真过程中存在直流与谐波分量的计算，两种分量对电磁暂态有意义而对机电暂态则贡献很小，为求取它们必须采用微秒级的步长，造成PSB机电暂态仿真速度缓慢。对此SPS增加了滤去直流与谐波分量计算的相量法，取消了电气状态量不能跃变的约束，将计算内容固定为额定频率下的交流量，仿真步长因此可由微秒级提高至毫秒级，从而减少了仿真步数、缩短了仿真时间。求解相量方程时SPS采用了隐式梯形法，将微分方程在每一时步上差分化为代数方程，同潮流方程一道用牛拉法解算，这不但克服了微分与代数方程之间的交接误差而且具有良好的稳定性。 由于对步长具有较好的鲁棒性，用户可以选择Simulink微分方程解算器提供的专门针对刚性系统的变步长数值积分方法，使解算器视状态量变化趋势自动选择每一步的步长，而无须通过试算确定。

4.1.2 Power GUI

(Power Graphical User Interface)Power GUI模块为我们进行电力系统仿真分析提供了非常有用的图形用户界面。其功能Phasor simulation使得整个仿真模型在给定的频率下进行仿真。此相量解法比MATLAB的标准解法要快很多。因为在此解法中，网络微分方程由一系列固定频率的代数方程代替，从而大大减少了仿真时间，这将非常适用于多机系统的暂态稳定性仿真。在搭建仿真模型和设置一定仿真参数后，直接进行多机系统的仿真，系统在开始一段时间内往往不是处在稳态，甚至这种状态会持续很长时间。为了使多机模型在开始进行仿真时便处于稳态，

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必须学会使用Load Flow and Machine Initializations模块。这个模块中最主要的功能是进行潮流计算，并初始化各发电机、励磁系统、HTG(水轮机及调速器)和STG(汽轮积极调速器)；通过Update Load Flow按键，模型自动进行潮流计算，并把计算后实际状态的有功、无功、机械功率、励磁电压等参数直接传递给模型中的发电机、励磁系统、HTG或STG模块，使得多机模型的仿真直接从稳态进行。另外，Machines列表框将显示模型中所包含的简化同步发电机、同步发电机、非同步发电机和三相动态负荷模块的名称及其各项参数。Bus type列表框用于设定所选发电机的母线类型(包括PV Generator、PQ Generator、Swing Bus)。

4.2 两机系统的MATLAB PSB 建模

MATLAB PSB 提供了丰富的电力及电气系统元件模型，在Simulink 运行环境下，用户只需应用鼠标拖放的方式将所需电气元件的模块添加到模型编辑窗口，并将它们连接起来，就可以快速地组建仿真模型，从而实现电力系统的仿真计算。现运用PSB 提供的模块构建两个水电厂的发电机经过线路相连的复杂电力系统，即两机系统的Simulink 仿真模型，见图4.1所示。

图4.1中同步水轮发电机1的参数设置为：salient-pole( 凸极机)，1000 MVA，13.8 kV，60 Hz，xd=1.305，xd′=0.296，xd″=0.252，xq=0.474，xq″=0.2430，xl=0.18，Rs=2.8544e-3( p.u.)，Td′=1.01s，Td″=0.053s，Tq0″=0.1s，H=3.7s，p=32。各电抗、电阻均为标幺值( p.u.) 。同步水轮发电机2的的参数设置：只有额定视在功率与同步水轮发电机1不同，为5000MVA，其他参数相同。

变压器1参数设置为：1000MVA，60 Hz，Delta(D1) /Yg 接线，13.8 /500 kV，R1=R2= 2e-3( p.u.)，L1=0( p.u.)，L2=0.12( p.u.)，Rm= Lm =500( p.u.)。变压器2参数设置：只有额定视在功率与变压器1不同，为5000MVA，其他参数也相同。

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输电线路1选分布参数模型，每回参数设置为：R1=0.01755 ohm/km， R0=0.2758 ohm/km，L1=0.8737e-3H/km， L0=3.220e-3 H/km，C1 =13.33e-9 F/km， C0 =8.297e-9 F/km； 电压等级为500kV，线路长度为350km， 输电线路2和3的参数与线路1相同。

负荷1的参数为：Y(ground)，P=210MW，QL= QC =0var，负荷2的参数为：Y(ground），P=4400MW，QL= QC =0var，并联小负荷的原因是PSB中电感支路( 如变压器) 不能和电流源或可被认为是电流源的非线性元件( 如发电机) 直接相连。

静态无功补偿SVC的初始设置：运行方式为无功功率控制，Bref=0。 励磁系统1模块包含了自动电压调节器AVR和励磁机，参数采SPS提供的默认值，ωref=1，Vref=1，Pref=0.95。励磁系统2模块也包含了自动电压调节器AVR和励磁机，参数也采用SPS提供的默认值，ωref=1，Vref=1，Pref=0.809094。

电力系统稳定器PSS采用了两种类型的模块，即Generic Power System Stabilizer 和Multi-Band Power System Stabilize模块，需设置的参数包括量测时间常数、冲洗器时间常数、超前和滞后时间常数、增益及输出限幅， 本文也采用SPS 提供的默值。

4.2.1仿真流程

用SPS仿真电磁暂态有5个主要步骤\

a. 在Simulink环境下用电力系统元件模块通过鼠标拖拉图形化地搭接系统。 b. 联接各模块并填写参数，SPS会检查用户搭接的方块图是否恰当，若有错误将显示错误信息。

c. 在系统分析图形界面（PowerGUI）中计算系统稳态潮流并设定状态量初始值，确定电力系统状态变量运动轨迹的起始点。然后，选择适合于电磁暂态仿真的相

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