Matlab电力系统工具箱在电力系统机电暂态仿真中的应用.pdf

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1、万方数据Matlab电力系统工具箱在电力系统机电暂态仿真中的应用周兆庆，陈星莺(河海大学电气工程学院，江苏南京210098)摘要：研究了Matlab6．0中电力系统工具箱SPS(simPowerSvstems)用于机电暂态仿真的可行性。相比于上一版本PSB(P0werSvstemBlockset)，SPS针对机电暂态仿真的特点，在算法上采用了滤去直流与谐波分量计算的相量法．应用自适应变步长技术避免了通过试算确定仿真步长的繁琐工作，简化了工作量。陈述了SPS机电暂态仿真的主要步骤，并分别对单机无穷大系统和WSCC一9三机九节点系统进行了小扰动和大扰动下的功角

2、稳定仿真，同时讨论了其仿真环境的设置与加速技巧。结果表明，SPS可用于电力系统机电暂态分析。且提高了仿真速度。关键词：仿真；机电暂态；Matlab；SPS；相量法中图分类号：TM743；TP391．9文献标识码：A文章编号：1006—6047(2005)04一0051一040引言Matlab是美国Mathworks公司推出的适用于多种学科的大型仿真软件。Matlab环境下的Simulink是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。运行于Simulink下的PSB(PowerSvstemBlockset)是针对电力系统的工具箱．从Matlab6．

3、O开始它被重新命名为SPS(SimPowerSvstems)。该工具箱的研究领域是用微分方程刻画的电力系统动态过程．如电磁暂态与机电暂态分析以及电力电子设备的仿真，目前尚不包含状态估计、连续潮流、最优潮流等稳态分析⋯。国内常用的电力系统仿真软件是中国电力科学研究院的综合程序PSASP[2-，它涵盖了电力系统分析的常见功能．并允许用户按照自己的需要设计特殊的模型而无须了解PSAsP内部结构和编程设计的条件．但是用户建模时的数据环境必须使用系统表内规定的信息，所以在仿真较复杂的控制手段时灵活性较差[3]。与PSASP相比SPS建模方便灵活。在Simulink环

4、境下SPS可以结合其他功能强大的工具箱构造出令人满意的模型，实现对复杂控制的仿真，SPS还允许用户使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。Matlab5．x中的PSB以适用于电磁暂态仿真的详细算法解算机电暂态过程，仿真结果虽然详细但速度过于缓慢⋯。以往国内更多地使用它进行电磁暂态仿真．对机电暂态仿真讨论的较少[4]。从Matlab6．O开始．SPS具备了针对机电暂态仿真的算收稿日期：2004一12—10法．本文就此研究了利用SPS进行电力系统机电暂态仿真的可行性，并对仿真环境的设置与加

5、速技巧进行了讨论。通过稳定仿真的实例证实了SPS在继承PsB建模方便直观的基础上．对算法作了合理的化简．仿真速度较PSB有了很大的提高，同样适用于机电暂态仿真。1SPS工具箱分析1．1PSB模型与算法特点电力系统暂态可分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

6、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[1．5]。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(10一s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[3]。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[3]，严重制

7、约了PSB在机电暂态仿真中的应用。万方数据1．2SPS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[刚，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

8、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