基于RT—Lab的電力系統(tǒng)無功—電壓特性實驗研究

田旭　徐譽嘉　武靈杰

摘要：通過Matlab/simulink搭建了IEEE9節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)模型，以調(diào)節(jié)變壓器分接頭和并聯(lián)無功補償設(shè)備兩種方法進(jìn)行電力系統(tǒng)無功—電壓特性實驗，經(jīng)過RT-Lab虛擬仿真，以可視化的手段將無功功率與電壓變化展示為物理圖像，使其便于觀察，進(jìn)一步加深學(xué)生對理論知識的理解，為培養(yǎng)電氣工程專業(yè)的學(xué)生從事電力系統(tǒng)運行、設(shè)計和理論研究提供必要的基礎(chǔ)，取得較好的教學(xué)效果。關(guān)鍵詞：仿真教學(xué)；電力系統(tǒng)；無功功率；電壓中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-9324（2018）20-0182-03 現(xiàn)代電力系統(tǒng)電壓等級越來越高，系統(tǒng)容量越來越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。僅用單機(jī)的無窮大系統(tǒng)模型來研究電力系統(tǒng)，不能全面地反映電力系統(tǒng)物理特性，如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化、潮流分布、多臺發(fā)電機(jī)并列運行的情況等[1]。在電力系統(tǒng)分析教學(xué)中，僅對復(fù)雜模型進(jìn)行理論介紹與公式推導(dǎo)常常晦澀難懂，枯燥乏味，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來感到困難，因此降低學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下。而且對于多節(jié)點復(fù)雜電力系統(tǒng)的研究，如若直接進(jìn)行真實的系統(tǒng)試驗，不僅試驗成本高，需要重復(fù)試驗、測試，而且一旦出現(xiàn)控制錯誤，很難糾正，大多數(shù)情況下難以達(dá)到預(yù)期的試驗和測試效果。如果恰當(dāng)?shù)厥褂每梢暬侄我哉宫F(xiàn)公式、模型的圖像[2]，使其變得直觀、形象，使學(xué)生獲得感性認(rèn)識，縮小理論與實踐的差距，則可以極大提高教學(xué)效果。RT-Lab虛擬仿真技術(shù)則可以很好地解決上述問題。RT-Lab是一種全新的基于模型的工程設(shè)計應(yīng)用平臺，可以靈活地應(yīng)用于多種工程系統(tǒng)仿真和控制場合。其獨創(chuàng)之處在于能把復(fù)雜的模型劃分成多個可以并行執(zhí)行的子系統(tǒng)，再把這些子系統(tǒng)分配到多個目標(biāo)機(jī)節(jié)點上，從而構(gòu)成一個可伸縮的真實的分布式并行實時仿真系統(tǒng)。將理想和實際有效統(tǒng)一的結(jié)合在一起。本實驗通過Matlab建立仿真模型、調(diào)節(jié)無功功率來進(jìn)行教學(xué)，通過RT-Lab對實驗結(jié)果進(jìn)行觀察記錄。讓學(xué)生在實驗中加深對理論的理解，通過動手做實驗，記錄數(shù)據(jù)來挖掘?qū)嶒灲Y(jié)果背后的科學(xué)原理，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與動手能力。對于無功功率的調(diào)節(jié)，通常使用幾種方法，比如改變發(fā)電機(jī)的勵磁電流來調(diào)節(jié)無功功率，增大勵磁電流可以使感應(yīng)電勢大于端電壓，從而使發(fā)電機(jī)的電流超前于端電壓，使發(fā)電機(jī)發(fā)出無功功率；在無功電源充足而局部電網(wǎng)電壓不滿足要求時，可以采用改變變壓器的變比調(diào)壓。首先采用無載調(diào)壓變壓器，當(dāng)無載調(diào)壓變壓器不能滿足要求時選用有載調(diào)壓變壓器[3]；改變負(fù)荷大小來調(diào)節(jié)無功；無功電源不足導(dǎo)致電壓水平下降的電力系統(tǒng)，考慮增加無功電源調(diào)壓，無功電源可以采用并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)、或者靜止無功補償器。在本實驗中，主要通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭、并聯(lián)電容補償?shù)确椒▉碚{(diào)節(jié)無功功率，從而得出無功功率和電壓特性的關(guān)系。讓學(xué)生在實驗中尋找規(guī)律，加深理解。一、IEEE 9節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)模型簡介IEEE 9節(jié)點模型是被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)模型，很多科研成果都使用該模型進(jìn)行仿真和驗證[1]。該模型由3臺發(fā)電機(jī)、3臺變壓器、9個節(jié)點、6條線路和3個負(fù)荷組成。相對于電力系統(tǒng)分析教材中常用的3節(jié)點環(huán)形電網(wǎng)模型，IEEE 9節(jié)點模型具有較大的復(fù)雜度和靈活性。選擇IEEE 9節(jié)點模型開展無功功率與電壓特性的實驗，可以使對電力系統(tǒng)無功-電壓特性具有更深入的理解，同時可以引發(fā)學(xué)生思考，提高學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。利用Matlab/Simulink建立的IEEE 9點節(jié)標(biāo)準(zhǔn)模型如圖1如示，其中發(fā)電機(jī)用理想電壓源代替，輸電線路采用Π型等值電路，負(fù)荷用電阻電感串聯(lián)支路代替。仿真模型建立后，可以通過RT-Lab虛擬仿真機(jī)進(jìn)行仿真，各個節(jié)點電壓以及各條線路的電流、功率都能夠在RT-Lab中實時顯示[4]。下面就分別通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭、并聯(lián)無功補償設(shè)備的方式來研究電力系統(tǒng)的無功—電壓特性[5]。（一）調(diào)節(jié)變壓器分接頭調(diào)節(jié)變壓器分接頭，實際就是改變變壓器兩端的變比，按此方法分別依次將每個變壓器的分接頭調(diào)節(jié)5%，運行仿真模型并記錄數(shù)據(jù)。由系列仿真結(jié)果圖和記錄的實驗數(shù)據(jù)表可以進(jìn)行看出，若變壓器1的分接頭由1.0pu變?yōu)?.05pu時，電壓變化最大的是節(jié)點7，節(jié)點4、6、7、8、9的電壓都有不同幅度的升高，其中升高幅度最大的是節(jié)點7，而節(jié)點5的電壓則有所降低。若變壓器2分接頭升高至1.05pu時，變化最大的是節(jié)點9，節(jié)點4、6至9的電壓升高，而節(jié)點5電壓降低。當(dāng)變壓器3的分接頭升高至1.05pu時，節(jié)點4至7，9的電壓升高，節(jié)點8電壓降低。總的來說，當(dāng)調(diào)節(jié)任意變壓器的分接頭時，距離此變壓器分接頭最近的節(jié)點電壓變化最大。（二）并聯(lián)電容補償常見的無功補償設(shè)備有固定電容器，靜止同步補償器和靜止無功發(fā)生器。由于本文主要關(guān)注電網(wǎng)的無功-電壓特性，不關(guān)注無功補償設(shè)備本身，所以選取電容器作為補償裝置。分別在圖1中節(jié)點5、7、9上并聯(lián)固定電容器支路，并通過斷路器的操作控制是否投入運行。仿真中設(shè)定0.5s時投入無功補償支路，投入前后的節(jié)點電壓暫態(tài)波形如圖所示。投入這三條無功補償支路后的節(jié)點電壓穩(wěn)態(tài)有效值數(shù)據(jù)如圖所示。從圖3可以看出，當(dāng)節(jié)點7并聯(lián)大小為35MVar的電容補償時，節(jié)點4、6、7、8、9的電壓都有不同幅度的升高，其中節(jié)點8的電壓升高幅度最大。但是節(jié)點5的電壓卻有所下降。這是由于增加無功補償設(shè)備后，電網(wǎng)中的潮流分布發(fā)生變化，不同線路的潮流變化不同，使得不同節(jié)點的電壓變化也不同。當(dāng)負(fù)荷9并聯(lián)50MVar的電容器時，節(jié)點4、5、6、7、9的電壓7、節(jié)點9、節(jié)點5、節(jié)點6、節(jié)點4的電壓均有不同幅度的升高，其中節(jié)點5升高的幅度最大，而節(jié)點8的電壓則有一定的降低。當(dāng)負(fù)荷5并聯(lián)大小為30MVar的電容補償時，變化最大的是節(jié)點6，節(jié)點4、6、7、9、節(jié)點6、節(jié)點4的電壓升高；節(jié)點5、8的電壓下降。總的分析可得，當(dāng)在某一節(jié)點并聯(lián)無功補償設(shè)備時，該節(jié)點及相鄰節(jié)點的電壓上升幅度較大。由圖4、圖5、圖6的仿真結(jié)果可以看出，節(jié)點5的暫態(tài)瞬時電壓峰值最低，斷路器動作瞬間，各個節(jié)點的電壓變化趨勢大體一致，在數(shù)值上小有差異。二、小結(jié)在研究復(fù)雜電力系統(tǒng)的時候，由于系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備元件眾多，學(xué)生時常難以理解，因此搭建仿真模型十分必要。通過仿真實驗，自己動手搭建模型，調(diào)節(jié)參數(shù)，觀察記錄實驗結(jié)果并總結(jié)規(guī)律，才能獲得更深刻的印象與理解。本文中搭建了仿真模型，并可令學(xué)生通過虛擬仿真觀察實驗結(jié)果，通過調(diào)節(jié)變壓器分接頭與并聯(lián)電容器兩種方法，讓學(xué)生切實了解無功功率—電壓特性與關(guān)系，提高學(xué)習(xí)興趣與效率，具有十分重要的教育意義。參考文獻(xiàn)：[1]沈天時，劉崇新，岳青，王李娟.基于改進(jìn)禁忌搜索法的IEEE30節(jié)點系統(tǒng)無功優(yōu)化[J].電工電氣，2015，（07）：19-23.[2]胡寬鵠.基于RT-LAB的主動配電網(wǎng)數(shù)字仿真平臺開發(fā)[D].湖南大學(xué)，2016.[3]馬金奎.對發(fā)電機(jī)無功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定行的研究[J].中國設(shè)備工程，2017，（18）：155-157.[4]傅望.RT-LAB分布式實時仿真系統(tǒng)及其在電力電子中的應(yīng)用[A].中國電機(jī)工程學(xué)會.2013年中國電機(jī)工程學(xué)會年會論文集[C].中國電機(jī)工程學(xué)會，2013：6.[5]馮宇.基于MATLAB的《電力系統(tǒng)分析》教學(xué)研究[M].2017.