基于MATLAB/Simulink的電力系統暫態穩定性分析與仿真

姜玉鵬

（國網江蘇省電力有限公司邳州市供電分公司，江蘇 徐州221300）

1 引言

電力系統的穩定性指當系統受到擾動后，不發生自發振蕩或非周期性失步，而能自動恢復到初始穩定運行狀態或過渡到新的穩定運行狀態的能力。電力系統的穩定性分析，對于促進電力系統的安全、可靠運行有重大意義。

Simulink是MATLAB提供的系統建模仿真工具。Simulink的electrical工具箱提供了各種電力元器件專業模塊，包括穩定性仿真分析所用的電力系統穩定器（PSS）、同步發電機、無窮大電源模塊等。

2 電力系統穩定性

2.1 電力系統穩定性分類

電力系統穩定性分為靜態穩定性和暫態穩定性。靜態穩定性是指系統在穩定運行狀態下，受到小的擾動后，能恢復到原來的運行狀態的能力；暫態穩定性是指系統在穩定運行狀態下，受到較大擾動后，能夠過渡到新的穩定運行狀態的能力。

2.2 提高暫態系統穩定性的措施

提高暫態穩定，首先考慮的是減少擾動后系統的加速面積，減小大擾動后發電機機械功率和電磁功率的功率差額。工程中通常采用自動勵磁調節器、快速自動重合閘、加裝電力系統穩定器（PSS）等。

但單一措施只能對某一范圍內的擾動有效果，當擾動超出一定范圍后，單純靠一種調節措施效果較差，因而工程實際中通常是對各種穩定性措施的綜合應用。

3 暫態穩定性建模與仿真

3.1 電力系統建模

正常運行時的簡單電力系統及其等效電路如圖1所示。一同步發電機（G）經過升壓/降壓變壓器（T1、T2）和雙回線路（L）與無窮大系統（U）連接。

圖1 簡單電力系統及其等效電路

3.2 暫態穩定性仿真

電力系統通常將短路故障作為檢驗系統暫態穩定性的仿真對象。

按圖1在Simulink中搭建研究其暫態穩定性的仿真模型如圖2所示。故障點采用三相故障模塊“Three-Phase Fault”，聯絡線L2兩側的斷路器通過調整時間參數可設置為重合閘模式，同步發電機自動勵磁調節器始終投入。仿真開始前，利用powergui模塊對電機進行初始化設置，仿真類型選擇“離散相量法”。

圖2 暫態穩定性仿真系統主框圖

3.2.1 快速重合閘

初始仿真：仿真開始0.1 s后發生三相接地短路故障，故障持續1 s；L2兩側斷路器在故障發生0.1 s后跳閘，跳閘1.8 s后重合；仿真時間設置5 s。

對比仿真：斷路器跳閘后不重合。

結果顯示，故障后，雖切除故障，由于故障對系統擾動太大，導致發電機轉速變化較為劇烈，功角快速擺動。若斷路器不重合，故障發生2.358 s后功角突破極限值，系統失去穩定；若斷開后重合，發電機轉速和功角雖發生振蕩，在仿真時間內系統未失去穩定。結果如圖3所示。

圖3 重合閘仿真結果

分析可知，故障切除后重合閘的使用可以有效提升系統的穩定性。

3.2.2 勵磁調節器

初始仿真：仿真0.1 s后發生A、B兩相接地短路故障，持續時間1 s；L2兩側斷路器故障發生0.1 s后跳閘，跳閘1.8 s后重合；勵磁調節器綜合放大系數Ka=300；仿真時間設置2 s。

對比仿真：勵磁調節器綜合放大系數Ka=30。

仿真結果如圖4所示，可見當Ka較大時，系統受到擾動后振蕩較小，在仿真時間內未失去穩定。分析可知，適當增大勵磁調節器的綜合放大系數可以有 效提高系統的穩定性。

圖4 勵磁調節器仿真結果

4 結語

本文通過構建單機無窮大系統的Simulink模型，對重合閘、自動勵磁調節等措施進行了仿真驗證，證明了對提高電力系統穩定性水平的有效性。但本文只對提高穩定性水平的單一措施進行了分析，實際上僅依靠某一項措施對提高系統抗擾動能力是有限的，為應對更大的系統擾動，需要多項措施的綜合應用。