MATLAB在水电厂开关站仿真建模中的应用

来源：爱够旅游网

四川工业学院学报

JournalofSichuanUniversityofScienceandTechnology

文章编号:100025722(2004)0320082205

邵建设,刘小兵

(西华大学能源与环境学院,四川成都　610039)

摘　要:　作者以MATLAB中电力系统模块的结构和功能,结合某一水电厂开关站为仿真原形,在MAT2LAB的Simulink环境下,建立了单台水轮发电机组及多台水轮发电机组并联运行、多路负载的开关站的仿真模型,并仿真了线路三相短路时,线路和水轮发电机的电流和电压的变化情况。通过对仿真结果进行分析,取得了较满意的仿真结果。

关键词:　水电厂开关站;MATLAB;仿真模型　　中图分类号:TM16文献标识码:A

0　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少的工具,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。

MATLAB一词是由MATRIX和LABORATORY复合生成的,

1　在MATLAB中建立电力系统仿真模型

1.1　MATLAB中TOOLBOX工具箱中Powerblockset模块的

特点

MATLAB中有若干个用于不同理论和技术问题的工具箱(TOOLBOX),这些工具箱都是在MATLBA\\SIMULINK环境下由

各个领域的专家开发出来的,而MATLAB\\Simulink\oolbox\\

Powerblockset是由加拿大魁北克电力公司开发出来的。电力

原意是矩阵实验室。MATLAB环境(或语言)由美国的Cleve

Moler博士于1980年研制成功。CleveMoler博士研制它的初衷

专家们在Powerblockset中的贡献在于构建电力系统分析用到的上百个交互式库函数,和用MATLAB语言编制的3.MDL文

件,将电力系统分析模块(Powerblockset)与MATLAB\\

SIMULINK连接起来。电力系统分析模块中主要有各种同步机、

是使它具有强大的矩阵处理方面的功能。现代控制理论界的

专家们面对高维数的控制问题,渴求一种比当时流行的高级语言更具有可读性的语言,因而,MATLAB语言的面世,首先被控制理论界的专家们所关注。他们在MATLAB的基础上开发出控制理论与CAD专门的应用程序集(TOOLBOX),从而使得

MATLAB语言成为在国际控制理论界最为流行最为广泛的的语

异步机、变压器、直流机、特殊电机的线性和非线性的、有名值和标么值系统的、不同仿真精度的设备模型库;单相、三相的分布和集中参数的传输线;单相、三相断路器及各种电力系统的负荷模型,还有一些保护器件如氧化锌压敏器件等。相比企业版的其它同类软件,MATLAB\\Simulink\\Toolbox\\Powerblock

set元件种类侧重于理论性和常规技术性问题所涉及的内容。

言。

1992年,由Mathworks公司推出的MATLAB4.0版本更是一

个具有高度集成系统,它集可靠的数值运算、图像与图形显示处理及声音处理于一身,并提供了丰富的WINDOWS图形界面设计方法,为用户在不失强大功能的前提下设计出友好的图形界面提供了便利的工具。1998年Mathworks公司推出MATLABversion5.2,它增加的POWERSYSTEMBLOCK(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,目前国内外许多电力系统的研究工作已开始用它作为仿真分析软件[1]～[3]。

MATLAB具有较强的开放性,用户可以利用它设计全新的

另外,还有电力半导体器件库:SCR(普通晶闸管)、GTO(门极可

关断晶闸管)、IGBT(功率场效应晶体管)、GTR(大型晶体管)以及基于Simulink的各种专门用于电力系统测量和分析的工具。从上述元件库的种类和数量及MATLAB\\Simulink平台支持,可见MATLAB\\Simulink\\Powerblockset的功能和作用[5]。

1.2　电力系统模块可完成以下功能11211　电力系统的稳态分析

(译为状电力系统分析模块中有一个功能,叫做“Stateflow”

态流),特别适用于含有一台或多台同步发电机的简单或复杂

元件(包括元件的图形显示、所需参数、内部算法等)。在以后推出的MATLAB新的版本中,又不断地增加新的仿真模块[4]。

作者利用最新版本的MATLAB,以某一水电厂开关站为仿真原形,在MATLAB的Simulink环境下,建立了单台水轮发电机的仿真模型,并依此建立了多台水轮发电机并联运行、多路负载的开关站的仿真模型,并仿真了线路三相接地短路时,线路和水轮发电机的电压和电流的变化情况。

电力系统的稳态分析。至于系统中各个节点的潮流可以通过各节点的电压、电流相量值或通过MATLAB的命令来完成稳态潮流计算。

11212　电力系统的暂态分析

主要是时域仿真分析和特征根分析这两种方法,前者适用于含有一台或多台同步发电机的简单或复杂电力系统的时域

收到日期:2003204201　　　　修改日期:2004203209

作者简介:邵建设(19702),男,湖北省黄岗市人,西华大学能源与环境学院2001级硕士研究生,主要从事水电仿真研究。

第23卷第3期　　　　　　　　　　邵建设等:MATLAB在水电厂开关站仿真建模中的应用暂态分析。电力系统分析模块中含有约80个时域仿真分析示例(在MATLAB6.1ReIease12.1中),每一个实例实际上是演示某些电力系统分析模块功能的使用方法或一个电力系统中典型问题的时域仿真。

1.3　在MATM6中建立电力系统模型的方法11311　物理建模方法

2.2　水轮发电机组仿真模型的建立

实际的水轮发电机的是由很多的子系统组成的,建立所有

子系统的数学模型是相当复杂的。但当研究它在整个系统中的作用时,进行适当的简化,进行模块化的建模。按照水轮发电机组的工作示意图,在MATLAB的Simulink\\PowerSystemblockset环境下,用其中已经搭建好了的一些模块,构建水轮发电机组的数学模型,其数学模型如图2所示。

利用MATLAB中固有元件模型(如电阻、电感、电力电于器件等)构建元器件的物理模型。模型构建完毕后,可以直接利用“Createsubsystem”建立模块,并利用“Editmask”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MATLABPSB中已提供的元件模型。11312　数学建模方法

利用MATLBA\\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。2　水轮发电机组模型的建立2.1　水轮发电机组自动控制系统简介水轮发电机组主要由水轮机、发电机、水轮机调速器、发电机励磁装置、闸门控制系统及其它辅助装置组成。自动发电控制(AGC)单元,通过各种负荷给定方式:(1)由运行人员在中心控制室和梯级控制调度中心给定全厂总负荷或机组设定值;(2)由负荷曲线自动给定开停机计划和机组的负荷分配;(3)由上级计算机监控系统根据AGC/EDC算法给定全厂总负荷,再由中心控制室计算机分配给各机组。从而实现电站的频率保持或接近额定值;高压线路的输出有功功率保持或接近规定值;确定最佳的机组运行台数、机组的组合方式和机组的最佳有功功率分配,进行电站机组出力的闭环调节,并实现自动开停机。自动电压控制(AVC)单元,根据调度中心的要求和安全约束条件,合理分配机组间的有功功率设定值,经机组控制单元调节机组励磁,维持高压母线电压在给定的变化范围内,必要时自动开停机。发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成:励磁功率单元向同步发电机转子提供直流励磁电流,励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元大输出,整个励磁自动控制系统由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统,通过它可以调节系统电压的稳定和无功功率的平衡。水轮发电机组的调速系统是由调速器、执行机构、水轮机及发电机组成的一个闭环控制系统,通过它可以调节系统频率和有功功率的平衡。水轮发电机组的工作原理示意图见图1。

图2中,HTG(Hydraulicturbineandgovernor)模块为水轮机及其调速器(PID调节)的模型,MachinesMeasurementDemux模块为发电机运行参数测量模块,ExcitationSystem模块为励磁控制单元,SynchronousMachine模块为同步发电机模型。在HTG模块中,输入端wref为设定水轮机的转速(标么值);输入端pref为设定输出有功功率(标么值);输入端we为水轮发电机的实际转速,实际转速的数据从发电机运行测量模块(MachinesMesure2mentDemux)的输出端wm得来;输入端Pe为发电机的实际输出有功功率,其数据从测量模块(MchinesMesuremetDemux)的输出端得来;输入端dw为发电机转子转速偏差值,它通过转速测量模块的输出端dw得来,输出端gate为导叶开度输出端;pm为调速器的调整发电机有功功率电压输出端。在ExcitationSystem模块中,输入端vref为发电机定子电压输出设定值,输入端vd为发电机转子电压纵轴(d轴)分量,输入端vq为发电机转子电压横轴(q轴)分量,它们分别通过从发电机测量模块的输出端vs-qd(定子d轴和q轴电压),经过模块Demux分离成定子电压

d轴和q轴分量得来;输入端vstab为电压稳定器输入端(此处接地);输出端vf为励磁电压输出端。在SynchronousMachine同

步发电机模块中,pm和vf分别为发电机有功和无功调整输入端;A,B,C为发电机定子三相电压输出端,wm为发电机参数输出测量端。励磁电压vf,定子三相电流Iabc,及发电机转子的转速Speed,分别通过三个示波器模块来测量其运行参数值。2.3　构建水轮发电机子模块

在SIMULINK环境下,输入相关的一些电气参数,创建水

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轮发电机组仿真模型子模块,该模块外形图如图3所示。

3　水电厂开关站仿真模型的建立

3.1　某一水电厂开关站系统接线图的建立(见图4)

3.1.1　水电厂开关站(其中一负载单相接地)仿真模型

利用上述建立的水轮发电机组模型,建立其中输出负载回

路中有单相短路的开关站仿真模型,如图5所示。该模型中,三台水轮发电机组均为额定功率230MVA,额定电压13.8KV,

三台发电机主变为210MVA,13.8KV/230KV,母线为220KV母

线,输出负载分别为10MW、20MW、30MW,10MW和20MW回路接有大电感负载。三台发电机组的输出线电流和线电压,水轮机转速,励磁电压波形分别通过示波器(Viabc、vf、

第23卷第3期　　　　　　　　　　邵建设等:MATLAB在水电厂开关站仿真建模中的应用

speed)来测量。输出负载的线电压和线电流分别通过从三相电压电流测量装置(three2phaseV2Imesu2rement)的输出端Vabc和Iabc输出信号,再通过示波器V4、V5来测量显示。30MW负载

(FaultInitiation)设定30MW负荷三相接地短路开始时间在t=15.0s时发生短路,进行仿真运行。3.1.3　仿真结果分析

回路三相通过接地模拟装置(32PhaseFault)接地,三相接地短路时刻的控制通过时间控制器(FaultInitiation)来控制。

3.1.2　水电厂开关站模型的仿真运行

通过示波器(Viabc,vf,speed,V4,V5)分别观察三台发电机组的输出线电流和线电压、转子励磁电压、转子转速,10MW负

荷和20MW负荷的输出线电压和线电流,及30MW负荷的输出线电压、线电流和三相的接地电流的变化情况。见图6所示。

在MATLAB/Simulink/Powersystemblockset中,设置仿真运

行的各种参数,设置仿真时间(本例为25秒),通过时间控制器

　　从图6a～图6h可以看出,随着时间的推移,整个电路逐渐达到平衡状态。三台发电机组三相输出电压、电流和发电机励磁电压、转子转速,以及三回负载回路的输出电压和电流逐渐达到稳态运行状态。在t=15.0s时,30MW负载回路发生三相

接地短路,导致220kV母线发生三相接地短路,此时,三台发电机端电压突然降低(微小波动,由于电压的自动调整),定

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子输出电流急剧增大,励磁电压和发电机转速都瞬间增大,以

满足突然增大的输出容量的需要。220kV母线电压降低(发生微小波动),同时10MW和20MW回路输出电流由于大电感负载的作用发生大幅度增加。而30MW负载回路由于三相接地短路输出电流急剧增大。在t=15102s时,三相短路故障消除。此后,发电机机端输出电压、输出电流和励磁电压及发电机转子转速又逐渐向三相稳态状态变化,最后达到稳态运行状态。

方便迅速地对所研究的电力系统对象进行各种暂态和稳态数字仿真,并且可以取得较满意的效果。

参

考

文

献

[1]陆　超,庸义良,谢小荣,等.仿真软件MATLABPSB与PSASB

模型及仿真分析[J]1电力系统自动化,2000,24(9):23～26.

[2]彭江南.MATLAB及其在电力系统仿真研究中的应用[J].沈阳

电力高等专科学校学报,2000,2(1):28～31.

[3]冯　华.500kV变电站计算机网络监控系统[J].自动化仪表,2001,22(9):45～46.

[4]沈艳霞,周　平,纪志成.MATLAB在电力电子学仿真中的应用[J].无锡轻工大学学报,2001,20(1):92～95.

[5]韩利祝,王　华.MATLAB电子仿真与应用[M].北京:国防工业

4　结论

对计算数据和获取仿真的水电厂开关站的实际运行数据

资料进行比较后,发现两者较吻合。这说明,通过仿真建模,建立水轮发电机组的数学仿真模型,并在此基础上建立的带有三相接地短路的开关站的仿真模型是适当和正确的,建模方法和手段是恰当的。表明利用MATLAB提供的电力系统工具箱,可

出版社,2001.

ApplicationofMATLABinSimulationModelingforaHydropowerSubstation

SHAOJian2she,LIUXiao2bing

(SchoolofEnergyandEnvironmentofXihuaUniversity,Chengdu610039SichuanChina)

Abstract:TheauthorsanalyzedthePowerSystemBlocksetintheSIMULINKofMATLAB,anddevelopedasimulationmodelforasinglehy2dropowergeneratorself2controlledsystem,andasimulationmodelofasubstationofahydropowerstationwiththreehydropowergeneratorsandthreedistributionloadsexistingapointofphase2to2groundfaultaccordingtoasinglehydropowergeneratorsimulationmodel.Thesatisfactorysimulationre2sultswereobtainedfromtheanalysisofthesimulation.

Keywords:hydropowerstationsubstation;MATLAB;simulationmodel

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