MATLAB在水电厂开关站仿真建模中的应用

四川工业学院学报

J ournal of Sic h uan University of Science an d Tec h nology

文章编号:100025722(2004)0320082205

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。

MAT LAB 在水电厂开关站仿真建模中的应用

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M AT LAB 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M AT 2LAB 的S imulink 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;M AT LAB ;仿真模型 中图分类号:T M16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E MTP 、NET OM AC 、PS ASP 等。

M AT LAB 一词是由M ATRIX 和LABORAT ORY 复合生成的,

原意是矩阵实验室。M AT LAB 环境(或语言)由美国的Cleve

M oler 博士于1980年研制成功。Cleve M oler 博士研制它的初衷

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,M AT LAB 语言的面世,首先被控制理论界的专家们所关注。他们在M AT LAB 的基础上开发出控制理论与C AD 专门的应用程序集(T OO LBOX ),从而使得

M AT LAB 语言成为在国际控制理论界最为流行最为广泛的的语

言。

1992年,由Mathw orks 公司推出的M AT LAB 4.0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WI NDOWS 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Mathw orks 公司推出M AT LAB version5.2,它增加的POWER SY STE M BLOCK (PS B )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]。

M AT LAB 具有较强的开放性,用户可以利用它设计全新的

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M AT LAB 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M AT LAB ,以某一水电厂开关站为仿真原形,在M AT LAB 的S imulink 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。

1　在M AT LAB 中建立电力系统仿真模型

1.1　MAT LAB 中TOOLBOX 工具箱中Pow er block set 模块的

特点

M AT LAB 中有若干个用于不同理论和技术问题的工具箱(T OO LBOX ),这些工具箱都是在M AT LBA \SI M U LI NK 环境下由

各个领域的专家开发出来的,而M AT LAB \S imulink \toolbox \

P ower block set 是由加拿大魁北克电力公司开发出来的。电力

专家们在P ower block set 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M AT LAB 语言编制的3.M D L 文

件,将电力系统分析模块(P ower block set )与M AT LAB \

SI M U LI NK 连接起来。电力系统分析模块中主要有各种同步机、

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,M AT LAB \S imulink \T oolbox \P ower block

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。

另外,还有电力半导体器件库:SCR (普通晶闸管)、G T O (门极可

关断晶闸管)、IG BT (功率场效应晶体管)、G TR (大型晶体管)以及基于S imulink 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M AT LAB \S imulink 平台支持,可见M AT LAB \S imulink \P ower block set 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

电力系统分析模块中有一个功能,叫做“S tate flow ”

(译为状态流),特别适用于含有一台或多台同步发电机的简单或复杂

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M AT LAB 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

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M AT LAB6.1ReIease 12.1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

利用M AT LAB 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“Create subsystem ”建立模块,并利用“Edit mask ”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M AT LAB PS B 中已提供的元件模型。11312　数学建模方法

利用M AT LBA \SI M U LI NK 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(AG C )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AG C/E DC 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(A VC )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。

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M AT LAB 的S imulink \P ower System blockset 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。

图2中,HTG (Hydraulic turbine and g overnor )模块为水轮机及其调速器(PI D 调节)的模型,Machines Measurement Demux 模块为发电机运行参数测量模块,Excitation System 模块为励磁控制单元,Synchronous Machine 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(Machines Mesure 2ment Demux )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(Mchines Mesuremet Demux )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Excitation System 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v f 为励磁电压输出端。在Synchronous Machin

e 同

步发电机模块中,pm 和v f 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v f ,定子三相电流Iabc ,及发电机转子的转速S peed ,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SI M U LI NK 环境下,输入相关的一些电气参数,创建水

3

8第23卷第3期 邵建设等:M AT LAB 在水电厂开关站仿真建模中的应用

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230M VA ,额定电压13.8K V ,

三台发电机主变为210M VA ,13.8K V/230K V ,母线为220K V 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 、v f 、

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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(three 2phase V 2I mesu 2rement )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

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

3.1.2　水电厂开关站模型的仿真运行

在M AT LAB/S imulink/P ower system blockset 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

(Fault Initiation )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

通过示波器(Viabc ,v f ,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

。

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

5

8第23卷第3期 邵建设等:M AT LAB

在水电厂开关站仿真建模中的应用

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。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M AT LAB提供的电力系统工具箱,可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

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Application of MAT LAB in Simulation Modeling for a H ydropow er Substation

SH AO Jian2she,LI U X iao2bing

(School of Energy and Environment of X ihua University,Chengdu610039S ichuan China)

Abstract:The authors analyzed the P ower System Blockset in the SI M U LI NKof M AT LAB,and developed a simulation m odel for a single hy2 dropower generator self2controlled system,and a simulation m odel of a substation of a hydropower station with three hydropower generators and three distribution loads existing a point of phase2to2ground fault according to a single hydropower generator simulation m odel.The satis factory simulation re2 sults were obtained from the analysis of the simulation.

K ey w ords:hydropower station substation;M AT LAB;simulation m odel

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