毕业设计-基于 Matlab 的电力系统稳定性分析与仿真

前言

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大家好,这里是海浪学长毕设专题,本次分享的课题是

🎯基于 Matlab 的电力系统稳定性分析与仿真

课题背景和意义

随着我国国民经济快速增长和高新技术发展 的趋势，我国工业结构的转变和经济发展对电能质 量提出了更高更严格的要求。为了建设坚强的智 能电网，全国电网互联则是一个行之有效并且充满 前途的提高电力系统稳定性的方案。在全国电网 互联的情况下，任意扰动对电网的影响都会极大地 缩小，这也使一些机组的起停对电网的冲击变得更 小，使采用高效率大功率的机组成为可能，也可以 更加妥善地调度负荷使电网整体损耗尽可能的减 小。但电网互联也有缺点，电网互联可使故障传播 的更远、影响的元件更多，这也对电力系统网络架 构的优化提出了更高的要求。除此之外，一些先进 元件比如电力系统稳定器（PSS）的采用也可显著 地提高电力系统的稳定性。电力工业是国民经济 的先行工业，其建设速度和优化配置需适当超前于 其他行业，为其他行业的发展打好基础，建立联系 紧密、结构坚强的大电网是提高电能质量，保障电 力系统安全稳定运行，促进国民经济快速、稳定、健 康发展和提高居民生活水平质量的有效途径。

实现技术思路

一、简单电力系统仿真软件简介

Matlab 是 Matri 和 Laboratory 的缩写。Matlab功能丰富，计算能力强大，在国际许多专业领域认可度和知名度都非常高。

电力系统是一个非常庞大的动态系统，而对这样的系统进行状态评估，必须先要知道这个系统运

行的数据，而传统的人工计算显然不能适应这样庞大的系统。电力系统状态变化迅速，对计算的时效性要求十分高，计算结果只有准确才具有意义，而Matlab 则可凭借其强大的计算能力和丰富的功能为电力系统运行、监控提供强大的保障。

二、电力系统稳定性仿真分析

电网静态稳定性简介

图画出的是一简单电力系统模型和等值电路，首段是发电机，其经过变压器 TI和双回线路供电给无穷大系统。

其中x=xTt+xd+xl+xt2。发电机发送电磁功率是

如果不计发电机励磁调节器的影响，也就是假定发电机的空载电动势E不变，那么发电机的功一角特性曲线为图画出的正弦曲线。

a)正常运行方式及其等值电路 b)故障情况及其等值电路c)故障切除后及其等值电路。如果忽略原动机谓速器的影响，那么原动机发出的机械功率P不改变。

电网静态稳定仿真分析

在小扰动时，电力系统发生较小的状态偏移和振荡，仿真配置如图所示。

当发电机有功功率参数改为 0.737 6 pu 时，配置小干扰信号模拟系统的阶跃为 0.6 pu，运用 Simulink 进行仿真可得到发电机功角、转子转速随时间变化的曲线如图：

发电机功角变化曲线：

发电机转速变化曲线：

减小线路电抗参数，使得系统电气连接薄弱，通过仿真得出发电机功角、转速变化的曲线如图所示：

可以看出当电力系统电气连接较强时，系统的静态稳定性更强。系统连接薄弱时发电机功角变化曲线：

系统连接薄弱时发电机转速变化曲线：

电网的暂态稳定性简介

图画出了发电机正常运行，故障以及故障切除后3种状态下的功角特性曲线。

1）正常运行
正行运行时发电机的功率特性曲线为P，此时向无穷大系统输送的功率P与原动机输出地机械功率p相等(假设扰动后P保持不变)，图中发电机在稳定运行时，a点为正常运行点，此时的功角为δ。

2）故障阶段
短路故障这个扰动产生以后功率特性就接着降为P，不过因为转子运动存在惯性，转子角度没可能发生突变，发电机的运行点由a点突变至b点，输出功率减小了很多，而原动机机械功率，不变，所以会出现较大的过剩功率。短路故障现象越厉害，户功率曲线幅值越低(三相短路时为零)，那么两者之间的功率差越大。

由于存在过剩转矩发中机转子会有一个加速过程，其相对速度(相对于同步转速)和相对角度8逐渐增大，使运行点发生转移，即由b点向c点移动。假如故障无法消除，那么过剩转矩将会一直产生作用，发申机会持续加速，将导致与无限大系统失去同步。

电力系统暂态稳定性仿真分析

短路故障是一种较大的干扰，而在电力系统运 行中短路发生也较为常见，所以在研究电力系统暂 态稳定性时通常以短路故障作为检测电力系统是 否具有暂态稳定性的判据。以单机无穷大系统为 例，通过对电力系统元件建模，运用 Simulink 仿真 对简单电力系统的暂态稳定性进行分析。电力系 统暂态稳定性建立模块如图

在上图的仿真系统中，分别在输电线路侧和发电机侧设置短路故障，仿真得到输电线路短路时发 电机转速变化曲线和发电机短路时发电机转速变化曲线，如图

输电线路短路时发电机转速变化曲线：

发电机端短路时发电机功角变化曲线：

由上图可知，发电机端短路对电网的影响更大，则对发电机端出线的稳定性应严格保障。

**电力系统内部不同故障类型对比分析 **

电力系统短路故障分为单相接地短路、两相短 路、两相接地短路和三相短路。在电力系统中，当 发生短路故障地点相同时，不同的短路故障类型所 带来的影响也不同。对电网设置三相短路和单相 （接地）短路分别进行仿真。 首先，在模拟模块中添加电压电流测量仪器， 对电网一些节点电量进行测量；然后，对电网同一 地点进行不同类型的短路设置，测量发电机功角和 转速，得到仿真结果如图

电网输电线路短路时电压测量情况：

电网输电线路短路时电流测量情况 ：

在输电线路短路时，电压水平由发电机到短路 点逐渐降低，而电流则逐渐增加。 对比图从两种故障类型的 发电机功角和转速曲线中可以发现，当发生三相短 路故障时，电网连接更弱，则发电机功角和转速变 化幅度更大，电力系统的暂态稳定性越差。

发电机转速变化曲线（三相短路）：

发电机功角变化曲线（三相短路）：

发电机转速变化曲线（单相短路）：

发电机功角变化曲线（单相短路）:

当电网输电线路增加时，电网的连接也就更加 紧密，发生短路故障时，发电机输送电磁功率也就 相对更加充足，这样电磁功率和发电机机械功率差 也就越小，电力系统暂态稳定性也就越好。 由图可以看出，当改善电网结构，比 如增加输电线路和采用分裂导线时，可增加电力系 统的暂态稳定性。

增加一条输电线路时发电机转速变化曲线:

三、结论

Matlab 仿真模拟得出了电力系统 电压电流和发电机功角转速变化曲线。通过分析 仿真结果得出如下结论： 1）当发生三相短路故障后，若能及时断开断路 器，则可保障电力系统暂态稳定； 2）当电力系统发生短路后，电压从发电机到短路点逐渐降低，电流逐渐增大；3）当采用一定措施后，比如增加输电线路数，可以增加电力系统的稳定性。

实现效果图样例

电力系统暂态电压稳定评估的方法：

暂态电压稳定和暂态电压失稳场景的抗噪性能测试如图所示。相较于MLE具有较强的抗干扰能力，即使测量信号存在SNR为10dB的噪声，仍能准确判别电力系统的暂态电压稳定状态。

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最后