第1/2期（总第84期） 2012年1月 中国水能及电气化 China Water Power & Electrifi cation No. 1/2（TOTEL No. 84 ） Jan., 2012 某单机无穷大电力系统暂态稳定性分析仿真 许江博1，韩宏亮2，张双平3 （1.中国葛洲坝集团电力有限责任公司，宜昌 443000；2.三峡电力职业学院，宜昌 443002； 3.湖北超高压输变电公司直流运检中心，武汉 430050） 摘 要：电力系统是一个复杂的动态系统，系统一旦出现稳定性问题，可能会在较短的时间 内发生严重后果，因此，在电力系统规划、设计、运行等工作中都要进行大量的暂态稳定分 析。介绍了电力系统时域仿真数学模型，构建了单机无穷大系统仿真模型。仿真结果表明： 故障切除时间越短，发电机阻尼越大，系统越容易稳定，且在单相短路接地故障情况下系统 最容易稳定。 关键词：单机无穷大系统；暂态稳定性；仿真模型；阻尼；故障切除时间 中图分类号：TM712 文献标识码： A 文章编号：1673-8241(2012)01-0046-05 Analytic Simulation of Transient Stability of Infi nitely Great Electric Power System of a Single Machine XU Jiang-bo1, HAN Hong-liang2, ZHANG Shuang-ping3 (1.China Gezhouba Group’s Electric Power Co., Ltd. , Yichang 443000, China; 2.Three Gorges College of Electric Power, Yichang 443002, China; 3.Hubei EHV Transmission & Substation Company, Wuhan 430050, China) Abstract: Electric power system is a complicated dynamical system, which may cause serious result in a short time when stability problem occurs. Therefore, large amount of transient stability analysis is necessary in planning, designing and operating works of electric power system. This article Introduced power system time domain simulation mathematical model, construction of a single machine infi nite bus system simulation model. It constructs infi nitely great system model of single machine applying simulated model, and the result of simulation shows that: the shorter the fault cleaning time is, and the greater the damping of electric generator is , the more stable the system is; When single phase short circuit ground fault occurs,the system can achieve the most stable condition. Key words: infi nitely great system of single machine; transient stability;damping of electric generator; system simulation; fault cleaning time 收稿日期：2011-10-29 作者简介：许江博 (1984-) , 男, 助理工程师, 研究方向为电力工程项目管理、水电站配电及供电管理。E-mail: 1064203884@qq.com 46 46 中国水能及电气化 CHINA WATER POWER & ELECTRIFICATION 中国水能及电气化 CHINA WATER POWER & ELECTRIFICATION 

研究与探讨 Research & Discussion 随着电力系统规模不断扩大，系统发生故 障的影响也越来越大，尤其大区域联网背景下 的电力系统故障将会给经济、社会造成重大经 济损失，因此保证电力系统安全稳定运行是电 力生产的首要任务。 电 力 系 统 是 一 个 复 杂 的 动 态 系 统 ， 一 方 面 ， 它 必 须 时 刻 保 证 可 靠 的 电 能 质 量 ； 另 一 方 面 ， 它 又 处 于 不 断 的 扰 动 之 中 ， 扰 动 发 生 的 时 间 、 地 点 、 类 型 、 严 重 程 度 均 具 有 较 大 的 随 机 性 。 当 扰 动 发 生 后 ， 一 旦 发 生 稳 定 性 问 题 ， 系 统 可 能 会 在 几 秒 内 发 生 严 重 后 果 。 对 于 系 统 某 一 特 定 的 稳 定 运 行 状 态 ， 以 及 对 于 某 一 特 定 的 扰 动 ， 如 果 式中： 在 扰 动 后 系 统 能 达 到 一 个 可 以 接 受 的 稳 定 运 行 状 态 ， 则 系 统 运 行 处 于 暂 态 稳 定 。 在 电 力 系 统 规 划 、 设 计 等 工 作 中 都 要 进 行 大 量的暂态稳定分析。通过暂态稳定分析，可 以看到各种稳定措施的效果以及稳定控制的 性能。因此，通过时域仿真来验证电力系统 在某一状态时是否稳定，具有重要的理论和 实际意义。 δi—发电机功角(rad)； ωi—发电机转子角速度(rad/s)； ωN—发电机转子额定角速度(rad/s)； Tji—发电机转矩(N·m)； D—发电机阻尼； —发电机暂态电动势q轴等效分量(V)； Pe—发电机有功出力(W)； Eq—发电机q轴电动势分量(V)。 1 电力系统仿真算法设计 2 单机无穷大系统整体设计 现代电力系统暂态稳定分析方法主要有时 为防止一些干扰影响到仿真中所得到的 域仿真法、暂态能量函数法等方法。时域仿真 理想数据及波形，本论文选择了最具有代表性 法是通过求解描述故障发生前、故障期间以及 故障切除后，电力系统运行状态的微分-代数 方程组得到各发电机转子摇摆曲线，从而根据 的典型的电力系统——单机无穷大系统。正常 运行时，发电机经过变压器和双回输电线路向 无穷大母线送电。该系统认为功率无穷大，频 各发电机是否能够同步运行来判断系统的暂态 率恒定，电压恒定，即对现实进行近似处理， 稳定性。 基于发电机的经典模型和计及励磁调节作 以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过 程。如图1所示。 用的模型，本文给出了适用于时域仿真法的电 力系统暂态分析的数学模型。为不失一般性， 发电机采用三阶模型，考虑到快速励磁自动电 压调节系统后电力系统中每台发电机的运行状 态，可用下列微分方程组来表示： 图1 单机—无穷大系统简化模型 CHINA WATER POWER & ELECTRIFICATION 中国水能及电气化 CHINA WATER POWER & ELECTRIFICATION 中国水能及电气化 47 47 

研究与探讨 Research & Discussion 图2 单机无穷大系统仿真模型 图1中，最左端是发电机组，Vt为机端电 压，X T是变压器的电抗，X L1和X L2是线路电 抗，Vs是无穷大电源电压。额定容量可根据仿 真模型进行设定，额定电压Vt=13.8kV，额定 频率fn=50Hz，变压器的变比k=13.8/230，无穷 大电源电压Vs=220kV。 本文以上图1单机无穷大系统简化模型和 上述公式(1) (2)为基础，采用Simulink中的Sim- Power-Systems相关模块来建所需要的系统模 型，并进行故障分析。 3 单机无穷大系统暂态分析仿真 3.1 系统模型 根据公式(1) (2)以及上文分析可知，需 要组成系统的几个主要部分分别是：发电机 组、三相变压器、输电线路、负载、故障元 件、测量仪器以及标准电压源。在进行发电机 组的参数设置时，Rg，Vn，fn按照上述的额定 值进行设置，转子类型（Rotor type）为凸极 （Salient-Pole），其余相可用模块的默认值。三 相变压器选择双绕组三相变压器（Three-Phase 48 48 中国水能及电气化 CHINA WATER POWER & ELECTRIFICATION 中国水能及电气化 CHINA WATER POWER & ELECTRIFICATION Transformer），将变比设置为13.8/230（高压侧 额定电压为220kV），低压绕组三角形接法， 高压绕组星型接地。另外，将标准电压源的容 量设置成一个较大的值（本文设为10E10）来模 拟无穷大系统。先用模块建立一个正常运行的 电力系统，仿真后观察电压电流波形，待稳定 后，再将故障元件加入其中，这样才能保证故 障切除后系统最终能恢复到稳定状态，本文所 研究的单机无穷大系统仿真建模图如图2所示。 3.2 仿真参数设置及潮流计算 短路故障是用三相故障元件来模拟的，在 该模块的参数设置中选择A项以及接地故障， 并将故障电阻Ron和接地电阻Rg都设为0.001。 故障时间段可通过Transition times来安排故障 起始时间和切除时间。其余模块的参数设置 都要根据系统要求进行适当修改。由于电力系 统是带发电机的刚性系统，因此算法ode15s， ode23tb适合采用，仿真停止时间设定为5s。 其余三种短路故障的模型与前面相同， 唯一需要修改的地方则是三相故障元件的设 置。对仿真参数设置为Start time（开始时间） 

研究与探讨 Research & Discussion 图3 t=0.9s时在阻尼D=0.1，D=0.8时发电机的功角曲线 图4 在忽略阻尼情况下，当t=0.8s，t=1s时发电机的功角曲线 图5 在阻尼D=1，t=0.7s时单相接地短路和两相短路接地时 发电机的功角曲线 选项为0；停止时间选项为Stop time ；5SType （求解程序类型）选项为variable-step(可变步 长），ode23（stiff/TR-BDF2）； Max step size （最大步长）选项为1/60；Relative torlerance （相对容差）选项为1e-4；Absolute torlerance （绝对容差）选项为1e-3；其他采用默认值， 电路发生两相短路接地故障。在进行潮流分配 计算后，进行系统仿真。 4 仿真结果及分析 4.1 阻尼对仿真结果的影响 为研究阻尼D对仿真结果的影响，可将阻 尼变为原来的8倍时即D=0.8在t=0.9s时切除故 障，仿真结果如图3所示。 由上图3可知，D=0.1，t=0.9s时，系统已 经失去稳定；D=0.8，t=0.9s时，系统仍然是稳 定的。这是因为故障发生后，由于机械功率和 电磁功率的不平衡，发电机转子角速度运动， 使得第一摆有明显的震荡，随后角速度非常 大，又由于有足够强的阻尼，再加上D·Δω的 值很大，根据公式(1)可得： 故此时系统处于减速状态，因此发电机的阻尼 作用可以提高电力系统的暂态稳定性。 4.2 故障切除时间对仿真结果的影响 不考虑阻尼变化情况下的故障切除时间对 仿真结果影响的仿真图如图4所示。 从上图4仿真结果可以看出，当t=0.8s时切 除故障，系统是稳定的，这是因为随着时间的 推移，发电机的功角δ和角速度ω发生持续周期 性震荡；t=1s时切除故障，系统是不稳定的，这 是因为随着时间的推移，发电机的功角δ和角速 度ω发生非周期性的失步。在此种情况下，发电 机的电磁功率P和端电压U发生大幅度的周期性 震荡。如果不切除故障，则系统暂态不稳定； 如果故障切除得较早，则系统稳定。可见系统 的故障切除时间越长，系统越不容易稳定。 4.3 故障类型对仿真结果的影响 以单相接地短路和两相短路接地下研究故 障类型对系统仿真结果的影响。仿真结果如图 5所示（考虑阻尼D=1的情况下）。 从图5仿真结果可以看出，当t=0.7S时，系 统处于单相接地短路状态，系统最容易稳定； CHINA WATER POWER & ELECTRIFICATION 中国水能及电气化 CHINA WATER POWER & ELECTRIFICATION 中国水能及电气化 49 49 

研究与探讨 Research & Discussion 系统处于两相短路接地状态，系统容易失稳。 已知继电保护装置和断路器切除故障的时间t， 则系统存在1个切除故障的极限允许时间tc，当 t