基于MATLAB的电力系统无功补偿的仿真

能量管理系统及配电网自动化·1464·基于MATLAB的电力系统无功补偿的仿真胡立强，陈江，晁勤∗（新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐830008）摘要:基于MATLAB中SimPowerSystem工具箱的开放性、图形化和多种分析、绘图工具的优点，本文利用MATLA搭建了电力系统仿真模块。同时对电力系统低压侧负载进行了无功补偿的仿真实验和高压母线B2侧无功补偿的仿真实验。关键词:电力系统仿真；MATLAB；电压；无功补偿1引言电力系统中电压质量直接反映本级无功功率的平衡，是电能质量的重要指标之一。电压质量对电网的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电气设备的安全与寿命有着重要影响。无功补偿点和补偿容量的确定需要从理论上进行一定的优化计算。但是，由于新型无功补偿装置SVC的投资大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小[1]，因此，本文应用MATLAB软件进行了电力系统无功补偿的仿真实验。同时，希望本论文能为新疆的AVC[2]控制方案提供一定的帮助和指导意义。2电力系统低压负载侧无功补偿仿真2.1搭建电力系统模型图1系统模拟图(1)发电机选型三相同步发电机分别为：M1和M2M1的参数：pu标示标么值Pn=50MVA,Vn=13.8KV,fn=50HZ,Xd=1.305(pu),Xd’=0.296(pu),Xd”=0.252(pu),Xq=0.474,Xq”=0.243,Td’=1.01s,Td”=0.053s,Tq0”=0.18s定子电阻Rs=2.8544e-3（pu）M2的参数：Pn=300MVA；其它参数同M1。(2)变压器选型选用三相两绕组变压器：它们的变比分别为K1、K2、K3；变压器参数设置如下:K1=13.8kv/220kv;Pn=80MVAK2=13.8kv/220kv;Pn=500MVAK3=220kv/35kv;Pn=500MVA漏电阻Rm和漏电抗Xm均设为：Rm=500Ω，Xm=500Ω(3)线路的选型选用三相分布式输电线路：参数设置分为:相数n=3、f=50HZ、r1=0.01755、x1=0.8737e-3、L1=350KM;L2=400KM(4)负荷模型选型选用三相并联RLC负载：参数设置如下：P=300e6W,QL=200e6W,QC=0W,Vn=35KV，fn=50HZ(5)母线选型选用带有测量元件的母线即三相电压电流测量元件.(6)静止补偿装置我们应用SimPowerSystem中的StaticVarCompensate模块，简称为SVC。参数的设置如下：额定电压：Vn=35kvReactivepowerlimits[QCQL]:[-150e6W150e6W]（7）励磁系统：引入如下变量：Vref:定子机端参考电压;Vd：定子d轴电压;Vf:励磁电压;Vq:定子q轴电压;Vstab:附加控制输入端;（8）汽轮机和调速器系统：引入如下变量：dw:发电机转子偏离速度;Pref：参电力系统及其自动化专业第二十一届学术年会论文集·1465·考电功率;Wref:发电机参考速度;Wm:发电机转子速度2.2仿真算法和精度的确定在进行仿真之前必须合理地设置算法和精度。MATLAB针对不同的系统提供给用户两大仿真算法—定步长算法和变步长算法[3]。通过Simulation中Solver可以进行设置。本文中解算器的设置如下：Type:Variable-step.ode23tb(stiff/TR-BDF2)Maxstepsize:autoRelationtolerance：1e-3Minstepsize:atuoAusolutetoleranceautoInitialstepsize:auto2.3仿真结果分析与论证应用图1仿真模块纪录了低压侧投入SVC前后发电机端电压、输出无功功率和负载侧母线电压动态变化波形图，如图2—图4所示。注:以下仿真结果图纵坐标均为标幺值形式，横坐标为时间(单位：s)。图2(a)未投入SVC发电机M1无功功率动态曲线图2(b)投入SVC发电机M1的无功功率动态曲线图3(a)未投入SVC时发电机M2无功功率动态曲线图3(b)投入SVC后发电机M2无功功率动态曲线图4(a)未投入SVC时负载侧电压动态曲线图4(b)投入SVC后负载侧电压动态曲线从图2、图3可以看出：当投入SVC装置后，发电机M2的无功出力明显下降，大大降低了无功网损。而发电机M1出现了进相运行状态。从补偿容量来看，并未出现过补，出现此现象的原因是输电线路过长（350km）造成对地电容电流过多。从而使线路电压提高了约10%，为了降低线路电压，发电机M1进入了进相运行状态。从图4中可以看出，投入SVC后低压负载侧电压由原额定电压的84%提高至额定电压的98%。这进一步说明了无功功率平衡与电压稳定性之间的密切关系。3电力系统高压母线B2侧无功补偿仿真3.1系统模拟图能量管理系统及配电网自动化·1466·图7(a)未投入SVC时发电机M2输出无功波形图图5系统模拟图这里仅对静止补偿器和负载的参数进行设置,而其它仿真模块的参数不再作详细的介绍。静止补偿器SVC的参数设置为:Modeofoperation(操作模式):Voltageregulation（电压调整）图7(b)投入SVC时发电机M2的输出无功波形图Nominalvoltage(额定电压)：Vn=220kvReactivepowerlimits[QCQL]:[-200e6W200e6W]负载的参数设置为：load1:P=80MW,Q=70Mvarload2:P=240MW,Q=200Mvarload3:P=30MW,Q=30Mvar3.2仿真结果分析与论证应用图5仿真模块纪录了高压母线B2侧投入SVC前后发电机输出无功功率和高压母线B2侧电压动态变化波形图，如图6—图8所示。图8(a)未投入SVC时母线B2侧电压波形图注：以下仿真结果图的纵坐标均为标幺值形式横坐标为时间(单位：s)。,图8(b)投入SVC时母线B2侧电压波形图从图6、图7、图8中可以看出：图6(a)未投入SVC时发电机M1输出无功的波形图在SVC未投入时：发电机M1和M2所发无功功率总合约为:120.53000.4100190varGMGMQQM+=×+×=负载所需的无功功率约为:7020030300varFQM=++=故：GQQF；因此，系统的无功功率不平衡。为了维持这一平衡，发电机所发无功功率必然会增大，从而使高压母线B2的电压下降至额定电压的图6(b)投入SVC时发电机M1输出无功功率波形图电力系统及其自动化专业第二十一届学术年会论文集·1467·84%.当SVC投入后：发电机M1和M2所发无功功率之和约为:120.343000.1100112varGMGMQQM+=×+×=显然,发电机M1和M2的无功出力减少了,这时系统缺额的无功功率主要由SVC来提供.从图8中可以看出高压母线B2侧的电压提高至额定电压的97%。加装SVC前后母线B2侧电压优化对比情况如下表所示。表1加装SVC前后母线B2侧电压优化对比发电机所发无功功率()varM高压母线B2侧电压值(标幺值)未投入SVC装置1900.84投入SVC装置1120.974结论本文基于MALAB软件研究了静止无功补偿装置（SVC）的动态仿真.从仿真的结果可以看出当系统的无功功率与负荷的无功功率达到平衡时，系统电压能维持在额定电压的+10%范围内。反之，系统电压下降会很低，甚至可能出现“电压崩溃”的现象。仿真结果表明应用MATLAB软件实现了无功补偿的离线仿真，减小了无功补偿在线实验的风险性。实践表明：MATLAB仿真软件可以很容易地应用于电力系统仿真领域，是电力系统分析的有力工具。参考文献[1]李向荣等.STATCOM应用于2000年华中电网的仿真研究[J].电力系统自化,2000,(10):6-9.[2]周全仁，张海.现代电网自动控制系统及其应用[M].中国电力出版社2004.10[3]李华.利用PowerSystemBlockset仿真电力系统[J].四川电力技术,2001.4:27-321作者简介：胡立强（1980-）男硕士研究生研究方向：电力系统综合自动化通信作者晁勤（1959-）女教授研究方向：电力系统综合自动化