电力系统一次调频动态仿真实验设计.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.26 No.4 Aug.2023 电力系统一次调频动态仿真实验设计巴 宇,张颖杰,孙建军,孙长海(大连理工大学 电气工程省级实验教学中心,辽宁 大连 116024)摘 要:针对学校一流专业建设、一流人才培养的需求,依托先进科研成果,设计了基于 Simulink 的电力系统一次调频动态仿真模型。该模型主要包含发电机组、负荷、联络线等核心模块,简化了参数设置,便于电力系统实验教学使用。通过电力系统动态模拟综合实验验证,该仿真模型可以得到准确的稳态结果,同时保留了一定程度的动态过程,可满足本科实验教学需要。关键词:电力系统;一次调频;实验教学;动态仿真中图分类号:TM711 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.04.035Design of power system primary response dynamic simulation experimentBA Yu,ZHANG Yingjie,SUN Jianjun,SUN Changhai(Electrical Engineering Experimental Teaching Center,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)Abstract:Based on scientific research work,a dynamic simulink model of power system frequency re-sponse is presented in response to the needs of first-class major construction and first-class personnels cultivation.The model mainly consists of core blocks including generator unit,load,and tie line,which simplifies the setup of parameters.It is designed easy to use in experiment teaching.Verified by a class of“power system dynamic simulation experiment”,the model is proved to get accurate steady state result while retaining a certain degree of dynamic process.The presented work can meet the needs of undergraduate experiment teaching.Key words:power system;primary response;experiment teaching;dynamic simulation 收稿日期:2021-03-16 修改日期:2021-03-22作者简介:巴宇,博士,工程师,主要研究方向为电力系统实验教学。E-mail:bayu 基金项目:国家本科教学工程项目(项目编号:ZL2022095);大连理工大学教改项目(项目编号:YB2022013)。随着特高压大电网及能源互联网建设的不断深入,保障大电网持续稳定运行成为首要任务,更凸显出电力系统分析理论和专业人才培养的重要性 1。“电力系统稳态分析”是大连理工大学电气工程专业核心骨干课程,共 48 学时。通过该课程学习,要求学生充分掌握电力系统组成、运行状态、稳态分析、计算方法等知识点。理论部分着重讲授基础理论、概念、分析方法等,内容较为抽象,例如静态频率特性;一、二次调频的过程和特点,学生较难理解和掌握。目前,部分高校使用 PSASP2-3、ETAP 4等专业软件进行潮流与短路分析实验,但缺少调频部分实验实践类课程。因此,依托大连理工大学教师科研成果,本文开展电力系统一次调频动态仿真实验设计。采用基于 Matlab 的 Simulink 建立仿真模型,Simulink 可应用于电路 5、控制 6及电机 7仿真等多个实验教学领域,具有使用灵活,通用性强的特点,可用于解决不同学科的教学难题。1 电力系统一次调频原理电力系统一次调频过程是三个环节共同作用的结果:(1)所有旋转元件的惯性作用;(2)发电机组的调速器对频率变化的响应;(3)部分负荷具有的功率-频率特性作用。1.1 旋转元件惯性作用电力系统中存在众多同步转动设备,如发电机、电动机的转子等,通常在研究中将这些分散的元件等效为同轴刚体转动问题。在这一问题中,发电机的发电功率提供刚体加速转动力矩,负荷吸收功率提供刚体转动的阻力力矩。若发电与负荷存在功率差,则使等效刚体转速变快或变慢,也即是电网频率的升高与降低。这一过程使用式(1)来描述:P=Mddt(1)式中,P 为原动机的机械功率与发电机的电磁功率偏差,M 为等效刚体的惯性时间常数,为旋转角速度。1.2 发电机组调速器的频率响应发电机组调速器,是原动机内部的一套反馈控制装置,反馈始于对发电机转子转速的测量装置,受控部件为原动机之后的出气阀门(汽轮机)或导叶开度(水轮机)。通过对转速的反馈,转化为阀门或导叶开度,当转速低于额定转速时,由于反馈作用提高原动机动力或进水量,进而提高转速,反之则降低转速。调速器反馈装置中,转速(即频率)与阀门开度的比例关系是可以调节的系数。这一系数被称为发电机的功频静特性系数或单位调节功率 KG,其计算方法如公式(2):KG=-PGf(2)式中 PG为发电机一次调节功率,f 为电力系统频率。1.3 负荷的功率-频率特性负荷的功率-频率特性,是指某些负荷实际消耗的功率具有频率敏感性,当频率上升时,负荷实际吸收功率增加,而当频率下降时,负荷实际吸收功率下降。一般使用负荷功率-频率特性系数 KL描述负荷功率随频率变化而变动数量的大小。该系数有时也被称为负荷的频率调节效应系数。KL=PLf(3)(3)式中,PL为负荷由于频率变化造成的吸收功率变化量,f 为电力系统频率。2 仿真模块设计科研领域所使用的仿真模型因为需要准确的动态细节,其所使用的模块划分较细,主要包括调速器、原动机、发电机、负荷、联络线等,其中,原动机又可分为再热式汽轮机、非再热式汽轮机、水轮机等多个种类,各模块需要设置的参数也较多 8。本文所提出的仿真模型主要用于本科实验,对动态过程细节要求不高,因此所做主要的工作是对各类模块进行包装融合,教学中未涉及到的参数取典型值。最终整合为“负荷及其频率特性模块”、“发电机组模块”、“联络线模块”三个主要模块。2.1 负荷及其频率特性模块该模块包括对电力系统惯性以及负荷频率特性的模拟,其基本传递函数为式(4):G s()=fPm=1Ms+D(4)式中,Ms 为电力系统惯性时间常数,与电力系统规模有关,该常数只影响过渡过程时间,并不影响稳态结果,在不需要精确计算暂态过程时可取典型值。D 为负荷静态频率特性系数,单位为 MW/Hz,可根据题目的需要进行自由设置,在模块内部转换为标称值。该部分模型框图如图 1 所示,使用 Simulink 的mask 功能将其包装为模块,其中负荷功率 Load 与负荷频率特性系数 D 为该模块需设置的参数。图 1 负荷模型2.2 发电机组模块发电机组包括原动机与发电机两个部分,其中发电机部分是将转子旋转动能转化为电能,其能量转化主要为毫秒级的电磁暂态过程。原动机部分是将其他能量转化为旋转的机械能过程,过渡过程相对较慢,为秒级的机电暂态过程 9。本文提出忽略发电机部分的电磁暂态过程,使用一阶惯性环节模拟原动机的机电暂态过程,且与调速器部分合并在一起,组成发电机组模块。其中原动机部分的惯性时间常数取典型值。该部分模型框图如图 2 所示。图 2 发电机组模型使用 Simulink 中的 mask 功能对其进行封装,在241 巴宇,等:电力系统一次调频动态仿真实验设计使用时只需要输入负荷静态频率特性系数 Kg。2.3 联络线模块联络线是联接两个电网区域的线路,功率变化过程使用式(5)的传递函数描述:G s()=Pties()fAs()-fBs()=Tties(5)其中 Ttie为联络线同步系数,主要与联络线电抗、两侧电压幅值等相关,在此取典型值。该部分模型框图如图 3 所示。图 3 联络线模型使用 Simulink 中的 mask 功能对该部分进行封装,输入为两个区域电网的频率偏差,输出为两个区域联络线功率,该模块在使用时不需要设置参数。3 实验案例以电力系统分析10教材中习题 512 为例,演示仿真模型使用方法。该题目如下:A、B 两系统由联 络 线 相 连 如 图 所 示。已 知 A 系 统 KGA=800MW/Hz,KLA=50MW/Hz,PLA=100MW;B 系统KGB=700MW/Hz,KLB=400MW/Hz,PLB=50MW。求在下列情况下频率的变化量 f 和联络线功率的变化量 Pab:当两系统机组都参加一次调频时。首先使用上节所述模块搭建仿真模型,如图 4所示。图 4 完整仿真模型分别双击两个电网区域的负荷模块与发电机组模块以输入模块参数,以 A 区域的两个模块为例,输入界面如图 5、图 6 所示。图 5 发电机组参数设置界面图 6 负荷参数设置界面参数输入完成后,将仿真时长设置为 10s,并运行仿真。使用 Display 模块显示稳态结果,该值与手算结果一致,如图 7 所示。动态过程通过双击 Scope模块显示,其结果如图 8、图 9,可见模型可以仿真出频率偏差及联络线偏差的动态震荡过程。图 7 频率与联络线稳态结果图 8 频率偏差动态结果(下转第 147 页)341罗进,等:用 TEM 分析材料在实验教学中的实践图 2 金纳米颗粒的明场像(a)和相位衬度像(b,c)4 结语针对材料类本科专业透射电子显微分析的实验教学,本文从理论讲解、实验观摩到结果分析与讨论三个方面来进行实验教学的开展,重点讲解了透射电子显微镜的基本原理、功能和在材料研究领域的基本应用。通过基本原理的讲解和观摩学习选区电子衍射图像、明场像、暗场像和相位衬度像的采集,以及相关数据的分析,提高学生对透射电子显微分析的基本功能和应用的认识。参考文献(References):1 Gao W P,Addiego C,Wang H,et al.Real-space charge-density imaging with sub-ngstrm resolution by four-dimensional electron microscopy J.Nature,2019,575(7783):480-484.2 Shibata N,Seki T,Snchez-Santolino G,et al.Electric field imaging of single atomsJ.Nature Communications,2017,8(1):15631.3 谷林.探索物质结构之透射电子显微镜J.科技导报,2017,35(13):99-100.4 刘志昂,李文娟.透射电子显微镜在材料化学专业实验教学中的应用J.山东化工,2019,48(15):194-196.5 崇羽,吴安庆.透射电子显微镜在纳米生物学实验教学中的应用J.高校实验室工作研究,2018(1):32-35.6 李星.浅谈电子显微学新发展及相关课程的优化改革J.教育教学论坛,2020(51):168-170.7 相晨生,宋亚会,夏海兵,等.STEM-Z 衬度像在 Au Pd 核壳结构二元合金纳米催化颗粒显微结构表征中的应用J.电子显微学报,2020,39(4):357-363.8 许名权,李傲雯,周武.低电压 STEM-EELS 在纳米催化剂结构表征中的应用J.电子显微学报,2020,39(5):536-542.9 冯柳.电子显微技术在纳米金属材料研究中的应用J.世界有色金属.2020(15):187-188.10 袁文涛,李冠星,王勇,等.透射电镜在纳米材料表面科学中的应用浅析:以二氧化钛为例J.电子显微学报,2020,39(5):603-612.(上接第 143 页)图 9 联络线功率动态结果4 结语本文设计了适合于本科实验教学的电力系统一次调频动态仿真模型,设计和开发出实验课,能够直观地展示电力系统调频动态过程,便于学生理解和掌握抽象理论;提升了学生分析和解决复杂电气工程问题的能力。未来将在模型中继续添加电力系统二次调频、调压、新能源以及智能微网等模块,以拓展出更多特色实验项目,进一步完善电力系统动态模拟综合实验课程内涵,助力一流专业建设和一流人才培养。参考文献(References):1 吴爱华,杨秋波,郝杰.以“新工科”建设引领高等教育创新变革J.高等工程教育研究,2019(1):1-7,61.2 李惜玉,陈俊坡,周可盈.基于 Matlab/Simulink 与 PSASP 的潮流计算J.实验科学与技术,2017,15(1):46-49.3 牛祖蘅,李宁.电力系统综合自动化实验的教学研究J.中国电力教育,2013(31):135-136.4 朱慧.电力系统稳态分析实验课程教学方法改革研究J.山东化工,2020,49(19):148-150.5 王慧娟.Matlab Simulink 在电路实验中的应用J.实验室科学,2020,23(6):80-84.6 于秀萍,吕淑平,刘涛.基于 VC+和 Simulink 的制导与控制实验教学仿真系统设计J.实验室科学,2019,22(5):63-66.7 张健.电机与电力拖动实验的计算机仿真J.实验室科学,2007(6):94-96.8 王媛.互联电网运行与控制仿真系统的研制D.大连:大连理工大学,2006.9 岳程燕,田芳,周孝信,等.电力系统电磁暂态-机电暂态混合仿真接口原理J.电网技术,2006(1):23-27,88.10 于永源,杨绮雯.电力系统分析M.3 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