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基于RT—Lab的电力系统无功—电压特性实验研究
作者：田旭 徐誉嘉 武灵杰
来源：《教育教学论坛》2018年第20期
摘要：通过Matlab/simulink搭建了IEEE9节点标准模型，以调节变压器分接头和并联无功补偿设备两种方法进行电力系统无功—电压特性实验，经过RT-Lab虚拟仿真，以可视化的手段将无功功率与电压变化展示为物理图像，使其便于观察，进一步加深学生对理论知识的理解，为培养电气工程专业的学生从事电力系统运行、设计和理论研究提供必要的基础，取得较好的教学效果。
关键词：仿真教学;电力系统;无功功率;电压
中图分类号：G642.0 ; ; 文献标志码：A ; ; 文章编号：1674-9324（2018）20-0182-03 现代电力系统电压等级越来越高，系统容量越来越大，网络结构也越来越复杂。仅用单机的无穷大系统模型来研究电力系统，不能全面地反映电力系统物理特性，如网络结构的变化、潮流分布、多台发电机并列运行的情况等[1]。在电力系统分析教学中，仅对复杂模型进行理论介绍与公式推导常常晦涩难懂，枯燥乏味，使学生学习起来感到困难，因此降低学习兴趣，导致学习效率低下。而且对于多节点复杂电力系统的研究，如若直接进行真实的系统试验，不仅试验成本高，需要重复试验、测试，而且一旦出现控制错误，很难纠正，大多数情况下难以达到预期的试验和测试效果。如果恰当地使用可视化手段以展现公式、模型的图像[2]，使其变得直观、形象，使学生获得感性认识，缩小理论与实践的差距，则可以极大提高教学效果。RT-Lab虚拟仿真技术则可以很好地解决上述问题。RT-Lab是一种全新的基于模型的工程设计应用平台，可以灵活地应用于多种工程系统仿真和控制场合。其独创之处在于能把复杂的模型划分成多个可以并行执行的子系统，再把这些子系统分配到多个目标机节点上，从而构成一个可伸缩的真实的分布式并行实时仿真系统。将理想和实际有效统一的结合在一起。本实验通过Matlab建立仿真模型、调节无功功率来进行教学，通过RT-Lab对实验结果进行观察记录。让学生在实验中加深对理论的理解，通过动手做实验，记录数据来挖掘实验结果背后的科学原理，提高学生学习积极性与动手能力。对于无功功率的调节，通常使用几种方法，比如改变发电机的励磁电流来调节无功功率，增大励磁电流可以使感应电势大于端电压，从而使发电机的电流超前于端电压，使发电机发出无功功率;在无功电源充足而局部电网电压不满足要求时，可以采用改变变压器的变比调压。首先采用无载调压变压器，当无载调压变压器不能满足要求时选用有载调压变压器[3];改变负荷大小来调节无功;无功电源不足导致电压水平下降的电力系统，考虑增加无功电源调压，无功电源可以采用并联电容器、调相机、或者静止无功补偿器。在本实验中，主要通过调节变压器分接头、并联电容补偿等方法来调节无功功率，从而得出无功功率和电压特性的关系。让学生在实验中寻找规律，加深理解。
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一、IEEE 9节点标准模型简介
IEEE 9节点模型是被广泛使用的标准模型，很多科研成果都使用该模型进行仿真和验证[1]。该模型由3台发电机、3台变压器、9个节点、6条线路和3个负荷组成。相对于电力系统分析教材中常用的3节点环形电网模型，IEEE 9节点模型具有较大的复杂度和灵活性。选择IEEE 9节点模型开展无功功率与电压特性的实验，可以使对电力系统无功-电压特性具有更深入的理解，同时可以引发学生思考，提高学生解决复杂问题的能力。利用Matlab/Simulink建立的IEEE 9点节标准模型如图1如示，其中发电机用理想电压源代替，输电线路采用Π型等值电路，负荷用电阻电感串联支路代替。仿真模型建立后，可以通过RT-Lab虚拟仿真机进行仿真，各个节点电压以及各条线路的电流、功率都能够在RT-Lab中实时显示[4]。下面就分别通过调节变压器分接头、并联无功补偿设备的方式来研究电力系统的无功—电压特性[5]。 （一）调节变压器分接头
调节变压器分接头，实际就是改变变压器两端的变比，按此方法分别依次将每个变压器的分接头调节5%，运行仿真模型并记录数据。
由系列仿真结果图和记录的实验数据表可以进行看出，若变压器1的分接头由1.0pu变为1.05pu时，电压变化最大的是节点7，节点4、6、7、8、9的电压都有不同幅度的升高，其中升高幅度最大的是节点7，而节点5的电压则有所降低。若变压器2分接头升高至1.05pu时，变化最大的是节点9，节点4、6至9的电压升高，而节点5电压降低。当变压器3的分接头升高至1.05pu时，节点4至7，9的电压升高，节点8电压降低。总的来说，当调节任意变压器的分接头时，距离此变压器分接头最近的节点电压变化最大。 （二）并联电容补偿
常见的无功补偿设备有固定电容器，静止同步补偿器和静止无功发生器。由于本文主要关注电网的无功-电压特性，不关注无功补偿设备本身，所以选取电容器作为补偿装置。分别在图1中节点5、7、9上并联固定电容器支路，并通过断路器的操作控制是否投入运行。仿真中设定0.5s时投入无功补偿支路，投入前后的节点电压暂态波形如图所示。投入这三条无功补偿支路后的节点电压稳态有效值数据如图所示。
从图3可以看出，当节点7并联大小为35MVar的电容补偿时，节点4、6、7、8、9的电压都有不同幅度的升高，其中节点8的电压升高幅度最大。但是节点5的电压却有所下降。这是由于增加无功补偿设备后，电网中的潮流分布发生变化，不同线路的潮流变化不同，使得不同节点的电压变化也不同。当负荷9并联50MVar的电容器时，节点4、5、6、7、9的电压7、节点9、节点5、节点6、节点4的电压均有不同幅度的升高，其中节点5升高的幅度最大，而节点8的电压则有一定的降低。当负荷5并联大小为30MVar的电容补偿时，变化最大的是节点6，节点4、6、7、9、节点6、节点4的电压升高;节点5、8的电压下降。总的分析可得，当在某一节点并联无功补偿设备时，该节点及相邻节点的电压上升幅度较大。
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由图4、图5、图6的仿真结果可以看出，节点5的暂态瞬时电压峰值最低，断路器动作瞬间，各个节点的电压变化趋势大体一致，在数值上小有差异。 二、小结
在研究复杂电力系统的时候，由于系统复杂，设备元件众多，学生时常难以理解，因此搭建仿真模型十分必要。通过仿真实验，自己动手搭建模型，调节参数，观察记录实验结果并总结规律，才能获得更深刻的印象与理解。本文中搭建了仿真模型，并可令学生通过虚拟仿真观察实验结果，通过调节变压器分接头与并联电容器两种方法，让学生切实了解无功功率—电压特性与关系，提高学习兴趣与效率，具有十分重要的教育意义。 参考文献：
[1]沈天时，刘崇新，岳青，王李娟.基于改进禁忌搜索法的IEEE30节点系统无功优化[J].电工电气，2015，（07）：19-23.
[2]胡宽鹄.基于RT-LAB的主动配电网数字仿真平台开发[D].湖南大学，2016.
[3]马金奎.对发电机无功功率与电力系统稳定行的研究[J].中国设备工程，2017，（18）：155-157.
[4]傅望.RT-LAB分布式实时仿真系统及其在电力电子中的应用[A].中国电机工程学会.2013年中国电机工程学会年会论文集[C].中国电机工程学会，2013：6. [5]冯宇.基于MATLAB的《电力系统分析》教学研究[M].2017.