UPFC电力系统暂态稳定性提升仿真研究

资 源 简 介

本仿真项目旨在全面模拟和验证统一潮流控制器（UPFC）在现代大容量电力系统中提高暂态稳定性的核心作用。项目重点研究在发生大扰动（如严重的三相短路故障或输电线路突然跳闸）的情况下，UPFC如何通过其独特的并联和串联变流器结构来协调控制电力系统的潮流。系统通过实时监测母线电压和发电机转子角度变化，利用UPFC的快速响应特性，在故障发生瞬间及清除后的暂态过程中，通过改变串联注入电压的幅值和相位来动态调节线路阻抗和角度，同时利用并联测进行无功支撑以维持电压水平。该项目实现了发电机转子角摆动的阻尼控制逻辑，能够有效

详 情 说 明

基于UPFC提升电力系统暂态稳定性的仿真研究

本仿真项目旨在全面模拟和验证统一潮流控制器（UPFC）在现代大容量电力系统中提高暂态稳定性的核心作用。项目重点研究在发生大扰动（如严重的三相短路故障）的情况下，UPFC如何通过其并联和串联变流器结构协调控制电力系统潮流。系统通过实时监测发电机转子角度和转速变化，利用UPFC的快速响应特性，在故障清除后的暂态过程中通过调节注入电压来增强系统阻尼，防止发电机失步。

主要功能特性

1. 单机无穷大系统（SMIB）建模：实现了包含发电机、变压器和双回并联输电线的经典电力系统模型，支持正常运行、故障发生和故障切除后的三阶段暂态过程模拟。
2. UPFC双侧控制模拟：

- 串联侧：基于转子速度偏差（$Deltaomega$）的动态电压注入逻辑，通过改变线路电磁功率输出提供暂态阻尼。 - 并联侧：实现简化的无功支撑功能，用于在故障后维持母线电压水平。

1. 暂态过程对比分析：系统自动运行“无UPFC控制”与“加入UPFC控制”两种工况，以便直观对比稳定性差异。
2. 核心性能指标评估：自动计算并输出故障持续时间、注入电压指令变化以及加入控制器后系统最大角摆动的降低百分比。
3. 动态数据可视化：实时生成转子角响应、母线电压轨迹、注入电压指令和线路有功潮流四维分析图表。

使用方法

1. 环境配置：确保计算机已安装MATLAB R2016b或更高版本。
2. 启动仿真：在MATLAB命令行窗口运行主程序脚本。
3. 结果查看：程序运行完成后会自动弹出图形窗口。

- 图1展示转子角是否回归稳定或发散。 - 图2展示电力系统母线电压在故障恢复期的波动。 - 图3展示UPFC内部控制器输出的电压补偿指令。 - 图4展示线路传输功率的摆动情况。

1. 指标解读：查看MATLAB命令窗口（Command Window）输出的量化性能指标，重点关注最大角摆动的抑制比。

系统要求

• 软件平台：MATLAB（建议2016b及以上版本）。
• 必备工具箱：无需特殊工具箱，代码基于标准矩阵运算及逻辑控制实现。
• 硬件建议：双核CPU，4GB RAM及以上。

实现逻辑与算法细节分析

1. 物理参数初始化：

系统采用标幺值（p.u.）进行计算。定义基准频率为50Hz，发电机惯性常数H为5.0，阻尼系数D为2.0。线路模型考虑了变压器电抗、两回并联线路电抗以及发电机的暂态电抗。

1. 潮流与初始状态计算：

在仿真开始前，系统根据额定机械功率输入Pm（0.8 p.u.）和电网参数计算初始转子角delta0。该角度是系统在 $t=0$ 时的静态平衡点。

1. 故障过程模拟：

通过改变系统等效电抗 $X_{now}$ 来模拟不同阶段的物理特征：

• 正常运行阶段：双回线并联，电抗最小。
• 故障发生阶段：设定故障在线路中点，通过将等效电抗设为极大值（$10^6$）来模拟传输功率几乎降为零的严重短路工况。
• 故障切除阶段：假设切除故障线路L2，系统以单回线运行，电抗增大，进入暂态恢复期。

1. 摇摆方程（Swing Equation）数值求解：

采用显式欧拉法（Forward Euler Method）对发电机二阶非线性微分方程进行步长为0.001s的迭代计算。方程描述了转子角位移（delta）和速度偏差（omega_delta）随时间的变化规律。

1. UPFC 控制算法实现：

• 注入电压逻辑：$V_{pq}$ 的大小与转子转速偏差成正比，比例增益 $K_{delta_w}$ 设为15。同时设置了0.15 p.u.的硬饱和限制，以符合实际电力电子器件的容量约束。
• 电磁功修正逻辑：在传统功角方程的基础上引入补偿项。Pe 的计算公式为 $(E'V/X) sin(delta) + (VV_{pq}/X) cos(delta)$，通过 $cos(delta)$ 项的调节来实现功率补偿，从而产生阻尼转矩。
• 母线电压支撑：在故障切除后，模拟并联侧根据转速偏差提取补偿信号，提升受扰动后的母线电压。

1. 数据处理与可视化：

程序对仿真全过程的暂态功率、电压、角度指令进行存储，并利用图表展示失步风险（红虚线）与稳定受控（蓝实线）的鲜明对比。最后通过计算两个序列的最大值之差，量化评估UPFC对系统抗扰动能力的提升程度。