电力系统暂态稳定性仿真研究毕业设计(论文)中期报告.doc

目录1 电力系统暂态稳定性概述11.1电力系统暂态稳定及其意义11.2国外研究现状及发展趋势11.3国内发展研究的现状22 电力系统暂态稳定研究的内容和方法42.1电力系统暂态稳定研究的内容42.2研究方法42.3提高电力系统暂态稳定的方法52.4研究设计的内容63 电力系统常用仿真简介83.1常用的电力系统仿真软件83.2MATLAB简介83.3MATLAB保存图形94 基于SIMULINK的单机无穷大系统的暂态稳定性仿真104.1单机-无穷大系统的建模104.2采用的模块及其参数设置114.3 电力系统暂态稳定性仿真17时间安排24参考文献26 1 电力系统暂态稳定性概述 1.1 电力系统暂态稳定及其意义对于某一特定的稳定运行状态，以及对于某一特定的扰动，如果在扰动后系统可以达到一个可以接受的稳定运行状态，则对此初始状态及此扰动而言，称之为暂态稳定。电力系统是一个复杂的动态系统，一方面它必须时刻保证必要的电能质量及数量；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、严重性均有随机性，扰动发生后的系统动态过程中一旦发生稳定性问题，系统可能在几秒内发生严重后果，造成极大的经济损失和社会影响。电力系统暂态分析的主要目的是检查系统在大的扰动下（如故障、切机、切负荷、重合闸操作等情况），各发电机组间能否保持同步运行，如果能同步运行，并具有可接受的频率和电压水平，则称此电力系统在这一大扰动下是暂态稳定的。在电力系统规划、设计、运行等工作中都要进行大量的暂态分析。通过暂态分析还可以考察和研究各种稳定措施的效果以及稳定控制的性能，因此通过仿真来验证所求结果是否正确，即电力系统在某一状态时是否是稳定的具有重要意义。电力线系统稳定的破坏，往往会导致系统的解列和崩溃，造成大面积停电，所以保证电力系统稳定是电力系统安全运行的必要条件。判定电力系统暂态稳定性主要是在大扰动下检查系统中各发电机组间能否保持同步运行水平，并具有可以接受的电压和频率水平。对这项工作已深入多年，并在离线计算中有成熟的算法取得了良好的成果。然而，随着电力市场化和区域联网的不断推进，电网运行状态越发复杂多变且接近其极限水平，同时，近年来国内外时有发生由于系统暂态稳定性不足且对策迟缓引起的大停电事故，造成了经济上的巨大损失，这些都提示着我们提高对电网稳定性分析的重视。只有更快速更准确地对系统处于的稳定水平进行判断，找到稳定性遭到威胁的环节才能进而有效地采取措施改善系统运行状态。为此，进一步深入研究改进原有暂态稳定分析方法，开拓新的创造性的方法，解决其在实际系统中的应用的难题，仍然是我们面对的重要课题。 1.2 国外研究现状及发展趋势随着社会的进步和科技的发展，近年来世界各地也出现了一些大的电力系统，这些系统通常具有范围广、强非线性的特点。随着电力市场化和区域联网的不断推进，电网运行状态越发复杂多变且接近其极限水平,在运行中，由于某种破坏性的原因，有时会引起电力系统崩溃的问题，如发生在2003年8月14日的美加大停电，2012年7月30日的印度电网大停电。这都给我国的电网的运行带来了很多启示。我们知道，美国的电网是错综复杂的，以前曾经认为电网越复杂就越安全，可是美加大停电告诉我们事实并非如此。实际上，美国电网的每段输电线比较短，这就导致了有很多节点；另外，美国是个资本主义国家，电网在运行的时候考虑的更多的是经济因素，所以在美国电网中存在有比较破旧的设备。诸多因素导致了美加大停电，其实这也不是偶然现象了，在此之前美国已经出现过两次规模较大的停电了。印度电网，印度同中国一样都是大的发展中国家。印度的装机容量和电压水平发展的也很迅速，但和我国还有较大的差距。印度发电量世界排名第五，仅次于美国，中国，日本和俄罗斯，但印度的电力供应严重不足。2012年7月印度两天之内连续发生大面积停电事故，是有史以来影响人口最多的电力系统事故，超过6.7亿人口受到了停电的影响。从事故前印度北方电网严重超载运行情况来看，线路跳闸前，电网已严重超过其稳定限额运行，从而导致大面积停电。电力系统暂态稳定matlab仿真在国内外已经很成熟，但是，无论我们怎么考虑暂态稳定性都不为过。因为从全球来看，大面积停电并不罕见。所以电力系统的暂态稳定依然是个重要的课题。 1.3 国内发展研究的现状 对于我国电网来说，其覆盖面积大，结构薄弱，负荷密度极不均匀，而电源有往往远离负荷中心。由于长期以来输电线路总长度年增长率比总装机容量增长率小得多，故进一步恶化了系统的安全稳定性。 电力系统的互联，可以带来显著地经济效益，但是长期以来，“分省平衡”的策略成为我国电力发展的重要弊端，严重地制约着我国电力资源的优化配置，全国联网的进程明显滞后。同时，电网的互联使得电力系统的规模变大，从而引起事故的可能性也越大。如果电网不够强壮，自动安全装置不够健全管理不得当，都有可能破坏系统的稳定，导致大面积停电，甚至全网崩溃。 以厂网分开为主要内容的电力体制改革实施后，我国电网建设的步伐明显加快，并且根据我国电网的特点和发展趋势，制定了“西电东送、南北互供、全国联网”的电网发展战略，大力推进跨区输电、跨区联网，其目标就是为了促进电力资源在更大范围内的优化配置。 截至到2006年，以三峡工程为核心，以华中电网为依托，向东南西北四个方向辐射联网的输电线路已基本建成。以北、中、南三大西电东送通道为主体南北网间多点互联、纵向通道联系较为紧密的全国电网互联的格局已基本形成预计到2010年，西电东送的规模将达到5500万kW；2020年将再增加到1亿kW以上。“十一五”期间，除实施已经明确的三峡右岸至上海直流工程外，规划建设的主要工程还有西北至华北直流输电工程，西北与川渝联网工程，华中与华北背靠背联网工程，同时加大山西阳城送电华东的力度并实现华北与华东联网。“十一五”末期，配合三峡地下电站开发，建设向华北送电的支流输电工程，南北之间将形成以三峡为支撑的主干通道。 目前我国发电机装机容量达10.6亿千瓦，居世界第二；年发电量达4.8亿千瓦时，居世界第一，即便如此，我国的发电量还是不足的。近日，浙江三门核电站的建造也取得了重大进展。目前，我国尚未出现大面积的停电，但事实上我们的居民生活中时常停电，特别是夏天和冬天，但大多数情况下，是电力部门主动做的拉闸限电，而非事先出现了什么故障，也就是说这是由于发电量不足造成的，所以我国的发电量还有待于提高，相对地，电网的暂态稳定性的研究也是一个重大的课题。如此大规模的全国电网互联系统的形成将大大有利于电力资源在全国范围内的优化配置。但是由于我国电网的网架相对薄弱、负荷与发电中心地理位置较远联络线负载较重，局部故障的发生可能引发整个系统的安全稳定问题。因此，如何保证这样一个超大规模电力系统的安全、稳定和经济运行，成为摆在我们面前的一个巨大的难题。若能够实现对全国电力系统运行状态的实时甚至是超实时仿真，就能为在线预决策和电力系统稳定控制打下坚实的基础，对电力系统的安全、稳定运行无疑是一个巨大的保证，具有深远的现实意义。由于机电暂态仿真的计算量非常大，依据现有的条件，要对全国联网电力系统的机电暂态过程进行实时仿真目前还无法实现。而随着并行处理技术的不断发展，尤其是可扩展、高性价比的PC集群系统的出现，使这个目标实现的可能性越来越大 。2 电力系统暂态稳定研究的内容和方法 2.1 电力系统暂态稳定研究的内容1.电力系统暂态（电磁和机电暂态）分析，电力系统暂态稳定性及提高措施的研究2.掌握MATLAB的仿真工具simulink及power system 工具箱3.运用MATLAB电力系统仿真程序psb构建模型4.利用搭建的模型对电力系统暂态及提高稳定性的措施进行仿真研究 2.2 研究方法 研究暂态稳定的方法有许多种，下面简单介绍其中几种。（1）时域仿真判定法 时域法是将电力系统各元件模型根据元件拓扑关系形成全系统模型，这是一组联立的微分方程组和代数方程组，然后以稳态工况或潮流解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电机功角值大于某一特定阀值来判别系统能否在大扰动后维持暂态稳定运行。（2）能量函数判定法 暂态能量函数法的理论基础是李亚普洛夫稳定性定理，因此也称为拟李亚普洛夫直接法(简称直接法)。该方法是通过比较扰动结束时暂态能量函数值与系统临界稳定时的暂态能量值来判别系统稳定性的。（3）扩展等面积（EEAC）判定法 等面积法则从理论上较为完美地解决了单机无穷大系统的暂态稳定评估问题，因此人们投入了大量的研究将其应用于多机系统中，其中以我国薛禹胜院士提出的扩展等面积法最为著名。扩展等面积法的基本思想是：在给定故障扰动下系统的机组分为临界机组和非临界机组两群，基于轨迹聚合和保稳变换，分别对这两群机组用等值机进行动态等效，进而又等值为单机无穷大系统，从而可利用等面积法则评估系统的暂态稳定性。（4）人工智能判定法 人工智能方法可进行非模型的电力系统暂态稳定判别，具有在线计算速度快、容易生成决策用的启发规则等优点，因此与传统暂态稳定分析方法构成了良好的互补。目前，人工智能方法主要有：模式识别、模糊理论、神经网络、支持向量机法。 2.3 提高电力系统暂态稳定的方法由于大扰动后，发电机机械功率和电磁功率的差额，即加速功率是导致系统暂态稳定破坏的主要原因。因此，提高暂态稳定，应从减小发电机转轴上的不平衡功率、减小转子相对加速以及减少转子相对动能变化量等方面着手。根据这种原则，提高电力系统暂态稳定的措施主要有：1） 自动重合闸装置：重合闸成功就可以增加减速面积，从而提高暂态稳定。图2-1 自动重合闸对暂态稳定的影响2） 快速切除故障：减轻电气设备因短路电流产生的热效应等不良影响，而且加快切除故障可以减小切除角，这样既减小了加速面积，有增大了减速面积，对于提高暂态稳定起着决定作用。应该指出的是，切除故障时间是继电保护装置动作时间和开关接到跳闸脉冲到触头分开后电弧熄灭为止的时间总和。 图2-2快速切除故障对暂态稳定性的影响3） 变压器中性点经小阻抗接地：电压器中性点经小电阻接地只对接地短路起作用。原因是短路时零序电流通过接地电阻时消耗有功功率，其中的一部分由发电机来负担，因而使发电机输出的电磁功率增加，从而减小了加速功率，提高暂态稳定。 4）发电机采用电气制动：在系统发生短路故障后，有控制地在发电机端投入电阻负荷，则可以增加发电机的电磁功率，产生制动作用从而提高暂态稳定。 图2-3电气制动接线图 图2-4电气制动功角特性图 2.4 研究设计的内容应用MATLAB 仿真进行电力系统仿真的主要步骤是：（1） 建立系统模型：建立的是单机无穷大系统（SIMB）。单机无穷大系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的的运行方式，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程。 图2-5 无输电线的单机无穷大系统原理图 假定联络阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出去的有功功率的P为： 式中包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗； 功角；发电机电势； 系统母线电压。由图1可得MATLAB单机无穷大仿真模型可能用到的模块：PSB电力系统工具箱： 1）Electrical Sources中的Three-Phase Source（三相电源）模块 2）Elements 中的Three-Phase Parallel RLC Load（三相负载RLC并联）模块用来仿真输电线路，和Ground（交流接地）模块 ，Three-Phase Fault （三相故障整流器）模块用来仿真短路故障，Three-Phase Transformer（Two Windings）（三相变压器绕组）模块用来仿真变压器，3） Machines里Synchronous Machine pu Standad（标么标准同步电机）模块用来仿真同步发电机（2）设置仿真参数（3）进行动态仿真增加提高暂态稳定的模型，分别进行快速切除故障，变压器中性点经小电阻接地，改变强励倍数，记录结果。（4）结果分析 仿真之后，分析所得的图形。从电压图、转速图和功角图着手分析是否能够提高暂态稳定。3 电力系统常用仿真简介 3.1 常用的电力系统仿真软件目前常用的电力系统仿真软件有：（1） 邦纳维尔电力局开发的BPA程序和EMTP程序；（2） 曼尼托巴高压直流输电研究中心考法的PSCAD/EMTDC程序；（3） 德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC；（4） 中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序PSASP;（5） Math Works公司开发的科学与工程计算软件MATLAB。以上各个电力系统仿真软件的结构和功能不同，它们各自的应用领域也有所侧重。EMTP主要用来进行电磁暂态过程数字仿真，PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用来进行电磁暂态和控制环节的仿真，BPA、PSASP主要用来进行潮流和机电暂态数字仿真。 3.2 MATLAB简介MATLAB是美国MATH WORK公司1984年开始推出的一种简洁的工程计算语言，它是以矩阵计算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到一个交互的工作环境中。Simulink 是在MATLAB 环境下用于动态建模和仿真应用最广泛的软件包之一，意思是仿真链接。该软件有两个特别明显的功能：仿真与链接。也就是说，可以直接利用鼠标在模型窗口中划出所需要的控制系统模型，然后再利用该软件提供的功能来对控制系统直接进行模拟，很明显，这种所发是的一个原本很复杂的系统变得相当容易输入。SimPowerSystems库是SIMULINK下面的一个专用模块库，是在SIMULINK环境下进行电力、电子系统建模和仿真的先进工具。SimPowerSystems库提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将仿真系统图变化为状态方程描述的系统形式，然后在SIMULINK下进行仿真分析。它为电路、电力电子系统、电机系统、发电、输变电系统和配电计算提供了强有力的解决方法，尤其是当设计开发内容涉及控制系统设计时，优势更为突出。PSB（Power System Blocket）是一个图编辑器，在Simulink环境下能建立系统原理并进行仿真计算。PSB库提供了电力系统仿真通用的原件和装置，包括RLC支路和负载、变压器、传输线、避雷器、电机、电力电子装置等。只需通过点击和拖放PSB库内的模型即可建立用户所需要的电力系统仿真原理图，并利用模型元件的对话框来设置相关参数，使用Simulink提供的示波器模型，可现实仿真结果及其波形。 3.3 MATLAB保存图形（1） 模型图的保存模型图建立完后，点击Edit,出现下拉菜单，选择Copy Model To Clipboard,就将模型图复制成功了，在建立的文档中粘贴即可。（2） 波形图的保存运行之后，打开scope，得到图形，在matlab指令窗口输入：>> set(0,'ShowHiddenHandles','on')>> set(gcf,'menubar','figure')然后按下回车，则在scope窗口会出现菜单栏。点击Edit,选择下拉菜单中的Axes Properties,即可修改图形的背景颜色和波形的颜色等其它属性：选择下拉菜单中的Copy Figure,即把整个波形图和坐标复制成功，只需在建立的文档中粘贴即可。4 基于SIMULINK的单机无穷大系统的暂态稳定性仿真 4.1 单机-无穷大系统的建模 单机无穷大系统原理图如图4-1. G T S 图4-1单机无穷大系统原理图 根据图5-1建立的单机无穷大系统仿真原理图如图4-2.图4-2单机无穷大仿真原理图图中使用到的基本模块有：示波器scope，逻辑加，增益gain，电机测量模块Machines Measurement Demux，同步电机（标幺值单位）模块Synchronous Machine pu Standard，励磁系统Excitation System，通用电力系统稳定器Generic Power System Stabilizer，三相并联RLC负载Three Phase Parallel RLC Load，双绕组三相变压器Three-Phase Transformer(Two Windings)，电压测量模块Voltage Measurement，分布参数线路模块Distributed Parameters Line，三相电源Three-Phase Source，三相故障Three-Phase Fault，POWERGUI运行经验表明，在110KV及以上的大接地电流系统的高压架空线路上，短路故障中70%以上短路故障都是接地短路，尤其在220-500KV的架空线路上，由于线间距离大，其中单相接地短路故障的几率高达90%以上，所以仿真时的故障采取的是单相接地短路。仿真模型中，发电机采用的是标幺制的同步电机，设置的有功是900MW；变压器采用的是双绕组三相变压器，有功也是900MW，频率均设置为我国电力的工频50Hz。 4.2 采用的模块及其参数设置1. Machines Measurement Demux(电机测量模块)图4-3电机测量模块参数设置窗口2. Synchronous Machine pu Standard(同步电机（标幺值单位）模块)图4-4同步电机（标幺值单位）模块参数设置窗口3. Excitation System(励磁系统)图4-5励磁系统参数设置窗口4. Generic Power System Stabilizer(通用电力系统稳定器)图4-6通用电力系统稳定器参数设置窗口5. Three Phase Parallel RLC Load(三相并联RLC负载)图4-7三相并联RLC负载参数设置窗口6. Three-Phase Transformer(Two Windings)(双绕组三相变压器)图4-8双绕组三相变压器参数设置窗口7. Voltage Measurement(电压测量模块)图4-9电压测量模块参数设置窗口8. Distributed Parameters Line(分布参数线路模块)图4-10分布参数线路模块参数设置窗口9. Three-Phase Source(三相电源)图4-11三相电源参数设置窗口10.Scope(示波器)11. Three-Phase Fault(三相故障)图4-12三箱故障参数设置窗口12. POWERGUI 图4-13POWERGUI参数设置窗口 4.3 电力系统暂态稳定性仿真为了便于观察不同条件下的电力系统的波形，可以将仿真图扩展为如图4-14.图4-14单机无穷大仿真图扩展图（1） 改变发电机强励倍数强励倍数分别为1、1.5。实线代表强励倍数为1.5，虚线代表强励倍数为1。图4-15 功角图a图4-16电压图 a图4-17转速图 a由图可以看出：故障是在5s发生，强行励磁的系统稳定的时间是在7s，调节时间是2s，超调量是2.67%；没有强行励磁的系统稳定时间是在9s，调节时间是4s，超调量是7.31%.所以强行励磁能够减少调节时间，降低超调量，更有利于系统的稳定。（2） 变压器经小电阻接地变压器中性点接地的情况，对发生接地短路时的暂态稳定有着重大的影响。对于中性点直接接地的电力系统，为了提高接地短路（两相短路接地、单相接地）时的暂态稳定，变压器中性点可经小电阻后再接地。从物理概念上说，短路时零序电流通过接地电阻Rg时要消耗有功功率，其中的一部分可由发电机来负担，因而使发电机输出的电磁功率增加，转轴上的不平衡功率减小，从而减小发电机的相对加速度，提高了暂态稳定。如何选择中性点接地电阻值，是应用中的一个重要问题。对典型系统计算表明，电阻值以4%（变压器额定容量为基准）左右为宜。建立的模型如图4-18 图4-18变压器中性点经小电阻接地仿真图图4-18中的两个单机无穷大系统，其中一个变压器中性点经小电阻接地，另一个未经小电阻接地，其余条件相同。经过运行得到下列波形图（虚线代表变压器中性点经小电阻接地，实线代表变压器中性点未经小电阻接地）图4-19 电压图b图4-20功角图b图4-21转速图b由图4-19，图4-20，图4-21：当变压器中性点经小电阻接地时，调节时间是2.2s，超调量是1.0%；当变压器中性点未经小电阻接地时，调节时间是3.6s，超调量是4.4%。所以，变压器中性点经小电阻接地，能够减少调节时间，降低超调量，更有助于电力系统的暂态稳定。（3） 快速切除故障快速切除短路故障，除了能减轻电气设备因短路流产生的热效应等不良影响外，对于提高电力系统暂态稳定性，还有着决定性的意义。加快切除速度，可以减小切除角.这样既减小了加速面积，有增大了可能的减速面积，从而提高了暂态稳定性。建立的模型图如图4-22图4-22快速切除故障仿真图Three-Phase Fault中的参数Transition times 分别为（5 , 5.15）和（5 , 7）表示的意思是运行5s是发生故障，分别在5.15s和7s将故障切除，其余条件相同。经过运行得到下列波形图（虚线代表切除时间是5.15s，实线代表切除时间是7s）：图4-23功角图c图4-24转速图c图4-25电压图c快速切除短路故障，除了能减轻电气设备因短路流产生的热效应等不良影响外，对于提高电力系统暂态稳定性，还有着决定性的意义。加快切除速度，可以减小切除角.这样既减小了加速面积，有增大了可能的减速面积，从而提高了暂态稳定性。由图4-23，图4-24，图4-25可以看出：在5.15s切除故障时，调节时间是1.8s，超调量是7.3%；在7s切出故障时，调节时间是3.3s，超调量是122.2%。显然，快速切除故障可以减少调节时间，降低超调量，更有助于电力系统的暂态稳定性。（4）自动重合闸建立的原理图如图4-26.图4-26自动重合闸仿真图经过运行得到下列波形图。实线表示有自动重合闸，虚线表示没有重合闸。图4-27功角图d图4-28转速图d图4-29电压图d由图可以得到：自动重合闸成功，调节时间是2.0s，超调量是0.1%；没有重合闸，调节时间是3.7s，超调量是4.37%。所以，自动重合闸更有助于电力系统的暂态稳定。5 时间安排 1-2周 开题答辩及毕业实习。3-4周 了解各种元件的仿真模型，开始初步搭建模型。4-7周 搭建模型,并进行合适的参数设置。8-10周 采用提高暂态稳定性的方法，改变模型，进行仿真。11-12周 研究有关电力系统稳定器（PSS）13-14周 毕业设计论文的撰写与完成。15周 毕业答辩。参考文献1张晓春,郭小进,邹登海,等. 基于MATLAB语言的电力系统暂态稳定仿真J. 湖北电力,2000,03:9-10+14.2李玉梅,马伟明,张波涛. 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