电力系统课程设计电力系统稳定分析.doc

专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 09电气（4）班 华南理工大学电力学院2013-1-6目录1任务书简介21.1220kv分网结构和参数21.2设计的主要内容41.3设计要求和设计成果42潮流计算分析62.1参数计算62.2基于matlab的潮流计算程序72.3基于powerworld的潮流计算122.4潮流计算结果分析193稳定计算分析213.1参数计算213.2网络变换法求解转移阻抗213.3基于matlab的稳定计算程序263.4基于powerworld的稳定计算273.5稳定计算结果分析323.6发电机模型选择对稳定计算结果的影响333.7励磁调节系统参数变化对稳定计算结果的影响344结束语341 任务书简介1.1 220kv分网结构和参数图 1 220kv分网结构500kv站（#1）的220kv母线视为无穷大母线，电压恒定在230kv。图中，各变电站参数如下表：表 1 各变电站参数编号类型220kv最大负荷（mva）#1（节点6）500kv站平衡节点#2（节点1）220kv站250+j20#3（节点2）220kv站340+j90#4（节点3）220kv站260+j85#5（节点4）220kv站390+j90各线路长度如图所示。所有线路型号均为lgj-2*300，基本电气参数为：正序参数： r = 0.054/km, x = 0.308/km, c = 0.0116 f/km；零序参数： r0 = 0.204/km, x0 = 0.968/km, c0 = 0.0078 f/km；40c长期运行允许的最大电流：1190a。燃煤发电厂g有三台机组，均采用单元接线。电厂220kv侧采用双母接线。发电机组主要参数如下表：表 2 发电机组参数机组台数单台容 量（mw）额定电压（ev）功率因数升压变容量（mva）xdxdxqtd0tj=2h330010.50.853501.80.181.287当发电机采用三阶模型时，励磁环节（含励磁机和励磁调节器）模型如下（不考虑pss）：图 2 励磁环节模型上图中参数如下：tr=0，ka=20， ta=0.1，te=0.1，ke=1， kf=0.05，tf=0.7 发电厂升压变参数均为vs%=10.5%，变比10.5kv/242kv。不计内阻和空载损耗。发电厂按pv方式运行，高压母线电压定值为1.05vn。考虑该电厂开机三台，所有发电机保留10%的功率裕度。发电厂厂用电均按出力的7%考虑。稳定仿真中不考虑发电厂的调速器和原动机模型。负荷采用恒阻抗模型。1.2 设计的主要内容1、进行参数计算和标幺化，形成潮流计算参数。2、用matlab编制潮流计算程序，要求采用p-q分解潮流计算方法。3、用powerworld软件进行潮流计算并与自己编制的软件计算结果进行校核和分析。4、用matlab编制稳定计算程序（三台机可并联等值成一台机），发电机采用二阶经典模型（注：用ode45函数既可求解）。要求给出网络变换法求解转移阻抗的变换过程图；要求输出发电机功角，角速度，以及基于等面积定则的加速面积和减速面积。5、自行选择2-3种故障方案，给出摇摆曲线，并计算故障的极限切除时间和极限切除角。与powerworld软件的分析结果进行比较校核。6、用powerworld作为分析工具，发电机采用三阶模型，对第5步的2-3种故障方案进行稳定计算，给出摇摆曲线，并计算故障的极限切除时间。7、比较两种模型的仿真结果，分析发电机模型选择对于稳定计算结果的影响。8、分析励磁调节系统参数变化对于稳定计算结果的影响。9、编制课程设计报告。1.3 设计要求和设计成果1、2位同学为一组，自行分工，但任务不能重复。2、每位同学对自己的设计任务编写课程设计说明书一份。3、一组同学共同完成一份完整的设计报告。注：设计说明和报告应包含： 以上设计任务每一部分的计算过程和结果分析； 所编制的潮流和稳定计算源程序（主要语句应加注释）； 潮流计算结果（潮流图）； 稳定计算的功角曲线等； 网络变换法求解转移阻抗的变换过程图。2 潮流计算分析2.1 参数计算线路基本电气正序参数：r = 0.054/km，x = 0.308/km，c = 0.0116 f/km取发电厂220kv母线为节点5，无穷大母线为节点6，其他变电站220kv母线依次为节点14，得线路长度如下：l12=40km，l16=40km，l25=40km， l 45=40km，l 13=20km，l 34=20km取基准电压vb=230kv，基准功率sb=100mva，则基准阻抗：zb=vb2/sb=2302/100=529节点1、节点2、节点3、节点4为pq节点：p1s+j q1s =250+j20，p1s*+j q1s*=2.5+j0.2p2s+j q2s =340+j90，p2s*+j q2s*=3.4+j0.9p3s+j q3s =260+j85，p3s*+j q3s*=2.6+j0.85p4s+j q4s =390+j90，p4s*+j q4s*=3.9+j0.9节点5为pv节点：p=3000.90.93mw=753.3mw，p*=7.533，v*=1.0节点6为平衡节点：v*=230/230=1.0，*=02.2 基于matlab的潮流计算程序图 3 pq分解法潮流计算程序流程框图%pq分解法潮流计算%函数输出变量：1）迭代次数；2）各节点的电压幅值；3）各节点的电压相角；4）平衡节点的功率；%5）各线路功率clc;%清理命令窗口%=参数设置k=20;%最大迭代次数limit=10e-6;%收敛条件%=参数设置结束%=基础参数录入%线路基本电气参数r=0.054;x=0.308;c=0.0116;z=r+x*1i;%单位阻抗b=2*pi*50*c*10(-6)*1i;%单位电纳%基准阻抗为484，双回线的阻抗除以2，导纳乘以2%支路信息矩阵：首端节点 末端节点 支路阻抗* 对地导纳/2*branch=1,2,z*40/2/529,b*40*529; 1,3,z*20/2/529,b*20*529; 1,6,z*40/2/529,b*40*529; 2,5,z*40/2/529,b*40*529; 3,4,z*20/2/529,b*20*529; 4,5,z*40/2/529,b*40*529;%节点信息矩阵：发电机出力 节点负荷 节点电压初值 节点类型（1-平衡节点；2-pq节点；3-pv节点）node=0,2.5+0.2i,1,2;%节点1，#2 0,3.4+0.9i,1,2;%节点2，#3 0,2.6+0.85i,1,2;%节点3，#4 0,3.9+0.9i,1,2;%节点4，#5 7.533,0,1,3;%节点5，发电机节点 0,0,1,1;%节点6，#1%节点对地导纳向量%=基础参数结束%=形成y矩阵 %形成矩阵b和b”m1,n1=size(branch);%m1为支路数m2,n2=size(node);%m2为节点数y=zeros(m2);%预定义节点导纳矩阵for a=1:m2 m=branch(a,1); n=branch(a,2); y(m,n)=y(m,n)-1./branch(a,3); y(n,m)=y(m,n); y(m,m)=y(m,m)+1./branch(a,3)+branch(a,4); y(n,n)=y(n,n)+1./(branch(a,3)+branch(a,4);endb1=zeros(m2-1);b2=zeros(m2-2);%预定义简化雅可比矩阵b和b”b1=imag(y(1:m2-1,1:m2-1);b2=imag(y(1:m2-2,1:m2-2);g=real(y);b=imag(y);y0=zeros(m2);%预定义节点对地导纳向量for a=1:m2 m=branch(a,1); n=branch(a,2); y0(m,n)=y0(m,n)+branch(a,4); y0(n,m)=y0(m,n);end%=形成y矩阵结束 %=迭代开始%pq节点电压初值矩阵v=1.0;1.0;1.0;1.0;1.0043;1.0;delta=zeros(m2,1);kp=1;kq=1;%预定义不平衡功率矩阵dp=zeros(m2-1,1);dpv=zeros(m2-1,1);ddelta=zeros(m2-1,1);dq=zeros(m2-2,1);dqv=zeros(m2-2,1);dv=zeros(m2-2,1);for k=1:k %有功功率迭代 for i=1:m2-1 sv=0; for j=1:m2 sv=sv+v(j)*(g(i,j)*cos(delta(i)-delta(j)+b(i,j)*sin(delta(i)-delta(j); end dp(i)=real(node(i,1)-node(i,2)-v(i)*(sv); dpv(i)=dp(i)/v(i); end if max(abs(dp)limit kp=0; if kq=0 break; end else ddelta=(-inv(b1)*dpv)./v(1:m2-1); delta=delta(1:m2-1,1)+ddelta;0; kq=1; end %无功功率迭代 for i=1:m2-2 sv=0; for j=1:m2 sv=sv+v(j)*(g(i,j)*sin(delta(i)-delta(j)-b(i,j)*cos(delta(i)-delta(j); end dq(i)=imag(node(i,1)-node(i,2)-v(i)*(sv); dqv(i)=dq(i)/v(i); end if max(abs(dq)limit kq=0; if kp=0 break; end else dv=-inv(b2)*dqv; v=v(1:m2-2)+dv;1.0043;1.0; kp=1; end k=k+1;end%=迭代结束if kp=0&kq=0 disp(计算已收敛，迭代次数k=); disp(k); disp(各节点电压幅值和相角为); disp(节点 幅值/v 相角/); disp(1:m2,v*230,delta/pi*180); disp(平衡节点功率为/mva); syv=0; for b=1:m2 syv=syv+conj(y(m2,b)*conj(v(b)*cos(delta(b)+1i*v(b)*sin(delta(b); end disp(v(m2)*cos(delta(m2)+1i*v(m2)*sin(delta(m2)*syv*100); disp(各线路功率为/mva); s=zeros(m2); for i=1:m2 for j=1:m2 s(i,j)=(v(i)2*conj(y0(i,j)+(v(i)*cos(delta(i)+1i*v(i)*sin(delta(i)*(conj(v(i)*cos(delta(i)+1i*v(i)*sin(delta(i)-conj(v(j)*cos(delta(j)+1i*v(j)*sin(delta(j)*conj(-y(i,j)*100; end end disp(s)else disp(计算不收敛，请增加迭代次数或检查支路信息和节点信息);end2.3 基于powerworld的潮流计算（1）节点a.根据题目要求建立并编号9个节点；b.分别为发电机单元接线母线3个（母线7/8/9基准值设置成10.5kv）；c.发电厂汇总母线1个（母线5基准值230kv）；d.变电站母线4个（母线1/2/3/4基准值230kv）；e.平衡节点母线1个（母线6基准值230kv）；f.在母线9的信息菜单（bus information dialog）中勾选系统平衡母线选项（system slack bus）以设置平衡节点；g.另外，需要为母线设置电压表（标幺值），选择节点后点击相应母线。 （2）发电机建立3个发电机分别连接到母线7、8、9，有功功率设置p=300（1-0.10）（1-0.07）mw。发电机模型、基本数据设定：发电机励磁模型、基本数据设定：（3）变压器、线路节点7-5、8-5、9-5设置变压器，5-2.5-4.4-3.3-1.2-1.1-6六条线路：（4）负荷依照要求设置恒阻抗负荷：（5）网架仿真图（6）运行结果a将软件切换到运行模式如图所示b.进行潮流计算bus flowsload 1 246.71 19.74 247.5to 2 2 1 5.01 -29.90 30.3 0to 2 2 2 5.01 -29.90 30.3 0to 3 3 1 112.35 3.62 112.4 0to 3 3 2 112.35 3.62 112.4 0to 6 6 1 -240.71 16.41 241.3 0to 6 6 2 -240.71 16.41 241.3 0bus 2 2 230.0 mw mvar mva % 0.9993 -3.40 1 1load 2 339.52 89.87 351.2to 1 1 1 -4.98 22.41 23.0 0to 1 1 2 -4.98 22.41 23.0 0to 5 5 1 -164.78 -67.35 178.0 0to 5 5 2 -164.78 -67.35 178.0 0bus 3 3 230.0 mw mvar mva % 0.9906 -4.02 1 load 3 255.12 83.41 268.4to 1 1 1 -112.09 -5.93 112.2 0to 1 1 2 -112.09 -5.93 112.2 0to 4 4 1 -15.47 -35.78 39.0 0to 4 4 2 -15.47 -35.78 39.0 0bus 4 4 230.0 mw mvar mva % 0.9949 -3.96 1 1load 4 386.00 89.08 396.1to 3 3 1 15.50 32.14 35.7 0to 3 3 2 15.50 32.14 35.7 0to 5 5 1 -208.50 -76.68 222.2 0to 5 5 2 -208.50 -76.68 222.2 0bus 5 5 230.0 mw mvar mva % 1.0213 -1.39 1 1to 2 2 1 166.03 66.72 178.9 0to 2 2 2 166.03 66.72 178.9 0to 4 4 1 210.47 80.28 225.3 0to 4 4 2 210.47 80.28 225.3 0to 7 7 1 -251.00 -98.00 269.5 0 0.9500nt 0.0to 8 8 1 -251.00 -98.00 269.5 0 0.9500nt 0.0to 9 9 1 -251.00 -98.00 269.5 0 0.9500nt 0.0bus 6 6 230.0 mw mvar mva % 1.0000 0.00 1 1generator 1 486.16 -20.70r 486.6to 1 1 1 243.08 -10.35 243.3 0to 1 1 2 243.08 -10.35 243.3 0bus 7 7 10.5 mw mvar mva % 1.0000 2.62 1 1generator 2 251.00 118.88r 277.7to 5 5 1 251.00 118.88 277.7 0 0.9500ta 0.0bus 8 8 10.5 mw mvar mva % 1.0000 2.62 1 1generator 3 251.00 118.88r 277.7to 5 5 1 251.00 118.88 277.7 0 0.9500ta 0.0bus 9 9 10.5 mw mvar mva % 1.0000 2.62 1 1generator 4 251.00 118.88r 277.7to 5 5 1 251.00 118.88 277.7 0 0.9500ta 0.02.4 潮流计算结果分析利用matlab编制的潮流计算程序对图1的网络进行潮流计算，迭代次数为6，平衡节点有功功率为498.90mw，无功功率为54.61mvar，各节点电压幅值和相角如表3所示。表 3 节点电压（matlab）节点1（#2）2（#3）3（#4）4（#5）5（#6）6（#1）电压幅值（kv）226.3658226.7709225.1731225.6864230.99230.00电压相角（）-3.3098-3.4094-4.0844-4.0056-1.30430各线路功率如表4所示，线路编号是以有功功率的流向进行编号的。表 4 线路功率（matlab）线路首端功率（mva）末端功率（mva）1211.53-j24.3611.52-j9.4513232.21+j44.72231.62+j48.774328.40+j28.9428.38+j36.2352330.92+j98.11328.48+j99.4554422.38+j126.41418.40+j118.9461498.90+j54.61493.74+j40.36利用powerworld软件对图1的网络进行仿真潮流计算，平衡节点有功功率为486mw，无功功率为21mvar，各节点电压幅值和相角如表5所示。表 5 节点电压（powerworld）节点1（#2）2（#3）3（#4）4（#5）5（#6）6（#1）电压幅值（kv）228.482229.84227.84228.83230.00230.00电压相角（）-3.27-3.39-4.02-3.952.630各线路功率如表6所示，线路编号是以有功功率的流向进行编号的。表 6 线路功率（powerworld）线路首端功率（mva）末端功率（mva）1210.02-j59.809.96-j44.8213224.70+j7.24224.18+j11.864331.00+j64.2831.08+j71.5252332.06+j133.44329.56+j134.7054420.94+j160.56417.00+j153.3661486.16-j20.70481.42-j32.82潮流仿真图如图4所示。图 4 powerworld 潮流仿真图对比matlab和powerworld的结果可得，线路有功功率相差较小，无功功率和电压相差较大。3 稳定计算分析3.1 参数计算取系统基准功率sb=100mva，由发电机单台额定容量为300mw，功率因数为0.85，可得发电机单台额定容量：sn=pn/cos=300/0.85=352.94mva又tj=7，故三台发电机合并后的等值惯性时间常数：t=3tjsn/sb=74.12发电厂升压变电抗标幺值：=发电机暂态电抗标幺值：=平衡节点功率s*=(498.90+j54.61)/100=4.9890+j0.54613.2 网络变换法求解转移阻抗在进行稳定计算时，首先应求解网络的故障前、故障时和故障后的转移阻抗，可利用电路的串并联、星网变换等网络变换方法，并根据正序等效定可求得转移阻抗，从而进一步得出功率特性。在此网架中，由于负荷采用恒阻抗模型，其阻抗较大，可忽略不计。选取两种故障方案如下：1）1号故障：在节点1（#2）到节点6（#1）的双回输电线路的某回线路中部发生三相短路；2）2号故障：在节点4（#5）到节点3（#4）的双回输电线路的某回线路首端发生三相短路。下面针对这两种故障方案求解故障时和故障后系统的转移阻抗。图 5 故障前系统的转移阻抗图5是故障前系统的转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：z1*=0.004083+j0.2044图 6 1号故障时系统的转移阻抗图6是1号故障前系统的转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：z2*（1）=(0.0030624+j0.1985)+（0.0010208+j0.005822）+(0.0030624+j0.1985)(0.00102+j0.005822)/(0.00051+j0.002911)=0.0102+j0.6013图 7 1号故障后系统的转移阻抗 图7是1号故障后系统的转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：z3*（1）=0.0061248+j0.216图 8 2号故障时系统的转移阻抗图8是2号故障时系统的转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：z2*（2）=（0.00102079+j0.18689）+（0.0030623+j0.017467）+（0.00102079+j0.18689）（0.0030623+j0.017467）/（0.000510397+j0.0029112）=0.0102+j1.3257图 9 2号故障后系统的转移阻抗图9是2号故障后系统的转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：z3*（2）=0.00431+j0.20563.3 基于matlab的稳定计算程序%发电机采用二阶经典模型，用ode45函数求解的稳定计算程序%clc;%清理命令窗口z1=0.004083+1i*0.2044;%系统故障前的转移阻抗z2=input(输入系统故障时转移阻抗：);z3=input(输入系统故障后转移阻抗：);tc=input(输入系统故障切除时间：);a=real(z1);b=imag(z1);%a、b分别为转移阻抗的电阻和电抗alpha=pi/2-angle(z1);w0=1;p0=4.9890;q0=0.5461;v0=1.0;%无穷大母线的有功、无功和电压标幺值eq0=v0+(p0*a+q0*b)/v0+1i*(p0*b-q0*a)/v0;dt0=angle(eq0);ep=abs(eq0);pt=abs(ep2*sin(alpha)/abs(z1)+ep*v0*sin(dt0-alpha)/abs(z1);h_opt=odeset;x0=dt0;w0;mu=abs(z2);t1,x1=ode45(odefun,0,tc,x0,h_opt,mu,pt,ep,alpha);x02=x1(end,:);mu=abs(z3);t2,x2=ode45(odefun,tc,50,x02,h_opt,mu,pt,ep,alpha);%总运行时间为50st=t1;t2;x=x1;x2;plot(t,x(:,1),r-,t,x(:,2),b-)function xdot=odefun( t,x,flag,mu,pt,ep,alpha)%发电机转子运动方程，惯性时间常数为74.12,阻尼系数为10xdot=(x(2)-1)*314.159265; 1/74.12*(pt-(ep2*sin(alpha)/mu+ep*1.0*sin(x(1)-alpha)/mu)-10*(x(2)-1);3.4 基于powerworld的稳定计算（1）设置故障 （2）1号故障分析节点1-节点6线路单回路50处短路运行时间t=20s，故障发生时间t1=10s 1） 当切除时间t2=10.3s时2） 当切除时间t2=10.467s时3）当切除时间t2=10.468时所以极限切除时间t=0.467s，限切除角162.582（3）2号故障分析节点4-节点3某回路首段三相短路,运行时间t=20s，故障发生时间t1=10s1） 当切除时间t2=10.2s时2）当切除时间t2=10.219s时3）当切除时间t2=10.22s时所以故障2的极限切除时间为0.219s，极限切除角为171.601。3.5 稳定计算结果分析选取的两种故障方案求出的转移阻抗如表7所示。表 7 两种故障转移阻抗转移阻抗（标幺值）故障前转移阻抗故障时转移阻抗故障后转移阻抗1号故障0.004083+j0.20440.0102+j0.60130.0061248+j0.