（电气工程专业论文）衢州电网黑启动研究.pdf

摘要 电力系统全停后的恢复计划即黑启动，是保证现代电力系统安全运行的重 要课题。本文通过对电网黑启动问题研究的必要性、系统恢复的策略、黑启动 方案的基本要求和内容、黑启动电源和目标等进行了论述，并对黑肩动过程中 可能遇到的问题及一般应对策略作了探讨，建立了衢州电网黑启动方案。论文 讨论了黑启动过程中可能出现的机组自励磁问题、操作过电压问题、电压控制 问题、系统稳定问题，并针对这些问题提出了解决的对策。 本论文围绕衢州电网的实际情况，研究衢州电网的恢复方案并对其进行了 仿真计算。经过分析比较，本文制定的衢州电网黑启动方案是切实可j j 二的，对 调度部门在实际操作上具有一定的指导意义。 关键词：电力系统黑启动仿真计算方案 a b s t r a c t t h ep o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o np l a na f t e ra 1 1b l a c k o u t ，a l s oe a l l e d b l a c k s t a r t i sa ni m p o r t a nl p r o b l e mw h i c he n s u r et h ep o w e rs y s t e m s e c u r e l y t h i sp a p e rm a k e st h eg r i db l a c k s t a r ts c h e m eo fq u z h o ur e g i o nb y meanso fs t u d y i n gt h en e c e s s i t yo fb l a c ks t a r t ，t h eb a s i cr e q u e s ta n dm a t t e r f o rb l a c k s t a r t ，t h ep o w e rs u p p l yo fb l a c ks t a r ta n d t h et a r g e to f b l a c k s t a r t o ft h ep o w e rg r i da n dt h eg e n a r a ls t e p so fw h o l ep r o c e s s t h i s p a p e ra l s od i s c u s s e st h ei s s u e sw em i g h tm e e ta n dt h e i rr e s o l u t i o n s t h e s e p r o b l e m si n c l u d es e l f e x c i t a t i o no fu n i t s ，o v e r v o l t a g e ，v o l t a g e c o n t r o l ， s y s t e ms t a b l i t il y ，a n dt h i sp a p e rp r o v i d e ss o m ew a y st or e s 0 1 v et h e s e i s s u e s t h ep a p e rm a k e st h er e s e a r c ho fq u z h o ur e g i o np o w e rg r i da n dm a k e st h e s i m u l a t i o n ，a c c o r d i n gt oi t sr e a ls i t u a t i o n b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g ，t h e p r e s e n t e db l a c k s t a r ts c h e m eisf e a s i b l ea n dcanp r o v i d ep r a c t i c a b l eb a s i s f o rd i s p a t c h i n gd e p a r t m e n t k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ：b l a c k - s t a r t ：s i m u l a t i o n ：s c h e m e 浙江太学倾士学位论_ ! = c = 第一章电网黑启动概述“”“” 1 1 研究电阿黑启动问题的必要性 当今我国电力系统己步入大电网、高电压和人机组的时代，随着社会发展对电力资源依 赖性的加强，电力系统日趋庞大和复杂，对人型电力系统安全稳定运行的要求也越来越高。 特别在我国，国民经济发展迅速，社会稳定至关重要，进一步深入探讨人型电网的运行规律， 有效预防大面积停电事故已成为一个迫切而重要的研究课题。人型电力系统在发生复故障、 保护拒动、事故处理不当、稳定破坏等情况下都有可能引发人面积停电共至系统瓦解，进入 所谓的“全黑”状态，国外已有此先例。如1 9 6 5 年美国东北部和1 9 7 7 年纽约人停电、1 9 8 2 年加拿人魁北克全省大停电、1 9 8 7 年日本东京地区停电、1 9 9 6 年美国西部电网的连续两次 大面积停电、1 9 9 6 年8 月马来西哑国家电网的全国性大停电事故以及2 0 0 3 年8 月1 4 日美 国东北部和加拿大联合叱网发生大面积停电事故等，国内外连续的几次大面积停电事故己引 起国家电网公司的高度重视，专家们也对如何防l r 发生大面积停电事故以及在发生大面积停 电事故后如何快速恢复系统供电进行了深入讨论，寻求对策，其中有条就是要做好电网的 黑启动研究工作。系统全部停电后，其恢复供电是一件十分复杂而义耗时的丁作。如果有充 分合理的事故恢复方案，帮助调度运行人员采取适当的措施，就可以大人减少停电时间。 从多年来世界范围内发生的几起人停电事故来看，作为电力系统安全运行的重要措施之 一，研究电网事故后的“黑启动”问题是十分必耍的： 1 因为技术、管理和不可抗力等原因，电力系统总有可能发生事故。上述事故的教训 告诉我们，随着电力系统的扩人，发生事故的因素增加，波及的范围扩大，对国家安全、国 家经济和人民生命财产造成的损失增加。 2 在电力市场建立的初期，市场运作规则尚未完伞建立或不完善，在规则执行中约束 乏力，各市场主体可能出现片面追求自身最大经济利益而忽视电力系统安全的错误倾向，使 安全管理削弱，调度管理削弱，从而导致事故频发。 3 我国正处于全国人联网中，由于缺乏管理大屯力系统的经验，管理规则滞后和技术 上考虑不周，加上从弱联到强联客观存在的网络上的过渡阶段，发生事故的几率有可能增加。 4 电能在能源的总消耗中所占比例越来越大，人们对电能的依赖性越来越大，对电力 供应的可靠性要求越来越高，社会对事故停电的可接受性越来越低。 衢州电网作为浙江电网( 华东电网) 的一个组成部分，目前仅由4 条2 2 0 k v 线路与主网 相连( 主要来自5 0 0 k v 双龙的电源) ，有可能在主网故障时发生地区电网解裂的情况，因此 有必要研究系统大面积停电或瓦解后的地区电网“黑启动”问题。虽然黑启动方案使用概率 很小，但实践证明，一旦发生系统大面积停电或瓦解事故，事先有或没有黑启动方案，系统 恢复速度、效果等大不一样。国外的先进运行经验表明，事故前制定好相应的对策，对于系 统尽快恢复，减少损失具有重要的现实意义。本着“宁可各而不用，不可用时无备”的原则， 制定黑启动恢复计划非常重要，可以给调度运行人员面临系统突发事故时提供处理依据，减 少电网故障带米的损失。因此作为电力系统安全运行的重要措施之一，研究大面积停电后的 恢复方案即黑启动方案十分必要。 i 2 系统恢复的策略 目前，国外各屯力公司根据本身的特点，制定了不同的恢复策略。为确保在最短的时间 内顺利有序地恢复，必须考虑资源分配及步骤的协调，现广泛采用以t n 种方法： 1 、人多数电力公司在系统崩溃后至恢复前，断开所有断路器，这有助丁i 简化网络结构 和实现快速恢复，即“全开”策略。 2 、有些电力公司在寒冷季饥根据需要断开和闭合相应的断路器以保存储备能量，称 为“选择性操作”。这要求调度人员明确了解断路器状态。 基本的恢复策略有： 浙江人学硕士学位论文 1 )向上恢复( b u i l d u p w a r d ) ：许多系统如p h i l a d e l p h i a 电力公司将系统分为具有黑启动 能力的子系统，恢复过程中同步这些子系统。主要任务包括禁启动单元的启动，子系统的恢 复和子系统的并列。 2 )向下恢复( b u i l d d o w n w a r d ) ：一些小的或联合公司拥有的较低电压网络，先联合黑启 动的功率并提供至非黑启动单元，从而充电至整个网络。主要包括黑启动单元的启动，网络 充电，非黑启动单元的启动。 3 )向内恢复( b u i i d i n w a r d ) ：纽约联合爱迪生公司的策略是通过联络线的帮助充电3 4 5 k v 输电走廊。输电走廊连接着中心发电厂。从而启动机组，完成系统恢复。其主要任务是充电 3 4 5 k v 输电走廊和启动非黑启动单元。 4 )向外恢复( b u i l d o u t w a r d ) ：联合爱迪生公司采取的另一策略是在无联络线帮助f ，先 将内部1 3 8 k v 环网恢复，而后向外恢复。主要过程包括启动黑启动单元，1 3 8 k v 环网充电和 砟黑启动单元的启动。 5 ) 共同恢复( b u i l d t o g e t h e r ) ：加拿大魁北克电网是由北部的两条匠距离7 3 5 k v 输电走 廊供电。其策略是用负荷中心旁小电站的a 启动机组向输电走廊充电。 6 ) 重要电源先恢复( s e r v ec r i t i c a l ) ：法国电力系统预先定义好子系统，囚核电站是重要 的电源，需尽快恢复，所以每个子系统中自启动电源通过输电走廊供给核电站厂用电。 1 3 电阿黑启动研究的基本要求和主要内容 黑启动方案是研究整个系统冈故障停运后，不依赖于别的网络帮助，通过系统中有启动 能力机组的启动带动无启动能力的机组，逐渐扩大系统恢复范闱，最终实现整个系统的快 速恢复。这里的关键问题，一是速度要快；一是恢复或重构新的运行方式的过程必须是有序 的；三是新的运行方式必须是一个稳定的方式。 1 3 1 制定黑启动方案的基本要求 ( 1 ) 回溯性：认真分析本系统、国内外系统发生的事故的原因、造成的后果、处理的过程、 主要的教训以及防范措施等，作为制定黑启动方案的参考。 ( 2 ) 科学性；要深入分析当代电力系统的特点，如大机组、大电网、高电压、高自动化等 等，充分利h j 新技术为黑启动方案服务。 ( 3 ) 实用性：黑启动方案必须切台所属单位电力系统实际，针对性和可操作性要强。 ( 4 ) 有序性：在电力系统发生事故的恢复控制过程中，所有的恢复控制措施，如系统之间 的并列、电厂与系统之间的并列、用户供电的恢复、保护及臼动裟置定值的更改和投切等， 都必须遵循电力系统运行操作的规定，并按一定的顺序有条不紊地进行。 ( 5 ) 快速性：在事故恢复过程中，在保证安全、可靠的前提下，要千方百计争取速度。为 实现恢复控制的快速性除了要有强有力的调度组织措施外，还必须制订可靠的技术措施。 如黑启动的电源应由较大容量、与系统联系较强、启动带负荷速度快的大中型水电厂。 ( 6 ) 厉赡性：电力系统发生事故的恢复，即要快，义要防i p 恢复的系统是一个处丁电压、 频率和功角稳定边缘的系统，严防系统恢复后又崩溃。故在恢复控制时要做到慎之义慎、瞻 前顾后。 1 3 2 电网黑启动方案的主要内容 ( 1 ) 制定主要发电厂、变电所和县、地、省级电力调度通讯恢复方案。通讯恢复是电力系 统恢复的基础。特别对通讯方式单一以及通讯电源不可靠的系统这一方案尤为重要。 ( 2 ) 制定发电厂的厂用电恢复和开机并网方案。首先恢复启动时间短、带负荷速度快的机 组，再恢复位于负荷中心的发电机组，最后恢复其它发电机组。 ( 3 ) 制定事故后系统接线方式恢复的方案。按从高电压到低电压恢复主干网架和到发电厂 的联络线。同时考虑继电保护和自动装置的投切和定值的更改。 ( 4 ) 按照用户用电性质的重要程度，制定用户恢复用电方案。 以上内容的执行是相互制约、相互衔接的，有时是交叉执行的。 浙江人学硕j 学位论文 1 4 黑启动研究需注意的问题 ( 1 ) 黑启动电源问题：这是黑启动过程中首先遇剑的重要问题。因为发屯机组的启动 需要外部电源，根据相关文献，水电机组的启动功率比火电机组小得多，人约只占额定功率 的0 5 ，而且水电机组的启动快得多。根据衢州电网实际情况，水电机组较多，在3 0 分钟 内所有机组均具有自启动能力，大的水电厂有鸟溪江电厂( 总装机2 7 万k w 、单机l o 万k w ) 和黄坛口电厂( 总装机8 2 万x w 、单机2 5 万k w ) ，其余均为小水电，在选择黑启动机组时， 优先考虑这两个电厂。 ( 2 ) 发电机白励磁问题：唰步发电机自励磁是无励磁发电机在过人的电容负荷r 电压 发生自发上升的现象，建立的电压可能很高。当发电机空载带长线路时，相当于带了一个容 性负荷，如果发电机有剩磁，则机端会有一个微小的电压。，此电压加在容性负荷上，系 统将产生容性电流，该容一肚电流会对发电机产生助磁效应。随着励磁电流的增大，机组电压 将会升高，于是系统中容性电流也将增大，助磁效应加强，。又将上升。如此反复，机端 电压将越来越高，但由丁实际存在磁路饱和，机端电压将不会无限增人。具体分析觅第二章。 ( 3 ) 空载线路的合闸过电压问题：恢复超高压架空线时必须考虑几个过电压问题：持 续 频过电压、操作过电压和谐振过电压。持续上频过电压是由于轻载输电线路充电电流引 起，电压过高会导致发电机欠磁，甚至自励和不稳定，前面发电机自励磁即属工频过电压： 操作过电压是电力系统内部过电压的另一种类型，它是由系统中断路器操作和各种故障产生 的过渡过程引起的。常见的操作过电乐有：中性点不接地系统中电弧接地过电压，空载线路 合闸过电压，切除空载线路过电压：谐振过电压是指在电力系统中铁芯电感元件，如发电机、 变压器、电压互感器等非线性元件和系统中的电容元件组成许多复杂的振荡回路，如果满足 一定的条件，就可能发生谐振，常常引起严重的、持续时间很妖的过电压。详见第二章。 ( 4 ) 黑启动时初期低频振荡问题：衢州电网黑启动过程中不存在此问题，故本课题不 作研究。 ( 5 ) 恢复过程中频率和电压控制问题：在黑启动过程中，保持系统频率和电压稳定至 关重要，每一步操作都要检测系统频率和重要节点电压水平，否则极易导致黑启动失败。详 见第二章。 ( 6 ) 初步恢复后系统稳定问题：系统初步恢复后网架往往比较薄弱，整个系统容量较 小，容易受到干扰而发生稳定问题，稳定问题又分为静态和暂态稳定两类。静态稳定是指电 力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。 系统的暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到人的干扰后，能否经过暂态过程达 到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。详见第二章。 1 5 本文主要工作 本文对衢州电网黑启动中可能出现的问题进行了研究，给山了衢州电网黑启动方案主 要研究内容如r ： ( f ) 对黑启动时发电机自励磁和宅载线路合闸过电压问题进行_ ，分析和计算，得出了 实用性结论。在目前条件下，在衢州电网黑启动过程中不会发生发电机自励磁现象，空载线 路合闸不会产生导致设备损坏的过电乐。 ( 2 ) 对黑启动恢复过程中可能；u 现的运行方式进行了潮流计算、静态稳定分析和暂态 稳定分析，并得出了实片j 结论。 ( 3 ) 在上述计算研究的基础上，结合衢州电网实际，制定了衢州电网黑启动方案，包 括黑启动原则、系统方式安排以及系统的初步恢复方案和进一步恢复方案，具有一定的指导 意义。 3 浙江大学硕。 学位论文 第二章 电网黑启动研究过程中需进行分析的几个问题 2 i 黑启动过程中机组的自励磁问题“”“1 2 1 1 发电机自励磁的物理过程 发电机带空载长线路白励磁实质是一种参数共振现象，从物理概念上讲可以理解为空载 线路的容性电流对同步发电机励磁系统的助磁作用。在正常的同步运行情况下，水轮机的同 步电抗在j 。之间周期性地变动着，即每过一个电周期电抗将变动二个周期。另一方面， 无论是凸极机还是隐极机，当其处于异步工作状态或处于定r 磁通变动时的同步工作状态时， 电抗将在b 工。之间周期性地变动。在所有这些情况下，如果发电机的外电路具有容抗性质， 就有可能在此电感参数交变的振荡同路中激发起一种特殊性质的过电压，称为参数共振过电 压。 第一、共振所需的能量由参数变化的发电机供给，而不需单独的电源电压。同时，在起 始阶段，只要回路中具有某些残余能量，例如，转子剩磁切割绕组而产生的不大的感应电压， 或电容两端具有微小的残压，就可保证共振现象的持续发展。 第一二、由于实际电网中存在着一定的损耗电阻，所以每次参数变化所引起的能量应当足 够大( 即参数变化足够大) ，以便不仅可以补偿电阻中能量损耗，才可能并使回路中的储能愈 积愈多，保证共振的发展。 第三、共振发生后，同路中的电流和电压的幅值，理论上能趋于无穷人。但是，随着电 流的增大，电感线圈逐渐达到饱和状态，电感迅速变小，使回路自动偏离共振条件，从而限 制了共振过电压和过电流的幅值。 同步发电机自励磁是无励磁发电机在过大的电容负荷下电压发生自发上升的现象，当同 步发电机处于同步或异步= 作状态时，如果外电路电抗表现为容性( 例如空载线路) ，且屯抗 参数配合得当，即使励磁电流很小，由于励磁能量的作用，将会发生参数共振现象，发电机 电流和端电压的幅值急剧上升，最终产生很高的过电压。 在电网黑启动过程中，发电机自起动后经长线路空载合闸，由于线路的电容效虑，容易 产生白励磁现象。因此，在制定电网黑启动方案时，应当对能否发生自励磁现象进行分析和 计算。 2 1 2 产生自励磁的条件 设发电机外电路由电容电抗工，和电阻r 组成，等值电路如图21 所示。对同步发电机方 程和外电路方程进行联立求解，经相关变换后，可以解山自励磁的边界曲线，如图2 2 所示， 在此曲线与纵坐标轴包含的区域范围内，都将产生自励磁现象，、r 圆i 的范同为同步自励磁 rrr+r 区( 在，和工，的平面上就是半径为二生1，圆心为z = 二二生二竺，r = 0 的圆) ，半圆i i 的 2 2 。p 。上” 范嗣为异步自励磁医( 在r 和x ，的平面上就是半径为兰 ! 立，圆心为x ：二l 二二! ，：o 的 22 凰) ，其实线与虚线分别表示无阻尼绕组和有阻尼绕组时的自励磁区。对凸极机面言，蒯步自 励磁和异步自励磁现象均有可能发生，对隐极机只可能发生异步自励磁现象。 xc 图2 一l 发电机外等值电路图图2 2 同步发电机的白励磁区 4 睦 叫 一 浙江人学硕十学位论文 据图2 2 ，司得： 同步自励磁条件为： ( 工d x 。) ( x 。一t ) + r 2 0 ( 2 1 ) 式可改写为： ( t 一三生；蔓) z + r 。 ( 兰生蔓) z 异步自励磁条件为： ( x d x d ( x 。一x ，) + r 2 0 ，即瓯l o , 9 0 。) 时系统稳定；k o 相 、当于- c o s s o o 时，系统是稳定的；丽d p o 时，系统是不稳定的。与c 点所对应的功率是系统在静态稳定的前提下允许传输的最人功率，称稳定极限，以p f 表示。 电力系统不应经常在接近稳定极限的情况下运行，而应保持一定的储备。稳定储备按规定为 k 。：墨! 二墨丛1 0 0 p d o l 矿如1 5 2 0 a p 匹1 0 正常运行 枣故后运行 一般系统在系统黑启动恢复开始的过程中，系统的最大出力远大于负荷，故不要考虑 静态稳定问题。 2 4 2 提高静态稳定的措施 提高暂态稳定的措施较多，最常剧的往往是带有根本性的措施一缩短“电气距离”，缩 短“电气距离”就是减少各元件的阻抗，主要是电抗。常用的措施有以下儿种： ( 1 ) 减少系统各元件的电抗：减少发电机、变压器电抗；加强网络结构，增加线路同 路数，采用分裂导线；提高线路额定电压；设置串联电容器等。 ( 2 ) 维持和控制母线电压：措施很多，如远距离输电系统的中间地点设置同步调相机 或具有电压和无功补偿特性的补偿装置。 ( 3 ) 采用自动调节装置 ( 4 ) 采用直流输电 2 4 3 暂态稳定分析 由于分析复杂电力系统暂态稳定的复杂性，在有条件时尽量将复杂系统化为简单系统进 行分析，例如将复杂系统化为等值的两机系统，进一步还可化为等值一机无穷大系统。这样 化简当然会形成一定误筹，但在有些情况下还是可以接受的。 对于简单系统，使用面积定则分析暂态稳定是我们常用的方法。我们将用能量函数法进 一步说明面积定则的原则和应用。p 面主要介绍一下。现以最简单的单机对无穷大系统，说 明如何利用直接法中的暂态能量函数法( t e f 法) 进行暂态稳定分析。 e 6u 么o o ( a ) 电阿示意剧 浙江大学硕上学位论文 ( b ) 功角特性图 2 6 单机无穷大系统暂态稳定特性图 对于图2 - 6 ( a ) 所示的系统，对发l b 机采用经典二阶模型，忽略调速器动态特性，则系 统的数学模型为 l 警5 巴一只l 丝= 0 ) - 1 d t j 式中p _ 一一机械功率，恒定 p 。电磁功率，p ：兰芝s i nj x x ：一发电机电动势e z6 与系统电压u 么0 ”间的总电抗( 设电阻为0 ) t j 一一发电机惯性时间常数 由图2 - 6 ( b ) ，设系统在t = o ，即6 = 6 。时，功角特性为p 受到故障扰动时，功角 特性变为p m 此时发电机加速6 增加，直到6 = 6o 时，切除故障；以后功角特性变为p e n 。 现利用直接法判别故障切除厉系统的第一次摇摆的稳定性。这可以用人家比较熟悉的等 面积准则求解。下面用t e f 法求解，并与等面积准则作比较。 对于故障斤的系统，有两个功率平衡点s 及e ，其中对应于6 。的s 点是稳定平衡点， 对应于6 。的点是不稳定平衡点。 下面定义系统的暂态能量函数。设系统动能为 k 垒= 1l 珊2 ( 2 1 3 ) 式中甜为机组转速与同步转速的偏差，稳态时甜= o ，故0 = 0 。 故障切除时的动能可将( 21 2 ) 式的两边对6 积分而求得，考虑剑坐：埘， 警= 甜塑d 8 及j f 耐珊= 毛2 2 + c ，可得 k i c = 互1 t 腰2 = 璧l 珊i d ( o = e l i d 0 3 d j 浙江大学硕士学位论史 鬈( 匕一e ，) = 加速面积a ( 2 1 4 ) 若定义系统势能y 。为以s 点为参考点的减速面积，则故障切除时的势能为 kl 。= j ：( 只n 一巴凇= 面积b ( 2 一1 5 ) 定义系统的暂态能量为扰动结束时的总能量诈，即 鳜l 。+ v p 。= z 出；+ e 汜。一冗弦j = 面积( a + b ) ( 2 - 1 6 ) 若将系统处于不稳定平衡点u ( 6 处) 时，系统以s 点为参考点的势能作为临界能昔， j i ! i j v ，= e 眨n 一巴p j = 面积( b + c ) ( 2 1 7 ) 可作稳定判别如f ： 若v ， v 。，即图2 - 6 ( b ) 中面积( a + b ) 2 = l 2 = 0 5 1 = 0 0 5 o ( 2 1 8 ) 安全 预警 警告 严重警告 潜在危机 研究表明，采用u 作为稳定度比用v c - v 。，更具有一般性和可比性。 2 4 4 提高暂态稳定的措施 本节讨论电力系统暂态稳定控制，日i j 系统从发生扰动到事故后稳态的过渡过程中保持稳 定的控制措施和如何确定控制作用量。 提高暂态稳定的控制措施主要有以下几类： ( 1 ) 加- 决故障切除速度及进行适当的重合闸，如三相重合闸及多相( 按相) 重合闸。 ( 2 ) 提高系统输送能力的控制，主要是保持和提高系统备节点的电压，减少输电系统的 阻抗等，如发电机和凋相机的强行( 顶值) 励磁、串( 并) 联电容补偿和切除并联电抗器等； ( 3 ) 减少送受两端的功率不平衡稗度，如送端切机、汽轮机快控汽fj 、电阻制动和受端 浙江人学硕上学位论文 切负荷等。 以上备类措旋可单独采用，也可同时采用。由于1 类措施费用低和效果好，应优先采用。 2 类措施主要是控制电压和无功功率，容易灵活地实现控制，特别是电力电子技术的迅速发 展，使有条件更广泛更灵活地实现这类控制。3 类控制主要是控制有功功率，在暂态过程中 大幅度变化有功功率，实现起来较困难，对电力系统影响也较大，通常是前两类控制不能满 足要求时才采用。 上述控制措藏多数是开环离散控制，这是由j ：暂态稳定问题是大干扰引起的，且控制作 用要求较强和控制速度要求很快而决定的。而且有些控制措施只能实现离散控制，如切机、 切负荷和快控汽门等。有些暂态稳定控制措施也采用闭环连续控制，如发电机和调相机的励 磁、静止无功补偿，以及进年来新发展的柔性交流输电系统( f a c t s ) ，如晶闸管控制串联补 偿和晶闸管控制的线路移相器等。 j 4 浙江人学硕十学位论文 第三章使用的分析和计算工具嘲”“州n 3 ” 3 1 融t l b 6 。5 仿真软件介绍 3 1 1 姒t l a b 基本功能简介 m a t l a b 是由美国m a t h w o r k s 公司推出的一个州于理论研究分析和工程技术计算的高性 能交互式语言平台，它在一个简单易学的应用环境下集成了计算、可视化和编程等强大功能， 成为当代科学研究者和工程技术人员最为青睐的数值计算平台。m a t l a b 系统的基本部分主 要包括： ( 1 ) 高级语言( m a t l a b 语言或m 语言) 。以矩阵数组作为基本数据元素，具有一仁富流程 控制、数据结构、函数和面向对象编程特征。 ( 2 ) t 作环境。提供使用户与系统进行交互的众多工具和方法，以便管理工作空间的变 量、导入导山数据、开发和调试程序、远行和剖析各类应抖j 等。 ( 3 ) 图形系统。包括二、三维数据图形的显示、图象处理、动画和图形界面的用户定制。 ( 4 ) 函数库。一个垅人的函数集合体，从基本的求和运算、三角函数到复杂的矩阵求逆、 特征值分析、b e s e e l 函数、快速博立叶变换等。 ( 5 ) a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r r a c e ) 。通过它，用户的c 和f o r t r a n 程序可以借 助动态库调用和计算引擎等方式与以m a t l a b 进行交互和通信。 m a t l a b 的基本部分构成了一个开放式的底层平台，m a t h w o r k s 公司和其他软什商，甚至 用户都可以在这个基础上进行应用开发，m a t l a b 6 5 中提供的高层应用包括以下几部分。 ( 1 ) s i m u l i n k 。动态系统仿真分析的交互式环境，只需通过鼠标点击和拖放即可建立用 户所需的系统模型，并可选择数值算法对其进行动态仿真和结果分析，能处理线性与非线性、 连续与离散，多变量和多时间尺度对象系统。 ( 2 ) ( 专业) 丁具箱。针对特定研究和应_ j 领域的众多函数 的集合，诸如符号演算、通信、财政分析，统计学、信号处理控制系统，神经网络、模糊 逻辑、小波分析等，供相关研究人员使用并迸行专业犁分析和开发。 ( 3 ) ( 专业) 模块库。在s i m u l i n k 基础上为特定专业廊用提供的附加模型库，如信号处 理、电力系统和非线性控制等。 ( 4 ) 状态流。建立在s i m u l i n k 基础上的一个完备的系统仿真环境，可对任何互动性系 统进行建模和仿真，并能直接生成高效的代码以完成从思想到实际应用的转化。 由于m a t l a b 具有良好的开放性、高效的数值分析算法和接近数学描述的语肓规则，电 力科研工作者和工程技术人员很早就开始应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅 助设计，于1 9 9 8 年推出的m a t l a b5 2 增加了电力系统模块库( p o w e rs y s t e mb l o c k s e t l i b r a r y ，以下简写为p o w e r l i b ) 更是大大地增强了这一功能。 3 1 2 电力系统模块库( p o w e rs y s t e mb l o c k s e tl i b r a r y ) 简介 p o w e r l i b 是建立在s i m u l i n k 标准模块和m 语言基础上的一个附加模型库，它提供为 电力系统仿真分析专用的各种线性与非线性元件和模块，它包括以下几类： ( 1 ) 电源库。( n ，控的) 交直流电压电流源。 ( 2 ) 元件序。包括断路器、分布参数和n 型线路、线性和饱和犁变压器、互感器、并串 联r l c 支路和负荷、避雷器等。 ( 3 ) 电力电子元件库。包括极管、g t o 、理想开关、m o s f e t 、晶闸管等。 ( 4 ) 机组模型。包括异步机、简化同步机模型、洋细同步机模型、永磁同步机、励磁系 统、调速器等。 ( 5 ) 连接元件。如母线、接地和中性点等。 ( 6 ) 测量元什。电流和电压测量表计和波形显示器。 ( 7 ) 其它元件。如有效值仪表、功率计、六相整流桥、同步脉冲发生器等。 1 5 浙江大学硕士学位论文 ( 8 ) 电力图形用户界面( 比p o w e r g u i ) 。通过它米设置系统的状态量及其初始值，并进 行稳态潮流计算。 ( 9 ) 演示系统。提供应用实例。 p o w e r l i b 中的元什和模块是由电力j 二业领城的专家提出并得到实际验证的，符合 其它电力专业分析软件。 3 1 3 应用m a t l a b 进行电力系统仿真分析的基本方法 m a t l a b 中至少有二种独立的方法米实现对电力系统的仿真和分析：一种是传统的编程 方法，即像应用o 和f o r t r a n 语言一样，通过编写大量的代码米实现电力系统的建模、稳态 计算和暂态分析等等。既便如此，m a t l a b 还提供了好得多的开发环境，用户可以直接调用 已有的高性能数值计算函数，如矩阵求逆、数值积分等等，较使用c 或f o r t r a n 语言开发可 以节省大量的时间。另一种是在s i m u l i n k 平台上进行仿真分析，这是更为直接和方便的方 法，用户不需编写程序，借助鼠标点击和拖放以及一些必要的参数设置即可实现对电力系统 的稳态和暂态分析，并可方便地研究各种先进控制方法对电力系统的控制效果。在实际应用 中，特别是对丁复杂电力系统的仿真分析，上述两种方法可以交互融合使用，通常以第二种 方法为主，在涉及到缺少现成模块的复杂控制和分析算法时借助第一种方法。应用t c 晴t l a b 进行电力系统仿真一般包括以下步骤： ( 1 ) 建立系统模型。在s i m u l i n k 环境中，通过鼠标操作将构成系统所需的各种元件 从相应的模型库中拖放到用户窗口，将它们联接起来实现物理系统的拓扑结构，并根据需要 在适当的地方接入测量和显示模块。 ( 2 ) 模型参数的设置和控制算法的实现。填写各模块元件的参数表单，当涉及到一些 复杂的控制算法( 如模糊逻辑控制) 时需要调用相应的= 具箱进行控制器设计，或者通过编 写m 文件实现。 ( 3 ) 稳态分析。系统的稳态潮流计算以及初始值设定是通过p o w e r g u l 进行的，其中 包括3 个功能选项：a ) 机组潮流，设置发电机节点的类型、电压和输出功率( 或电压角度) ， 进行潮流计算并初始化有关变量( 如同步机的励磁电压等：b ) 状态变量设置，对计算所需的 状态变量数值分别设置，可以从任意初始值开始进行下一步的仿真：c ) 稳态，_ j 以查看稳态 时包括电压电流源、状态变量、被测量和非线性环节在内的各种物理量的数值。 ( d ) 暂态仿真。首先设置系统扰动方式，如短路、机组输出或负荷变化等，接着选择仿 真的数值算法和输出方式然后选择“仿真”菜单f 的“开始选项或点击相应的j 二具按钮 启动时域仿真，同时观测有关变量的波形变化在仿真的任何时刻可以暂停，并能修改参数 或算法，并继续仿真。 ( 5 ) 结果分析。仿真计算所得的数据可以直接鼹示，也可以按一定步长存在数组中、并 输出到文件，从而进行更为深人的时域和频城分析。 在本文中，结合衢州电网黑启动方案研究项目，选择乌溪江电厂作为系统恢复的黑佶动 电源，利用m a t l a b 6 。5 仿真软件研究在小系统恢复过程中可能遇到的空载线路合闸过电压 问题。在黑启动过稗中对每一步合闸均进行一次过电压仿真计算，对是否有过电压的情况能 有及时的反馈，如合闸过电压超出线路的允许范围时，应及时对方案进行改进。 线路的合闸时间取为每一相电压达l 最大值时，因为在第四章中已经分析过，当每一相 电压达到最大值时，得到的合闸过电压是最大的，如果这一电压不超过允许的电压值，那么 其他时刻合闸所得的最大冲击电压也会是在允许范围内的。 3 2e f f i p 程序介绍 3 2 1 程序的用途 e m p t 程序用于模拟电网的暂态过程。 数年前，控制系统的动态过程还是由微分分析仪来模拟的( “模拟发电机”) 这个模型被 1 6 浙江大学硕上学位论文 命名为t a c s ，它是“t r a n s l e n la n a l y s iso fc o n t r o l