电力系统暂态稳定性仿真研究本科生论文

1、电力系统暂态稳定性仿真研究电力系统暂态稳定性仿真 毕业设计（论文）原创性声明及使用说明授权书原创性声明我再次承诺：我提交的毕业设计（论文）是我在导师指导下开展的研究工作和成果。据我所知，除文中特别注明和注明外，不包含其他人或组织已发表或发表的研究成果，也不包含我为获得学位而使用的材料或 其他 教育 机构 的 资格 .对本研究提供帮助和贡献的个人或集体已在文中明确表达并表达了他们的意图。作者签名： 日期：讲师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解学校对毕业设计（论文）的收集、保存和使用的规定，即：按学校要求提交毕业设计（论文）的印刷版和电子版；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷版和电子版。编辑，

2、并提供目录检索和阅读服务；学校可使用影印、小型化、数码或其他复制方式保存文件；在不盈利的前提下，学校可以发表论文的部分或全部内容。作者签名： 日期：论文原创性声明本人特此声明，提交的论文是本人在导师指导下自主研究取得的研究成果。除文中特别标注和引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集体发表的或书面的作品。对本文研究做出重要贡献的个人和团体已在正文中明确标出。我深知本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： YYMMDD论文使用授权书本学位论文作者充分了解学校对学位论文保存和使用的规定，同意大学保留学位论文的复印件和电子版，并将其发送给国家有关部门或机构，并允许查阅和借阅。 .本人授权学校将本

3、论文全部或部分编入相关数据库进行检索，并以影印、微型化或扫描等方式保存和编纂本论文。机密文件按学校规定处理。作者签名：日期： YYMMDD导师签名： 日期： YYMMDD教师复习书导师评价：1.写作（设计）过程1. 论文（设计）过程中学生的学术态度和工作精神优秀 良好 一般 通过 不及格2. 学生获得专业知识和技能的程度优秀 良好 一般 通过 不及格3. 学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力优秀 良好 一般 通过 不及格4.研究方法的科学性；技术电路的可行性；设计方案的合理性优秀 良好 一般 通过 不及格5.毕业论文（设计）完成期间的出勤情况优秀 良好 一般 通过 不及格2.论文

4、（设计）质量1.论文（设计）的整体结构是否符合写作规则？优秀 良好 一般 通过 不及格2、你是否完成了分配的论文（设计）任务（包括装订和附件）？优秀 良好 一般 通过 不及格3.论文（设计）级别1.论文（设计）的理论意义或解决实际问题的指导意义优秀 良好 一般 通过 不及格2.论文的概念是否创新？设计有创意吗？优秀 良好 一般 通过 不及格3.论文整体水平（设计规范）优秀 良好 一般 通过 不及格建议等级： 优秀好一般不及格（在所选级别前画“”）导师：（签字）单位：（印章）年月日审查教师的复习书查看教师评价：1.论文质量（设计）1.论文（设计）的整体结构是否符合写作规则？优秀 良好 一般 通过

5、 不及格2、你是否完成了分配的论文（设计）任务（包括装订和附件）？优秀 良好 一般 通过 不及格2.论文（设计）级别1.论文（设计）的理论意义或解决实际问题的指导意义优秀 良好 一般 通过 不及格2.论文的概念是否创新？设计有创意吗？优秀 良好 一般 通过 不及格3.论文整体水平（设计规范）优秀 良好 一般 通过 不及格建议等级： 优秀好一般不及格（在所选级别前画“”）审核老师：（签字）单位：（盖章）年月日教研室（或答辩组）、教研室意见教研室（或答辩组）评价：1. 辩护过程1.毕业论文（设计）的基本观点和见解的描述优秀 良好 一般 通过 不及格2.答辩题的回答、理解和表达优秀 良好 一般 通过

6、 不及格三、答辩时学生的心理状态优秀 良好 一般 通过 不及格2.论文（设计）质量1.论文（设计）的整体结构是否符合写作规则？优秀 良好 一般 通过 不及格2、你是否完成了分配的论文（设计）任务（包括装订和附件）？优秀 良好 一般 通过 不及格3.论文（设计）级别1.论文（设计）的理论意义或解决实际问题的指导意义优秀 良好 一般 通过 不及格2.论文的概念是否创新？设计有创意吗？优秀 良好 一般 通过 不及格3.论文整体水平（设计规范）优秀 良好 一般 通过 不及格评分： 优秀好一般不及格_（在所选级别前画“”）教研室主任（或答辩组长）：（签字）年月日教学部点评：系主任：（签名）年月日概括随着

7、社会的进步和科学技术的发展，近年来世界范围内出现了一些大型电力系统，这些系统通常具有范围广、非线性强等特点。随着电力市场化和区域联网的不断推进，电网运行状态越来越复杂多变，接近极限水平。在运行过程中，由于一些破坏性的原因，有时会导致电力系统崩溃的问题。以MATLAB 7.0电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSystem建立电力系统运行中常见的单机无限系统模型，设置电力系统常见的单相接地故障。该模型采用快速故障排除、自动重合闸、变压器中性点小电阻接地、强制励磁等方法进行仿真，证明上述方法可以提高电力系统暂态稳定性。关键词：电力系统，暂态稳定，单机无限系统，电力系统稳定器，MATLAB目录

8、 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc2650 1电力系统暂态稳定概述 PAGEREF _Toc2650 1 HYPERLINK l _Toc30623 1.1 电力系统暂态稳定性及其意义 PAGEREF _Toc30623 1 HYPERLINK l _Toc9831 1.2 国外研究现状及发展趋势 PAGEREF _Toc9831 2 HYPERLINK l _Toc22394 2 电力系统暂态稳定性研究内容 PAGEREF _Toc22394 6 HYPERLINK l _Toc26731 2.1 电力系统机电暂态过程特征 PAGEREF _Toc26731

9、6 HYPERLINK l _Toc29640 2.2 大扰动后发电机转子的相对运动 PAGEREF _Toc29640 7 HYPERLINK l _Toc22293 2.3 等面积规则 PAGEREF _Toc22293 9 HYPERLINK l _Toc7479 2.4 极限切割角度 PAGEREF _Toc7479 10 HYPERLINK l _Toc14884 3 电力系统暂态稳定性研究方法 PAGEREF _Toc14884 12 HYPERLINK l _Toc5903 3.1 电力系统暂态稳定性分析的线性方法 PAGEREF _Toc5903 12 HYPERLINK l

10、_Toc8232 3.2 人工神经网络方法 PAGEREF _Toc8232 14 HYPERLINK l _Toc13440 3.3 提高电力系统暂态稳定性的方法 PAGEREF _Toc13440 15 HYPERLINK l _Toc31489 3.4 研究设计内容 PAGEREF _Toc31489 18 HYPERLINK l _Toc9616 4 电力系统常用仿真介绍 PAGEREF _Toc9616 20 HYPERLINK l _Toc20896 4.1 常用电力系统仿真软件 PAGEREF _Toc20896 20 HYPERLINK l _Toc6247 4.2 MATLA

11、B PAGEREF _Toc6247 21简介 HYPERLINK l _Toc14493 4.3 MATLAB保存图形 PAGEREF _Toc14493 23 HYPERLINK l _Toc14855 24的单机无限系统暂态稳定性仿真 PAGEREF _Toc14855 HYPERLINK l _Toc4246 5.1 单机无限系统的建模 PAGEREF _Toc4246 24 HYPERLINK l _Toc14770 5.2 采用的模块及其参数设置 PAGEREF _Toc14770 25 HYPERLINK l _Toc16504 5.3 电力系统暂态稳定性仿真 PAGEREF _

12、Toc16504 316 HYPERLINK l _Toc19592 结论 PAGEREF _Toc19592 38 HYPERLINK l _Toc4896 参考文献 PAGEREF _Toc4896 41 HYPERLINK l _Toc23342 至 PAGEREF _Toc23342 431 电力系统暂态稳定性概述1.1 电力系统暂态稳定性及其意义电力系统暂态稳定性是指电力系统受到较大扰动后发电机能否继续同步运行的问题。对于特定的稳定运行状态，对于特定的扰动，如果系统在扰动后能够达到可接受的稳定运行状态，则将初始状态和扰动称为暂态稳定性。电力系统产生大扰动的主要原因如下：（1）负载突然

13、变化，如增加或移除大容量用户；(2) 切断或投入系统的主要部件，如发电机、变压器、线路等；(3)发生短路故障其中，短路故障的扰动最为严重，常作为检验系统是否具有暂态稳定性的条件。当电力系统受到较大扰动时，表征系统运行状态的各种电磁参数会迅速变化。但由于原动机调速器的惯性大，必须经过一定的时间才能改变原动机的功率。这样，发电机的电磁功率和原动机的机械功率就失衡了，造成转矩不平衡。在不平衡转矩的作用下，发电机开始改变转速，从而使各发电机转子之间的相对位置发生变化（机械运动）。发电机转子的相对位置，即相对角度的变化，反过来又会影响电力系统中电流、电压和发电机电磁功率的变化。因此，大扰动引起的电力系统

14、暂态稳定过程是一个与电磁暂态过程和发电机转子间机械运动暂态过程交织在一起的复杂过程。电力系统是一个复杂的动态系统。一方面，必须始终保证必要的电能质量和数量；另一方面，它处于不断的干扰之中。一旦扰动发生后系统的动态过程中出现稳定性问题，系统可能会在几秒钟内造成严重后果，造成巨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发电机组是否能在大扰动（如故障、机器切断、减载、重合闸操作等）可接受的频率和电压水平下保持同步运行，电力系统是据说在这种大扰动下是暂时稳定的。在电力系统的规划、设计和运行中需要进行大量的瞬态分析。通过瞬态分析，还可以研究和研究各种稳定措施的效果和稳定控制的性能。因此，通

15、过仿真验证所要求的结果是否正确，即电力系统在一定状态下是否稳定具有重要意义。电力线路系统稳定性的破坏往往会导致系统的解耦和崩溃，从而导致大面积停电。因此，保证电力系统的稳定是电力系统安全运行的必要条件。判断电力系统暂态稳定性，主要是检查系统中的发电机组是否能在较大扰动下保持同步运行水平，是否具有可接受的电压和频率水平。这项工作已经深入多年，在离线计算中有成熟的算法取得了不错的效果。然而，随着电力市场化和区域联网的不断推进，电网运行状态越来越复杂多变，接近极限水平。同时，近年来，由于系统暂态稳定性不足、应对措施缓慢等原因，国外也发生过大停电事件。 ，造成巨大的经济损失，这促使我们更加重视对电网稳

16、定性的分析。只有更加快速准确地判断系统的稳定性水平，找到稳定性受到威胁的环节，才能采取有效措施改善系统运行状态。因此，进一步研究和改进原有暂态稳定性分析方法，开发新的创新方法，解决其在实际系统中的应用难题，仍然是我们的一项重要任务。1.2 国外研究现状及发展趋势电力系统互联可以带来显着的经济效益，但电力系统规模越大，引发系统事故的可能性越大。系统中任何一个部件的故障都可能导致事故扩大。如果电网结构不够牢固，或者安全自动装置不够健全，或者管理不当，都可能导致系统陷入稳定危机，甚至大面积停电，甚至整个网络的崩溃，给国民经济造成重大损失。因此，国外大型电力系统的运行和规划都将电力系统的安全评估放在了

17、重要位置。随着“西电东送、北电南电、全国联网”战略的全面实施，到2020年，我国将建成罕见的特高压交直流混合动力传输系统，可以跨区域和长距离传输巨大的电力。其经济效益十分明显。既可以优化能源布局，充分利用西部地区丰富的水电资源，又可以降低后备容量，开展区域间电力互助，实现错峰效益。另一方面，互连电网的缺点是由于对事故的连锁反应，可能会导致大范围停电。 1996 年 7 月 2 日和 8 月 10 日美国西部大规模停电的关键特征是，在拆除一条线路后，剩余线路被迫承担断开线路的负荷，而失去的网络线路进一步过载，从而引起连锁反应并导致系统崩溃。随着电力市场的发展，电力系统的重新配置和放松管制，以主电

18、网为基础建立的现代互联电网在区域间传输的电力将日益增加。这种需求进一步给输电系统带来压力。因此，估计大规模停电的概率将会增加。稳定性破坏是电网中较为严重的事故之一。大型电力系统的稳定性破坏往往会导致大面积停电，给国民经济造成重大损失。在我国，由于电网结构相对薄弱，重载长途线路较多，稳定事故发生较多。据统计，全国每年发生稳定事故4.7起，总停电280.31万千瓦时。我国即将形成的大型互联混合动力传动系统在世界上是举世无双的。如何保证系统的安全、稳定和经济运行是一个极其重要和紧迫的研究课题。在电力系统中，随着意外事故的发生，电力系统能否承受随后的暂态过程并过渡到新的稳定状态是电力系统安全评估的主要

19、内容。用瞬态分析的方法来评估系统是否能承受这种转变过程，属于动态安全分析的范畴。国外电力系统失稳事故统计表明暂态失稳事故发生率居首位，暂态稳定分析是动态安全评价的主体。我国电网覆盖面积大，结构薄弱，负荷密度极不均匀，电源往往远离负荷中心，单位装机容量分配到标准输电线路上要少得多长度超过发达国家。由于长期以来输电线路总长度年增长率仅为总装机容量年增长率的40%左右，其累积效应进一步恶化了系统的安全性和稳定性。三峡工程标志着全国跨区域网络的开始。高效的远程大型机组变得越来越重要。联络线的作用从紧急支持延伸到经济的电力交换，并且正在接近稳定的极限。经济性与人域电网互联安全稳定的最优协调，迫切需要相关

20、算法。因此，电力系统的稳定性问题不仅在非线性理论中具有代表性，而且在非线性系统的实践中也具有代表性。开发具有量化和在线能力的TSA和VSA工具，以及相应的控制决策支持工具是当务之急。目前，我国已进入大电网、高压、大机组时代。随着我国电力系统的不断发展壮大，电力系统的安全与稳定已成为最重要的问题，也越来越突出。解决电力系统实时安全分析方法和安全稳定控制技术的研究与应用，已成为电力生产、运行、科研、制造等部门的重要任务。无论如何，电力调度运行部门必须确保电力系统的安全稳定。跑步是第一位的。国外电力系统分析是动态安全评估的主体，实现电力系统稳定性分析具有重要的现实意义。随着社会的进步和科学技术的发展

21、，近年来世界范围内出现了一些大型电力系统，这些系统通常具有范围广、非线性强等特点。随着电力市场化和区域联网的不断推进，电网运行状态越来越复杂多变，接近极限水平。在运行过程中，由于一些破坏性的原因，有时电力系统会崩溃。比如2003年，2012年8月14日，美国和加拿大停电，2012年7月30日，印度电网停电。这给我国电网的运行带来了很多启示。我们知道美国电网很复杂。我们曾经认为电网越复杂越安全，但美国和加拿大的停电告诉我们事实并非如此。事实上，美国电网中每条输电线路都比较短，导致节点多；另外，美国是资本主义国家，电网运行时考虑的经济因素较多，所以有一些设备比较老旧。许多因素导致美国和加拿大停电。

22、事实上，这并非偶然现象。在此之前，美国已经发生过两次大规模停电。印度电网，印度和中国一样是一个发展中大国。印度的装机容量和电压水平也在快速发展，但与我国仍有较大差距。印度发电量位居世界第五，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，印度连续发生两次大规模停电，这是历史上人口最多的电力系统事故。超过 6.7 亿人受到停电影响。从事故发生前印度北方电网严重超载运行情况来看，在线路跳闸前，电网已严重超出稳定极限，导致大面积停电。国外电力系统暂态稳定性的MATLAB仿真已经非常成熟，但无论我们如何考虑暂态稳定性，都不是夸大其词。因为在全球范围内，大面积停电并不少见。因

23、此，电力系统的暂态稳定性仍然是一个重要问题。电力系统互联互通可以带来显着的经济效益，但长期以来，“以省平衡”战略成为我国电力发展的重要弊端，严重制约着我国电力资源的优化配置和进程。国家网络的发展明显滞后。同时，电网的互联互通使得电力系统规模变大，增加了发生事故的可能性。如果电网不够强大，自动安全装置不健全和管理不善，可能会破坏系统的稳定性，导致大面积停电，甚至整个网络崩溃。以厂网分离为主要内容的电力体制改革实施后，我国电网建设步伐明显加快。目标是促进更大区域的电力资源优化配置。到2006年，以三峡工程为核心，依托华中电网，四向辐射互联的输电线路基本建成。以北中南三大西电东送大通道为主体的国家电

24、网互联格局基本形成。千瓦； 2020年将增加到1亿千瓦以上。“十一五”期间，除实施明确的三峡右岸直流工程外，规划建设的主要项目包括西北至华北直流输电工程、西北及川渝互联工程，华中和华北背靠背互联工程，同时增加阳城向华东输电，实现华北与华东互联互通。 “十一五”末，结合三峡地下电站建设，建设向华北输电支流工程，建设以三峡为支撑的干线通道将形成南北之间。目前，我国发电机组装机容量10.6亿千瓦，居世界第二；年发电量4.8亿千瓦时，居世界第一。即便如此，我国的发电量仍然不足。近期，三门核电站的建设也取得了重大进展。目前，我国还没有发生过大规模停电，但事实上，我国居民生活中经常停电，尤其是在夏季和冬季

25、。失败，也就是说这是由于发电量不足造成的，所以我们国家的发电量需要提高。相对而言，电网暂态稳定性的研究也是一大课题。如此大规模的国家电网互联系统的形成，将极大地促进全国电力资源的优化配置。但由于我国电网电网结构相对薄弱，且负荷与发电中心位置偏远，联络线负荷较大，局部故障的发生可能会导致电网的安全稳定。整个系统。因此，如何保障这样一个超大规模电力系统的安全、稳定、经济运行，成为摆在我们面前的巨大难题。如果能够实现对全国电力系统运行状态的实时甚至超实时仿真，可以为在线预决策和电力系统稳定控制打下坚实的基础，这无疑是一个巨大的挑战。为电力系统安全稳定运行提供保障，意义深远。现实意义。由于机电暂态仿真

26、计算量大，目前无法根据现有条件对国家联网电力系统的机电暂态过程进行实时仿真。随着并行处理技术的不断发展，尤其是可扩展且具有成本效益的PC集群系统的出现，实现这一目标的可能性越来越大。2 电力系统暂态稳定研究内容2.1 电力系统机电暂态过程特征电力系统暂态稳定性是指电力系统受到较大扰动后发电机能否继续同步运行的问题。当电力系统受到较大扰动时，表征系统运行状态的各种电磁参数会迅速变化。但由于原动机调速器的惯性大，必须经过一定的时间才能改变原动机的功率。这样，发电机的电磁功率和原动机的机械功率就失衡了，造成转矩不平衡。在不平衡转矩的作用下，发电机开始改变转速，从而使各发电机转子之间的相对位置发生变化

27、（机械运动）。发电机转子的相对位置，即相对角度的变化，反过来又会影响电力系统中电流、电压和发电机电磁功率的变化。因此，大扰动引起的电力系统暂态过程是一个与发电机转子间的电磁暂态过程和机械运动暂态过程交织在一起的复杂过程。在瞬态过程中准确确定所有电磁参数和机械运动参数的变化是非常困难的，通常不需要解决一般工程实际问题。通常，暂态稳定性分析计算的目的是确定发电机在给定的大扰动下能否继续同步运行。因此，只需研究表征发电机是否同步运行的转子运动特性，即功角的时变特性。据此，找出暂态过程中影响转子机械运动的主要因素，并在分析计算中加以考虑，忽略或近似影响不大的因素。所以做以下基本假设：(1) 忽略发电机

28、定子电流的非周期分量和转子电流的相应周期分量我们知道，在大的扰动，特别是短路故障时，定子非周期分量电流会在定子回路电阻中产生有功损耗，增加发电机轴上的电磁功率，在某些情况下（当发电机停电时）负载或轻负载），在加上非周期分量电流的损耗后，发电机的电磁功率可能大于原动机的功率，从而导致发电机减速。然而，一方面，定子非周期分量电流的衰减时间常数很小，通常只有百分之几秒。自由电流产生的转矩）以同步频率周期性变化，其平均值很小。由于转子的机械惯性大，对转子的整体相对运动影响很小。采用这一假设后，发电机定转子绕组电流、系统电压和发电机电磁功率都可以在大扰动时刻发生突变。同时，这种假设也意味着忽略了电网中各

29、个元件的电磁暂态过程。(2) 发生不对称故障时，不考虑零序和负序电流对转子运动的影响对于零序电流，一方面，由于与发电机相连的升压变压器大多采用三角星形接法，因此发电机全部接三角侧，如果故障发生在高压侧电压网络（大部分都是），零序电流不通过发电机；另一方面，即使发电机流过零序电流，由于定子三相绕组在空间上的对称分布，由零序电流产生的合成气隙磁场为零，有对转子运动没有影响。没有效果。由负序电流在气隙中产生的合成电枢反应磁场与转子的旋转方向相反。它与转子绕组的直流电流相互作用，产生的转矩是以接近同步频率两倍的频率交变的转矩，其平均值接近于零，对转子运动的大趋势影响不大。另外，转子的机械惯性较大，因此

30、对转子运动的瞬时速度影响不大。忽略零序和负序电流的影响大大简化了不对称故障期间暂态稳定性的计算。此时发电机输出的电磁功率仅由正序分量决定。对于不对称故障下网络中正序分量的计算，可以应用正序等价规则和复合序网络。确定故障时正序分量的等效电路与正常工作等效电路的区别仅在于故障类型确定的故障附加阻抗与故障相连。需要指出的是，由于与负序和零序参数有关，故故障时的正序电流、电压和功率不仅与正序参数有关，还与负序和零序参数有关。 .因此，网络的负序和零序参数也会影响系统的暂态稳定性。(3) 忽略瞬态过程中生成器的附加损耗这些附加损耗对转子的加速有一定的制动作用，但它们的值并不大，忽略它们会使计算结果略显保

31、守。(4) 不考虑频率变化对系统参数的影响在一般暂态过程中，发电机的转速与同步转速相差不大，因此可以忽略频率变化对系统参数的影响，按额定频率计算各部件的参数值。2.2 大扰动后发电机转子的相对运动在正常运行情况下，如果原动机的输入功率为（图 2-1 中水平线表示），发电机的工作点，对应的功角为。在短路时刻，发电机的工作点应在短路的功率特性上。由于转子的惯性，功角不能突然改变。发电机输出的电磁功率（即工作点）应由上述对应的点确定，并设定其值。此时原动机的功率保持不变，所以有一个多余的功率0，正在加速。图 2-1 转子相对运动和面积规则在加速过剩功率的作用下，发电机被加速至其相对速度0，功角开始增

32、大。发电机的工作点将沿from方向移动。在变化的过程中，随着的增加，发电机的电磁功率也随之增加，过剩功率减小，但过剩功率仍在加速，因此继续增加（见图 2-1）。如果故障线在功角为1时被切断，在切断的瞬间，由于功角不能突变，发电机的工作点将转移到上限对应点。这时发电机的电磁功率大于原动机的功率，多余的功率小于0，变成减速。在这个过剩功率的作用下，发电机转速开始下降，虽然相对转速开始下降，但她仍然大于零，所以功角继续增大，工作点会沿方向波动。发电机通过减速效果不断减速。如果到达该点时发电机返回同步捕捉，即=0，则功角达到最大值。虽然此时发电机已恢复同步，但由于功率平衡尚未恢复，因此无法在该点建立同

33、步运行的稳定状态。在减速不平衡转矩的作用下，发电机转速继续下降，低于同步转速，相对转速变化符号，即0，因此功角开始减小，工作点生成器的点会随着点的变化而变化。 .在后续过程中，如果不考虑能量损失，工作点沿曲线在点之间来回变化，相应地，功角在和之间变化（见图2-1中的虚线）。考虑到过程中的能量损失，振荡会逐渐衰减，最终在该点稳定运行。也就是说，系统在上述大扰动下保持暂态稳定性。2.3 等面积法则在不考虑振荡能量损失的情况下，可以根据功角特性的等面积法则确定最大摇摆角，从而判断系统的稳定性。从前面的分析可以看出，在改变功角的过程中，原动机输入的能量大于发电机输出的能量，多余的能量会提高发电机转速并

34、转化为能量存在于转子中的转子；当功角由变为 时，原动机输入的能量小于发电机输出的能量，不足部分由发电机转速降低释放的动能转化为电磁能补充。转子从 到 到 , 过转矩所做的功为(2-1)用单位值计算时，由于发电机转速与同步转速的偏差不大， ，所以(2-2)式(2-2)右边表示平面上的积分，即图中的阴影区域。在忽略能量损失的情况下，加速过程中多余扭矩所做的功将全部转化为转子动能。在计算单位值时，可以认为转子在加速过程中获得的动能增量等于面积。这个区域称为加速区域。当转子由 变为时，转子动能增量为(2-3)由于0，式(2-3)的积分为负。也就是说，动能增量为负值，说明转子储存的动能减少了，也就是转速

35、下降了。减速过程中与动能增量相对应的区域称为减速区，即减速区。很明显，满足的时候(2-4)在 条件下，动能增量为零，即短路后加速使其转速高于同步转速的发电机重新同步。应用这个条件，并代入 和 的表达式，可以得到。等式（2-4）也可以写成(2-5)即加速区和减速区大小相等，这就是等面积法则。同理，根据等面积法则，可以确定最小摆角，即(2-6)从图 2-1 可以看出，在给定的计算条件下，当切削角恒定时，存在一个最大可能的减速区域。如果这个区域的值小于加速区域，发电机将失去同步。因为在这种情况下，当功角增大到临界角时，转子在加速过程中增加的动能并未完全耗尽，发电机转速仍高于同步转速，功角继续增大并过

36、点，多余的功率变得加速，导致发电机继续加速不同步。显然，最大可能的减速区域大于加速区域，这是保持暂态稳定的条件。2.4 极限切割角度当最大可能减速区域小于加速区域时，如果减小截止角，从图 2-2 可以看出，这不仅减小了加速区域，还增加了最大可能减速区域。这可能会使无法保持暂态稳定的系统变得暂态稳定。如果在某个截止角下最大可能的减速区等于加速区，则系统将处于稳定性极限，如果截止故障大于该角，系统将失去稳定性。这个角度称为极限切除角。图 2-2 极限切削角的确定可以从图2-2中得到(2-7)求式(2-7)的积分并整理得(2-8)公式中的所有角度均以弧度表示。临界角(2-9)为了判断系统的暂态稳定性

37、，还需要知道转子达到极限截止角所用的时间，即所谓的故障排除极限允许时间（指作为极限截止时间）。为此，可以通过求解故障发生时的发电机转子运动方程来确定功角随时间变化的特性，如图2-3所示。图 2-3 极限截止时间的确定当分断角已知时，从曲线上可以求出相应的继电保护和断路器分断时间。与由面积规则确定的极限切割角相比，如果 ，则系统暂态稳定，否则不稳定。时间也可以比较，由面积规则确定的极限截止角，与对应的极限截止时间 ，采用电制动，减小了加速面积，提高了电力系统的暂态稳定性。图 3-5 电制动功角特性图制动电阻的大小及其切换时间对于电制动提高系统暂态稳定性非常重要。适当的制动电阻和切换时间可以显着提

38、高系统的暂态稳定性，否则会出现欠制动和过制动。制动时，制动阻力过大，制动效果不足，系统仍会失步；过制动时，制动电阻太小，虽然发电机在第一次振荡中没有丢步，但在故障中，在切断制动电阻后，在第二次振荡中丢步。制动不足和制动过度都不能维持系统的暂态稳定性。因此，经过仔细计算，确定合适的制动电阻值。还应详细计算制动电阻的截止时间，找出制动电阻值的上下限和不同传输功率下的切换时间，然后选择合理的时间。5) 强制励磁一般发电机自动调节励磁系统都有强制励磁装置。当发电机端电压因外部短路而低于额定电压的85%时，低压继电器动作，励磁装置的调节电阻通过中间继电器强行短路，大大增加励磁励磁机的电流并改善发电机的电

39、动势。增加了发电机输出的电磁功率，减少了转子的不平衡功率，提高了暂态稳定性。降低原动机的机械功率输出对于汽轮机，使用快速自动调速系统或快速关闭阀门。联锁切断机，即在故障切断时，将送端电厂的一台或两台发电机联锁切断。采用机械制动，即采用转子直接制动的方法。以上三种方法都是利用故障发生时，通过降低原动机输出的机械功率，降低电磁功率来降低作用在转子上的剩余功率，从而提高其暂态稳定性。3.4 研究设计内容应用MATLAB进行电力系统仿真的主要步骤是：(1)建立系统模型：建立的是单机无限系统(SIMB)。单机无限系统认为功率是无限的，频率是恒定的，电压是恒定的。它是工程中最常用的方法，也是电力系统仿真最

40、简单、最基本的运行方式，即逼近现实以简化模型。有利于得出结论，简化计算过程。图3-6 无传输线的单机无限系统示意图发电机送入无穷大系统的有功功率P为：(3-3)公式包括从发电机阻抗到无穷大系统母线的发电机电动势的总阻抗；- 功率角； - 发电机潜力； - 系统总线电压。MATLAB单机无限仿真模型中可能用到的模块可以从图1中得到：PSB 电力系统工具箱：1)电源中的三相电源模块Elements 中的三相并联 RLC 负载（三相负载RLC并联）模块用于模拟输电线路，而接地（交流接地）模块，三相故障（三相故障整流器）模块用于模拟传输线模拟短路故障，三相变压器（两绕组）模块用于模拟变压器，Synch

41、ronous Machine pu Machines中的标准模块用于模拟同步发电机(2) 设置仿真参数(3) 进行动态模拟增加暂态稳定性改善模型，分别快速排除故障，变压器中性点通过小电阻接地，改变强迫励磁倍数，记录结果。(4) 结果分析模拟后，分析结果图。从电压图、速度图、功角图入手，分析暂态稳定性能否得到改善。4电力系统常用仿真介绍4.1 常用电力系统仿真软件电力系统分析软件采用数学模型和数值方法研究系统的运行情况，可用于确定规划设计方案、制定运行方式、调整自动化装置的控制参数、进行事故分析和辅助运营商做出正确决策。此外，它还可用于教学和培训。现代化的电网迫切需要现代化的分析方法，对软件的功

42、能、精度、规模和速度提出了更高的要求。期望充分利用计算机软硬件技术的最新成果，分析和处理电网的实际问题。目前，世界上有多种电力系统分析软件包，在各国电力系统的实践和研究中发挥了很大的作用。目前常用的电力系统仿真软件包括：MATLAB 产品系列的一个主要特点是有许多针对特定应用的工具箱和仿真块，包括用于分析和设计特殊应用（如图像信号处理、控制系统设计和神经网络）的一整套功能。具有数据采集、报表生成、MATLAB语言编程独立C/C+代码生成等功能。 MATLAB 产品系列具有以下功能：数据分析、数值和符号计算、工程和科学绘图、控制系统设计、数字图像信号处理、金融工程、建模、仿真、原型设计、应用程序

43、开发和图形用户界面设计。 MATLAB产品系列广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通信系统等诸多领域。开放式结构便于根据具体需求扩展MATLAB产品家族，从而不断加深对问题的理解，提高自身竞争力。SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是美国加州大学推出的一款电路分析仿真软件。它是 1980 年代世界上使用最广泛的电路设计软件。 1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE（Personal-SPICE）。 PSPICE6.2 现在用得比较多。可以说是同类产品中功能最强大的模拟数字电

44、路混合仿真EDA软件，在国内得到广泛应用。最近推出了PSPICE9.1版本。它可以进行多种电路仿真、励磁建立、温度和噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同一窗口中同时显示模拟和数字仿真结果。无论对哪个器件或电路进行仿真，都能得到准确的仿真结果，并且可以自行搭建元器件和元器件库。EWB（Electronic Workbench）软件是Interactive ImageTechnologies Ltd在1990年代初推出的一款电路仿真软件。目前常用的是EWB5.2，是一款比其他EDA软件更小的软件。但是它对模拟电路的混合仿真功能非常强大，几乎100%仿真真实电路的结果，并且它提供了万用表、

45、示波器、信号发生器、扫频器、逻辑分析仪、数字信号发生器在桌面设备、逻辑转换器、电压表、电流表和其他仪器。其界面直观，易于学习和使用。它的许多功能模仿了SPICE的设计，但分析功能比PSPICE略逊一筹。Protel 是 PROTEL 在 1980 年代后期推出的 CAD 工具，是 PCB 设计人员的首选软件。在中国使用较早，普及率最高。一些高校也有针对电路专业的Protel课程，几乎所有的电路公司都在使用。早期，Protel主要用作印刷自动布线工具。现在，Protel99SE 被广泛使用。它是一个完整的全方位电路设计系统，包括电路原理图绘制、模拟电路和数字电路的混合信号仿真以及多层印刷电路板。

46、设计（包括印刷电路板的自动布局和布线）、可编程逻辑器件设计、图标生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户端服务器架构，还兼容其他一些设计软件文件格式） ，如ORCAD）、PSPICE、EXCEL等）。采用多层印制电路板自动走线，可实现高密度PCB 100%走线率。 Protel软件功能强大、友好且易于使用，但其最具代表性的功能是电路设计和PCB设计。上述电力系统仿真软件的结构和功能各不相同，也强调了各自的应用领域。4.2 MATLAB简介术语 MATLAB 是 Matrix Laboratory 的首字母缩写。 1970 年代后期，时任新墨西哥大学计算机科学系主任的 Cl

47、eve Moler 教授设计了一套“易于使用”的界面，供学生调用 LLINPACK 库程序，以减少学生编程的负担。 MATLAB 的状态。此后，MATLAB软件的功能不断丰富和发展。MATLAB是美国MATH WORK于1984年推出的一种简洁的工程计算语言，它以矩阵计算为基础，将计算、可视化和编程集成到一个交互式的工作环境中。在国际学术界，MATLAB已被公认为科学计算准确可靠的标准软件。 MATLAB 集数值分析、矩阵运算、信号处理、图形功能和系统仿真于一体，使用户能够在易学易用的环境中解决问题，就像编写数学公式一样，避免了传统的复杂专业编辑。Simulink 是 MATLAB 环境中用于

48、动态建模和仿真的最广泛使用的软件包之一，即仿真。该软件有两个特别引人注目的功能：仿真和 .也就是说，您可以直接用鼠标在模型窗口中绘制出需要的控制系统模型，然后利用软件提供的功能直接对控制系统进行仿真。显然，这可以将一个原本复杂的系统转换为一个相当容易输入的系统。SIMULINK 是一个功能强大的仿真工具，它允许用户以图形方式以最小的努力来仿真真实动态系统的运行。 SIMULINK 准备了数百个预定义的系统链接模型、最先进和最有效的集成算法和直观的图形工具。借助 SIMULINK 强大的仿真功能，用户可以在原型制作之前对系统进行建模，以评估设计并修复缺陷。 SIMULINK 具有以下特点：(1)

49、 建立动态系统模型并进行仿真。 SIMULINK 是一种图形仿真工具，用于对动态系统进行建模以及研究和制定控制规律。 SIMULINK 可以分析几乎任何类型的真实动态系统。(2) 以直观的方式建模。使用SIMULINK可视化建模方法，可以快速建立动态系统的框图模型。只需在 SIMULINK 组件库中选择合适的模块并拖放到 SIMULINK 建模窗口中，然后用鼠标单击连接即可。(3) 添加自定义模块组件和用户代码。 SIMULINK模块库是可定制的，用户也可以修改已有模块的图标，允许用户直接将自己编写的C、FORTRAN、Ada代码植入SIMULINK模型中。(4) 快速准确的设计模拟。 SIM

50、ULINK 优秀的积分算法为非线性系统仿真带来了极高的精度。 SIMULINK 的求解器可确保对连续或离散系统进行快速准确的仿真。(5) 分层表示复杂系统。各种模块可以根据需要组织成几个子系统。在此基础上，可以自顶向下或自底向上的方式构建整个系统。(6)交互式仿真分析。此交互功能可帮助用户快速评估参数优化的不同算法。SimPowerSystems 库是 SIMULINK 下的一个特殊模块库，是在 SIMULINK 环境中对电力和电子系统进行建模和仿真的高级工具。 SimPowerSystems 库为模型绘制提供了一种类似于电路建模的方法。仿真前将仿真系统图自动变为状态方程描述的系统形式，然后在

51、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大的解决方案，特别是在设计和开发公差和控制系统设计时。 PSB（Power System Blocket）是一个图表编辑器，可以在 Simulink 环境中建立系统原理并进行仿真计算。 PSB 库为电力系统仿真提供通用组件和设备，包括 RLC 分支和负载、变压器、传输线、避雷器、电机、电力电子设备等。只需在 PSB 库中单击并拖动模型即可创建用户需要的电力系统仿真原理图，并使用模型元素的对话框设置相关参数。使用 Simulink 提供的示波器模型，可以实现仿真结果及其波形。4.3 MATLAB保

52、存图保存模型图模型图创建完成后，点击编辑，出现下拉菜单，选择复制模型到剪贴板，模型图复制成功，可以粘贴到创建的文档中。保存波形运行后，打开作用域，得到图形，在matlab命令窗口中输入： set(0,ShowHiddenHandles,on) 设置（gcf，菜单栏，图）然后按 Enter 键，菜单栏将出现在示波器窗口中。点击Edit，在下拉菜单中选择Axes Properties，可以修改图形的背景颜色、波形颜色等其他属性：在下拉菜单中选择Copy Figure，即整个波形图并且坐标复制成功，只需在创建的文档中粘贴进去即可。5 基于SIMULINK的单机无限系统暂态稳定性仿真5.1 单机无限系

53、统的建模单机无限系统原理图如图5-1所示。GTS图5-1 单机无限系统示意图根据图5-1建立的单机无限系统仿真示意图如图5-2所示。图5-2单机无限仿真示意图图中使用的基本模块有：示波器示波器、逻辑加法、增益增益、电机测量模块 Machines Measurement Demux、同步电机（每单位值单位）模块 Synchronous Machine pu Standard、励磁系统 Excitation System、通用电力系统稳定器、三相并联 RLC 负载 三相并联 RLC负载、三相变压器（两绕组）、电压测量模块电压测量、分布式参数线路模块、三相电源三相电源、三相故障三相故障、POWERG

54、UI运行经验表明，在110KV及以上大接地电流系统的高压架空线路上，70%以上的短路故障为接地短路故障，尤其是220-500KV架空线路，由于距离较远线路间，单相对地短路故障的概率高达90%以上，因此仿真中的故障为单相对地短路。仿真模型中发电机采用单机同步电机，有功功率设置为900MW；变压器采用双绕组三相变压器，有功功率也为900MW，频率设置为我国电力50Hz的工频。5.2 采用的模块及其参数设置机器测量解复用器图5-3电机测量模块参数设置窗口同步机pu标准（同步电机（每单元）模块）图5-4同步电机（单位值单位）模块参数设置窗口3.励磁系统图5-5励磁系统参数设置窗口4.通用电力系统稳定器

55、图5-6通用电力系统稳定器参数设置窗口三相并联 RLC 负载图5-7三相并联 RLC 负载参数设置的串口6.Three-Phase Transformer (Two Windings)（二绕组三相变压器）图5-8双绕组三相变压器参数设置窗口7.电压测量（电压测量模块）图5-9电压测量模块参数设置窗口分布式参数线图5-10配电参数线模块参数设置窗口三相源图5-11三相电源参数设置窗口三相故障图5-12三相故障参数设置窗口POWERGUI图 5-13 POWERGUI 参数设置窗口5.3 电力系统暂态稳定性仿真为了便于观察电力系统在不同条件下的波形，可将仿真图展开如下图5-14单机无限仿真图扩展图

56、(1)改变发电机强制励磁倍数改进发电机励磁系统是提高发电机稳定性的重要措施。强制励磁对提高暂态稳定性的效果取决于发电机电位上升的速度，这与励磁机电压上升的速度有关。改变发电机的强励磁倍数可以增加发电机的电磁功率，从而减小原动机机械功率与发电机电磁功率的差值，即减小加速功率，更有利于电力系统的稳定性。强激励倍数分别为1和1.5。运行后，得到图5-15、图5-16、图5-17所示的波形。实线表示强激励倍数为1.5，虚线表示强激励倍数为1。图5-15功角示意图a图5-16电压图a图5-17速度图a结论分析：故障发生时间为5s，强制励磁系统稳定时间为7s，调整时间为2s，超调量为2.67%；无强制励磁

57、系统稳定时间为9s，调整时间为4s，超调量为2.67%。金额为 7.31%。因此，强制励磁可以减少调整时间，降低超调量，更有利于系统的稳定。(2)变压器通过小电阻接地变压器中性点的接地对地短路时的暂态稳定性有很大影响。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）时的暂态稳定性，变压器的中性点可经过一个小反抗。从物理概念上讲，短路时零序电流通过接地电阻Rg时消耗的有功功率，一部分可以由发电机承担，从而增加发电机输出的电磁功率，减少不平衡。旋转轴上的电源。减小了发电机的相对加速度，提高了暂态稳定性。如何选择中性点接地电阻值是应用中的一个重要问题。典型系统的计算表明，电阻

58、值应在 4% 左右（基于变压器的额定容量）。建立的模型如图5-17所示图5-18变压器中性点小电阻接地仿真图在图5-17所示的两个单机无穷大系统中，一个变压器中性点用小电阻接地，另一个不接地，用小电阻，其余条件相同。运行后波形如图 5-19、图 5-20 和图 5-21 所示。虚线表示变压器的中性点通过小电阻接地，实线表示变压器的中性点未通过小电阻接地。图5-19电压图b图5-20功角示意图b图5-21速度图b结论分析：变压器中性点通过小电阻接地时，调整时间为2.2s，过冲为1.0%；变压器中性点不接地时，调整时间为3.6s，超调量为4.4%。因此，变压器的中性点通过小电阻接地，可以减少调整时

59、间，减少过冲，有助于电力系统暂态稳定。( 3)快速排除故障快速排除短路故障对于提高电力系统暂态稳定性具有决定性意义，此外还可以降低短路电流对电气设备的热效应。为加快切割速度，可减小切割角度。这不仅减少了加速区域，而且增加了可能的减速区域，从而提高了暂态稳定性。建立的模型图如图5-21所示。图5-22快速故障排除仿真图三相故障中的参数Transition times为(5, 5.15)和(5, 7)，表示运行5s为故障，分别在5.15s和7s排除故障，其余运行条件是一样的。运行后得到图5-23、图5-24、图5-25的波形。虚线代表5.15s的截止时间，实线代表7s的截止时间。图5-23功角示意

60、图c图5-24速度图c图5-25电压图c结论分析： 5.15s内排除故障，调整时间1.8s，超调量7.3%； 7s内排除故障，调整时间为3.3s，超调量为122.2% 。显然，快速故障排除可以减少调整时间，减少超调，有助于电力系统暂态稳定。( 4)自动重合闸建立的示意图如图5-25所示。线路上安装有单相断路器。当发生单相对地短路故障时，仅将故障一相断开，两个非故障相继续工作，从而可以大大提高单相重合度。提高供电的可靠性和系统并联运行的稳定性。如果线路发生暂态故障，则单相重合闸成功，即三相恢复正常运行。如果是永久性故障，则单相重合闸不成功，重新排除后不再进行重合闸。至于重新拆除故障的一相或三相，