电力系统暂态稳定仿真研究-毕业论文

毕业论文题目电力系统暂态稳定仿真研究学院信息与控制学院专业电气工程与自动化绪论1.1背景介绍与研究意义随着高速发展的经济，电网的规模也是日渐庞大。随之而来的是各大电厂、变电站组成的电网越发复杂化和暂态稳定遭到破坏而形成的大规模停电事件十分频繁。经调查报告显示：暂态失稳是招致电力系统发生事故的关键因素，所以对暂态稳定加大研究的力度十分紧要。对于我国来说，科技的发展是蒸蒸日上的。在快速发展的同时，我们更要注意安全，争取快速稳定的发展。解决电力系统暂态稳定的问题的关键在于确保电力系统在一定的大的故障下，系统可以通过自动调整，使各发电机组能恢复正常运转，从而减少损失。当决定规划一个电力系统时，暂态分析就开始进行了，我们通过暂态分析来考察和研究各种设施的稳定效果和各个电气设备之间联络的稳定。通过仿真来验证这些问题，可以很大程度的加强我们安全生活的稳定性。1.2国内外研究现状美国电网的相互纠结众所周知，从前有个错误的认知是电网越复杂就越稳定。然而美加大停电给了我们当头一棒。事实上，美国电网的运营权在私人企业家手里，他们建立电网追求的是利益最大化，因此美国电网中一些位置仍使用破旧的设施；还有每段输电线都很短，所以会出现比较多的节点。这些其实都是暂态不稳定的重要原因，很多导火线一同引发了美加大停电。美国在此之前也发生过类似的停电事故，所以这并不是偶然现象。作为和咱们国家相同的大型发展中国家印度，他们的电网进展程度还不错，尽管无法和我国相媲美。只有美国、中国、日本和俄罗斯在发电量上超过了印度，但是印度的电力市场仍然处于供不应求的状态[2]。在2012年7月，印度发生了历史上波及人口最多的一次电力系统故障，超过6.7亿人遭到了这次事件直接或者间接的冲击，而且此次停电仅在两天之内连续发生。事后我们发现，之前印度北方电网已经过分超载运转，在关键线路发生故障前，因持续大大超过电网的稳定限额运转，造成了这次大面积停电事件。我国的人口特点是覆盖范围大，人口密度不均匀，也就招致了我国电网笼罩范围广，却结构单薄，负荷的密度非常不平均，而电源又常常偏离负荷的核心。尽管三峡工程的经济效益显著，优化了能量布局，缓解了用电压力等。但是，互联电网的缺陷也不可疏忽，可能由于故障的接连发生从而导致大规模停电。而且电力市场的迅速发展，对供电的要求更大大增强了输电系统的压力。2电力系统暂态稳定的研究内容2.1电力系统暂态稳定概述电力系统的暂态稳定性指的是电力系统在正常工作时受到强烈扰动后的稳定情况。也就是说一般情况下的电力系统受到一定程度的干扰，干扰失去作用后，电力系统还原到本来的运行情况的本领；或者，扰动没消失，系统可能从原来的运行状况变化到另一种正常运行状况[3]。对电力系统暂态稳定性的研究，就是探究在电力系统遭到一定破坏后各机组可否仍然保持正常运转。而引起电力系统大震荡的关键原因有：(1)发生短路故障；(2)去除或者投进电力系统的关键元器件，包含发电机、变压器和关键的线路等；(3)负荷的忽变，例如大容量用户的增减；其中三相短路干扰最是险峻，但是三相短路不常发生，所以常把其他短路当成暂态稳定研究的参照[4]。2.2简单系统的暂态稳定分析2.2.1功——角特性变化图1（a）为简单电力系统及其等值网络图，此时系统和变压器都正常运行，则系统总的电抗为x1=利用潮流计算可以计算出电动势E，假设E为发电机的3近似电动势，则正常运行时的功——角特性方程式为P1=功——角特性曲线见图2。当线路出现短路故障的时候，如图1（b），此时等于在短路点附加电抗X∆，发电机电动势和无穷大系统中间的转移电抗是

x2短路故障情况下，功——角特性方程式为P2=E功——角特性曲线见图2。在短路故障发生后，线路保护装置迅速地切除了短路故障线路，此时系统如图1（c）所示，系统总电抗为

x3=x此时它的功——角特性方程式为

P3=E功——角特性曲线见图2。a)正常运行方式及其等值电路b)故障情况及其等值电路c）故障切除后及其等值电路图1简单电力系统及其等值电路图图2简单电力系统正常运行丶故障及其故障切除后的功率特性2.2.2大扰动后发电机转子的相对运动电力系统稳定工作时，假设原动机的机械功率为PT，此时发电机输出的电磁功率P0与其相等，即PT=P0，P1和PT的交点决定了发电机的工作点a，工作点的功率角是δ0，见图3。当出短路故障时，由于周期分量的功率瞬间改变，所以发电机的运行点变为P2，发电机停止运行时，转子并不能立马静止，所以功角仍为δ0。此时工作点从a点移至P2上的b点[5]。因为PT>P2b，不平衡状态下的加速度超过零。在过剩功率的影响下，转子速度加快，即∆w>0，功率角随之变大，∆δ>0，此时工作点沿P2由b向c运动。在此阶段中，发电机电磁功率变化与δ成正比，过剩功率与之成反比，但整体加速度仍大于零，所以∆w不断增大。若故障发生在c点，在此处切除故障，但功角δc不能即时响应，工作点从P2转移到P3上对应的e点。工作点到e后，机械功率PT<P3e，过剩功率起减速效果，导致转子速度变慢。但是wd>wN，且电机中机械转子的特性，功率角仍处于增加状态，工作点由e点转至f点，等工作点变为f时，转速wd=wN（同步转速），此时就是最大功率角δmax，而PT<P3f，转子速度降低，功率角变小，运行点则沿P3从f点移至e、k点[7]。此后的过程中，系统将处在一个新的工作点s保持同步运行，也就是说，系统受到干扰后恢复了稳定。图3转子相对运动及面积定则2.2.3等面积定则当不考虑自动调节系统作用时，根据等面积定则得到δmax，由此诊断系统的稳定性。通过上面的认知很容易分析得出在功率角由δ0->δc时，（原动机输入的机械功率）PT>Pe（发电机输出的电磁功率）。过剩的功率会促使发电机的转动速度上升，转化为转子的动能；在功率角从δc->δm时，PT<Pe，转子的动能转化为电磁能[8]。由于电机转速w≈wN，w*≈1，则有P*=w*M*≈M*，转子加速过程中，转子储存的动能为Wa=用标幺值计算时Wa≈右边的积分，表示P-δ平面上的积分，对应图上的阴影部分面积Aabce,，可以象征在加速过程中转化增加的动能，所以阴影部分面积Aabce又称为加速面积。同样的在减速过程中，转子消耗的动能为Wb=我们把减速的这段时间里动能的变化量所表示的阴影面积Adefg对应为减速面积。所以，当符合Wa+的条件时，此时转子在减速这段时间里所消耗的动能等于它在加速这段时间里获得的动能，转子转速回到正常运行转速。即保持暂态稳定的要求是最大限度的减速面积超过加速面积[10]。2.3分析电力系统暂态稳定的线性方法主要有三种方法用于判辩电力系统暂态稳定，分别是：时域仿真法（又称为逐步积分法）、直接法、人工智能法。一些研究人员还用其他方法来研究电力系统的暂态稳定性并取得了一些成就，主要是小波变换法。当前使用最多、最广的是时域仿真法和直接法来解析电力系统暂态稳定。以下作一个简单介绍。（1）时域仿真判定法时域仿真法主要是通过特定的数据来解决问题，起始数据是系统的潮流解，然后开展系统暂态阶段数据仿真，仿真后得到的结论可以用来研究在某些一定的干扰下的电力系统暂态稳定性。时域法是按照元件的硬件关系建立的全系统模型。根据模型建立微分与代数方程组，把上文所说的潮流解当成一个初始值，可以得出干扰下的数据，再按照时间的变化绘制出状态量和代数量曲线，判断系统再受到强烈干扰后能否继续保持暂态稳定可比较发电机功角值与系统特定阀值的大小。这也是验证电力系统稳定性情况的核心办法。时域仿真法主要有两个优点：一个是数学模型完善；另一个是能按照时间变化给出相应的状态变量。因而常用该方法解决复杂模型与干扰的情况。但是时域仿真法不能即时对系统稳定做出响应，而且不能反映其稳定性，除此之外计算耗时长。目前，行内研究时域仿真法的重点已经转移到实现速度上，这个方法的关键是利用计算硬件。改进措施需要在之前的方程组中加入发电机，控制器等方程，现在成果已经可以做到保证中小型规模网络仿真的实时性。该改进存在的不足是关于无法了解系统稳定的定量信息和系统关键参数信息。（2）直接法上世纪50年代，业内逐渐使用直接法用于电力系统的研究。等面积定则就是直接法中使用最多的一种。在1950到1980年期间，业内的研究者们都想要建立一个严谨的利亚普诺夫函数表示电力系统暂态特征。这期间，如果不考虑转移电导的问题，选取波波夫准则所组成的Cure型比Lyapunuov函数更有开发前景。但是该函数在定义切除故障的临界点非常严格，而在模型的选择上，应用了经典模型，用固定阻抗来替代负荷，但是网络化繁为简时，导纳矩阵将覆盖掉这部分阻抗。在不考虑转移电导的情况下，将产生非常大的误差。此后这些问题的存在一直阻碍直接法的发展。从1970-1980，Athay和Kakimo等人所取得的一些研究成果打破了直接法发展的僵局。主要是解决了此前直接法固有的保守性问题，一是在判定稳定域这一块，考虑到了系统在受到干扰后运行的轨迹以及正视转移电导带来的副作用，二是构造了一个暂态能量函数使之能更好地表现系统的物理性。之后，直接法的应用广为流传，并衍生了大量新的研究方法。直接法可简单的分成经典模型和复杂模型。经典模型又包括Lyapunuov函数和能量函数法。能量函数法又可以分为全局能量函数法包括RUEP法、PEBS法、BCU法、加速度法等；局部能量函数法包括单机能量函数法IMEF，扩展等面积法EEAC、动态扩展等面积法DEEAC，时间尺度解耦法TSD等[13]。下面是对这当中几种措施的简介。1）扩展等面积法（EEAC）是1986年由中国的电力系统研究者发表出来的，这种办法的主要特点是将现代的分析思想与古典的等面积定则这两者联系起来。优点是快速、直观。薛禹胜博士在对失稳模式钻研很长一段时间后表示，如果系统受到一定大小的扰动，就能把多机系统拆分为两个机群，一部分是临界机群，另一部分是剩余机群。然后应用部分角度中心概念将其转变为与之相等的两机系统，然后更深入的将该两机系统转变成一个相等的单机无穷大系统，再用等面积定则来确定临界切除时间tcr。EEAC法引入如下假设：δ1=δδj=δ式中：S表示的是临界机群；A表示的是剩余机群。而这个方法实际上是假定失稳机组只受两群之间的群际能量影响，跟各群中间共有的群内动能和势能没有关联。且能量的互换也不会发生在群内与群际能量这两者中间。EEAC法主要应用于两个机群严重失去稳定的状况，并且可以得出十分准确的答案，而且减少了复杂的数值计算，所以运算速度大大加快；而在不太确定两个机群是否失去稳定的状况下，就会引起不必要的误差，主要是不考虑群内与群际能量中间发生的能量互换。2）加速度法是以一个假定作为研究的基础：在故障一开始发生的时候，最易丧失平衡的是加速度与惯性常数比最大的机组，根据这个假设可以定义出这样的UEP：θ''=而后把URP处能量的相似值看做是临界能量：Vcr=V在故障产生的这段时间里，还能对照临界机组的情况来对Vcr实施关键的修改。但是机组失稳非常随机而且容易出现未知状况，这个假设并不总是成立。所以，需要不停的修改临界机组群。当问题出现起直到故障被解决后，临界机组群也在随之变化，加速度法并不能够定义哪些是临界机组群。所以，现在是忽略加速度法的科学性，而更多地只是把它作为“过滤器”用来大致判定临界机群。2.4提高电力系统暂态稳定方法保持大干扰下的电力系统暂态稳定与保持小扰动下的静态稳定采取的方式是不同的。提高静态稳定优先想到的是缩短电气距离，而提高暂态稳定，因为干扰是暂时的，所以更多的是采用降低功率或能量差额等具有即时性的方法。总结下来就是，提高发电机的电磁功率；降低原动机的机械功率。下面简单介绍几种方法：1)快速切除故障：这是提高暂态稳定性中最重要的、关键性的方法。切除故障就是改变切除角,意味着加速面积变小，减速面积变大，对发电厂的并列运转保持稳定有很大帮助[14]。而且，加快切除故障也减少了电动机失控、中止等方面的问题，有利于保障负荷的稳定。目前切除问题线路的时间已经缩小到0.06s，其中0.02s保护装置动作，然后断路器切除故障线路。2)自动重合闸：经常与快速切除故障配合在一起使用。电力系统发生的故障，尤其是架空输电线路上发生故障，大多属于瞬时性短路故障。投入自动重合闸装置既有助于供电的可靠性，又有利于系统的暂态稳定性。由图4可知，重合闸成功，减速面积大大增加，对保持电力系统暂态稳定有明显效果，而不装重合闸时，系统的暂态稳定遭到破坏。但是，重合闸重合时间不可以太早，过早重合可能导致重合闸失败，甚至会导致故障范围和影响扩大。这方面主要是因为原来产生电弧处的气体需要去游离时间。图4没有重合闸（左）和重合闸成功（右）3)强行励磁：利用发电机本身的自动调节系统。当线路出现事故使得端电压降低到额定电压的85%，通过快速加大发电机的励磁电流，进而增加发电机端电压，使得发电机输出的电磁功率变大。所以强行励磁既有利于发电机并列运转，又能提高负荷的暂态稳定性。但是强行励磁时间太久，发动机转子励磁绕组很可能会因过度运行而出现过热等状况，而且强励时还会引起短路电流的增大。这两点必须给予高度关注和警戒。4)变压器中性点经小电阻接地：通过消耗能量来保证能量平衡。一般而言，想要更好的保证接地短路（两相接地、单相接地）时系统的暂态稳定，变压器中性点要连上小电阻然后接地[15]。此方法主要是利用短路电流的零序分量在通过变压器中性点接的电阻R时，会损耗有功功率，从而达到使发电机停止运行的目的，降低了加速功率，因此有利于电力系统保持稳定。需要注意的是一般只在送端变压器中性点接入小电阻。如果在受端变压器接入小电阻，则会降低系统的暂态稳定性。对于如何选择电阻值问题，由多种案例分析可知，电阻值最好是变压器额定容量的4%。因为电阻值太小，在电阻上损失的功率就会不足，作用很小；但是如果用大电阻，导致电阻上功率严重损耗，很大程度上会出现第二个摇摆周期发电机不能正常运转的情况。3电力系统暂态稳定仿真3.1单机无穷大系统建模单机-无穷大系统是工程上最常用的用于电力系统分析的方法，也是电力系统模块的仿真系统最基本、最简单的模型搭建。单机-无穷大系统就是功率(P)无限大，频率(f)不变，电压(V)不变。它能对现实电力系统进行近似处理，用简化的模型来简化计算过程，从而得出和验证问题的答案。单机无穷大系统原理图如图5。图5单机无穷大系统原理图根据图5建立了如图6所示的单机无穷大系统仿真图。图6单机无穷大仿真原理图图中使用到的基本模块见表1:表1基本模块Scope示波器Gain逻辑加SynchronousMachinepuStandard同步电机（标幺值单位）模块ExcitationSystem励磁系统ThreePhaseParallelRLCLoad三相并联RLC负载Three-PhaseTransformer双绕组三相变压器DistributedParametersLine分布参数线路模块Three-PhaseSource三相电源Three-PhaseFault三相故障GenericPowerSystemStabilizer通用电力系统稳定器3.2采用的模块及其参数设置1励磁系统模块参数如图7图7发电机励磁调节系统参数2电源模块参数设置如图8图8无穷大系统电源模块参数3同步电机模块参数如图9图9同步电机参数4双绕组三项变压器模块参数如图10图10双绕组三相变压器模块参数3.3电力系统暂态稳定性仿真3.3.1变压器经小电阻接地一般而言，想要更好的保证接地短路（两相接地、单相接地）时系统的暂态稳定，变压器中性点要连上小电阻然后接地[15]。此方法主要是利用短路电流的零序分量在通过变压器中性点接的电阻R时，会损耗有功功率，从而达到使发电机停止运行的目的，降低了加速功率，因此有利于电力系统保持稳定。需要注意的是一般只在送端变压器中性点接入小电阻。如果在受端变压器接入小电阻，则会降低系统的暂态稳定性。对于如何选择电阻值问题，由多种案例分析可知，电阻值最好是变压器额定容量的4%。因为电阻值太小，在电阻上损失的功率就会不足，作用很小；但是如果用大电阻，导致电阻上功率严重损耗，很大程度上会出现第二个摇摆周期发电机不能正常运转的情况。建立如下图11的模型。3.3.2快速切除故障切除故障就是改变切除角,意味着加速面积变小，减速面积变大，对发电厂的并列运转保持稳定有很大帮助[14]。而且，加快切除故障也减少了电动机失控、中止等方面的问题，有利于保障负荷的稳定。目前切除问题线路的时间已经缩小到0.06s，其中0.02s保护装置动作，然后断路器切除故障线路。建立如下图12模型。图11变压器经小电阻接地仿真图图12快速切除故障仿真图3.3.3投入自动重合闸电力系统发生的故障，尤其是架空输电线路上发生故障，大多属于瞬时性短路故障。投入自动重合闸装置既有助于供电的可靠性，又有利于系统的暂态稳定性。由图4可知，重合闸成功，减速面积大大增加，对保持电力系统暂态稳定有明显效果，而不装重合闸时，系统的暂态稳定遭到破坏。但是，重合闸重合时间不可以太早，过早重合可能导致重合闸失败，甚至会导致故障范围和影响扩大。这方面主要是因为原来产生电弧处的气体需要去游离时间。建立如下图13模型。图13投入自动重合闸仿真图4仿真结果及分析4.1系统不稳定在电力系统的线路上设置故障，故障发生在0.1s，我们把该故障当作电力系统大扰动的主要因素，在进行MATLAB动态仿真时，分析得到的仿真结果如图14和图15所示。图14转子的转速图15转子角度偏差结论分析：线路发生故障后，同步发电机转子转速随故障时间的增加不断地提高，转子角度偏差也随之增大。转子转速大于系统同步转速，此时当运行点越过平衡点时，不平衡力矩对转子产生了加速作用，使转子角度偏差继续加大，最终导致同步电机与系统之间失去了同步。因此，若故障未及时切除，系统将处于不稳定状态。4.2变压器经小电阻接地首先在线路上设置故障发生时间是1s，我们把运行时线路设置的短路故障作为电力系统大扰动的主要因素，在进行MATLAB动态仿真时，对变压器进行不同的处理：(1)变压器中性点不经小电阻接地，然后对电力系统的暂态稳定性作一个分析比较，仿真结果如图16和图17所示。图16变压器不经小电阻接地转子的转速图17变压器不经小电阻接地转子角度偏差(2)变压器中性点经小电阻接地，然后对电力系统的暂态稳定性作一个分析比较，仿真结果如图18和图19所示。图18变压器经小电阻接地转子的转速图19变压器经小电阻接地转子角度偏差结论分析：系统的大干扰被及时切除后，经过一段时间的振荡，转子的转速和转子角度偏差将恢复稳定。比较图16、17和图18、19振荡幅值衰减的情况可知，变压器经小电阻接地时，转子角度偏差和转速恢复稳定的时间更短。因此，当变压器经小电阻接地时，能够减少系统的调节时间，更有助于电力系统暂态的稳定。4.3快速切除故障首先在线路上设置故障发生时间是1s，我们把运行时线路设置的短路故障作为电力系统大扰动的主要因素，在进行MATLAB动态仿真时，对断路器进行不同的处理：(1)慢速切除故障，当电力系统发生较大震荡时，比较慢（0.35s）的切除故障部分，对系统的暂态稳定性进行研究，仿真结果如图20和图21所示。(2)快速切除故障，当电力系统发生较大震荡时，非常迅速（0.15s）的切除故障部分，对系统的暂态稳定性进行研究，仿真结果如图22和图23所示。结论分析：图12系统经大干扰被慢速切除后，经过较长时间的振荡，转子的转速和转子角度偏差将恢复稳定，若系统运行点越过平衡点后，再切除故障，甚至会导致同步发电机与系统之间失去同步。快速切除故障时，转子的转速和角度偏差的变化情况如图22和图23所示，比较图20、21和图22、23可以看出系统恢复稳定的时间更快。因此，系统快速切除故障将有利于电力系统暂态的稳定。图20慢速切除故障转子的转速图21慢速切除故障转子角度偏差图22快速切除故障转子的转速图23快速切除故障转子角度偏差4.4自动重合闸首先在线路上设置故障发生时间是1s，我们把运行时线路设置的短路故障作为电力系统大扰动的主要因素，在进行MATLAB动态仿真时，对重合闸进行不同的处理：(1)重合闸不重合，断路器工作，当短路故障发生时，对电力系统展开暂态稳定研究，仿真结果如图24和图25所示图24不投入自动重合闸转子的转速图25不投入自动重合闸转子角度偏差(2)投入自动重合闸，当短路故障发生时，对电力系统展开暂态稳定研究，仿真结果如图26和图27所示。图26投入自动重合闸转子的转速图27投入自动重合闸转子角度偏差结论分析：自动重合闸通过增加减速面积使经过大干扰的系统很快地恢复故障。观察图26和图27发现，转子的转速以及转子角度偏差很快地恢复了稳定，而图24和图25经过很长时间的振荡才能恢复稳定。因此，可以得出合理地装设重合闸装置有利于尽快恢复系统暂态稳定性。5总结随着国家的经济发展，我国电力市场需求也是日渐紧张，”西电东送”,三峡工程等大大缓解了对用电的紧张。然而随之而来的是复杂的电力控制系统，以及不可忽略的电网安全。各种情况的发生考验着电力系统运行是的可持续性和稳定性。对电力系统各种故障的检测分析是当今的一大热门课题，也是电网运行中必须要解决的难题。论文对电力系统的暂态稳定做了一个初步介绍，其中有研究暂态稳定的几个简单实用的方法，主要是建立以MATLAB/Simulink为平台的电力系统仿真模型，通过这些模型对电力系统进行仿真研究，主要研究了当故障发生时如果不采取措施的后果，还有采用变压器中性点经小电阻接地、快速切除故障、投入重合闸等方法来研究验证是否可提高电力系统暂态稳定。总而言之，利用MATLAB工具箱，对电力系统进行仿真研究，提高仿真结果的可靠性，这是一种非常有效7的措施。参考文献：[1]李丽霞,李凯,路静,姚兴佳.基于MATLAB的电力系统稳态仿真分析[J].沈阳工程学院学报（自然科学版）,2013.[2]李晨,蒋德珑,程生安.电力系统暂态稳定分析方法的现状与发展[J].现代电子技术,2012.[3]谢小荣,唐义良,崔文进.MATLAB在电力系统仿真中的应用[J].电工技术,2000,09:4-5.[4]束洪春,孙士云,董俊,廖泽龙,王文,杨强.单相重合时序对系统暂态稳定的影响[J].电力自动化设备,2007.[5]时宇琳,王宝华.基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真实验与分析[J].实验室研究与探索,2010,04:40-43.[6]华梁,史志平.基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真[J].硅谷,2010,11:63+55.[7]夏道止.电力系统分析(第2版)[M].北京:中国电力出版社,2007:56-58.[8]吴天明.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社，2007：23-25.[9]E.Z.Zhou,O.P.Malik,andG.S.Hope.Theoryandmethodforselectionofpowersystemstabilizerlocation[J].IEEETransonEnergyConversion,1991,65(336):