簡單電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算與仿真

1、中 南 大 學(xué)CENTRAL SOUTH UNIVERSITY本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))論文題目簡單電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算與仿真學(xué)生姓名 李妞妞 指導(dǎo)老師 學(xué) 院 中南大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 專業(yè)班級電氣工程及其自動(dòng)化2014專升本 完成時(shí)間 2016年5月1日 中 南 大 學(xué)畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）任 務(wù) 書函授站(點(diǎn)): 江西應(yīng)用工程職業(yè)學(xué)院繼續(xù)教育分院 專業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 年級：2014級 學(xué)生姓名：李妞妞畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：起止日期： 年 月 日 年 月 日指導(dǎo)教師： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求（包括日程安排和進(jìn)度）：一、日程安排和進(jìn)度階段階 段 內(nèi) 容起止時(shí)間二、論文要求 注：本任務(wù)書由指導(dǎo)

2、教師填寫并經(jīng)審查后，一份由學(xué)生裝訂在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的封面之后，原件存函授站。中 南 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）成 績 單函授站(點(diǎn)): 專業(yè): 年級： 學(xué)生姓名：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：指導(dǎo)老師評語：指導(dǎo)老師建議成績： 指導(dǎo)老師簽名：年 月 日評審意見：評審人簽名： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯評語及成績成績： 專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)主任簽名： 年 月 日審查意見：院（系）負(fù)責(zé)人簽名：年 月 日注：此成績單一式兩份，一份裝入學(xué)生個(gè)人學(xué)籍檔案，一份裝訂入畢業(yè)論文中。摘 要隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益龐大和復(fù)雜，出現(xiàn)的各種故障，會(huì)給發(fā)電廠以及用戶和電廠內(nèi)的多種動(dòng)力設(shè)備的安

3、全帶來威脅，并有可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故的擴(kuò)大，從技術(shù)和安全上考慮直接進(jìn)行電力試驗(yàn)可能性很小，迫切要求運(yùn)用電力仿真來解決這些問題，依據(jù)電網(wǎng)用電供電系統(tǒng)電路模型要求，因此，論文利用MATLAB的動(dòng)態(tài)仿真軟件Simulink搭建了單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)的仿真模型，能夠滿足電網(wǎng)可能遇到的多種故障方面運(yùn)行的需要。論文以MATLAB R2009b電力系統(tǒng)工具箱為平臺，通過SimPowerSyetem 搭建了電力系統(tǒng)運(yùn)行中常見的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)得到了在該系統(tǒng)發(fā)生各種短路接地故障并故障切除的仿真結(jié)果。本文做的主要工作有：（1）Simulink下單機(jī)無窮大仿真系統(tǒng)的搭建（2）系統(tǒng)故障仿真測試分析通過實(shí)例說明，

4、若將該方法應(yīng)用到電力系統(tǒng)短路故障的診斷中，快速實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)診斷、檢測，對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定；MATLAB；單機(jī)無窮大； 目 錄前言1第一章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述11.1 電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性11.2 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性1第二章 基于MATLAB的電力系統(tǒng)仿真32.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制32.2 MATLAB及SimPowerSystem簡介32.3 配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析42.4 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程5第三章 單機(jī)無窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析53.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析63.1.1 引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的原因63.1.2 定性分析63.1.3 提

5、高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施83.2 單機(jī)無窮大系統(tǒng)原理9第四章Simulink下SimPowerSystem模型應(yīng)用124.1 仿真模型的搭建124.2 運(yùn)行效果仿真圖134.21 改變故障模塊中的短路類型134.22 改變系統(tǒng)中的元件參數(shù)(改變線路的電阻)174.3 加入電容補(bǔ)償器后的的仿真圖184.4 小結(jié)22第五章 結(jié)論和展望22參考文獻(xiàn)240 前言隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)發(fā)生故障的影響也越來越大，尤其大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)背景下的電力系統(tǒng)故障將會(huì)給經(jīng)濟(jì)、社會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是電力生產(chǎn)的首要任務(wù)。電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)， 一方面，它必須時(shí)刻保證可靠的電能質(zhì)量；另

6、一方面，它又處于不斷的擾動(dòng)之中，擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、類型、嚴(yán)重程度均具有較大的隨機(jī)性。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，一旦發(fā)生穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)可能會(huì)在幾秒內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重后果。對于系統(tǒng)某一特定的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，以及對于某一特定的擾動(dòng)，如果在擾動(dòng)后系統(tǒng)能達(dá)到一個(gè)可以接受的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則系統(tǒng)運(yùn)行處于暫態(tài)穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)等工作中都要進(jìn)行大量的暫態(tài)穩(wěn)定分析。通過暫態(tài)穩(wěn)定分析，可以看到各種穩(wěn)定措施的效果以及穩(wěn)定控制的性能。因此，通過時(shí)域仿真來驗(yàn)證電力系統(tǒng)在某一狀態(tài)時(shí)是否穩(wěn)定，具有重要的理論和實(shí)際意義。第一章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述1.1 電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)震蕩或

7、非周期性失步，自動(dòng)恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)幾乎時(shí)時(shí)刻刻都受到小的干擾。例如：系統(tǒng)中負(fù)荷的小變化；又如架空輸電線路因擺動(dòng)引起的線間距離（影響線路電抗）的微小變化等等。因此，電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定問題實(shí)際就是確定系統(tǒng)的某個(gè)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)能否保持的問題。1.2 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行情況下突然受到較大擾動(dòng)后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)或恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，一般是指短路故障、突然斷開線路或減小發(fā)電機(jī)出力等。如果受到大的干擾后仍能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，則電力系統(tǒng)在這種情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大的干擾后不能再建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，而是各發(fā)電機(jī)組

8、轉(zhuǎn)子間一直有相對運(yùn)動(dòng)，相對角不斷的變化，因而系統(tǒng)的功率、電流和電壓都不斷震蕩，以致整個(gè)系統(tǒng)不再能繼續(xù)運(yùn)行下去，則稱為系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的原因很多，歸納起來，主要有以下幾種。1、 引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的主要原因（1）負(fù)荷的突然變化。如切除或投入大容量的用戶引起較大的擾動(dòng)。（2）切除或投入系統(tǒng)的主要元件。如切除或投入較大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器和較重要的線路引起的大的擾動(dòng)。（3）電力系統(tǒng)的短路故障。它對電力系統(tǒng)的擾動(dòng)最為嚴(yán)重。在短路故障中，其中以三相短路最為危險(xiǎn)，引起電力系統(tǒng)的擾動(dòng)最大，于是系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性常常遭到破壞。但此種嚴(yán)重故障發(fā)生的次數(shù)最少，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高壓電

9、力系統(tǒng)中發(fā)生三相短路的次數(shù)一般占總短路次數(shù)的6%7%左右。兩相接地短路和兩相短路對于電力系統(tǒng)的擾動(dòng)也較大，其中兩相接地短路的危害程度僅次于三相短路。但在一般的高壓系統(tǒng)中發(fā)生這兩種短路的次為23%24%左右，比三相短路發(fā)生的次數(shù)要多。單相短路在高壓系統(tǒng)中發(fā)生的次數(shù)最多，一般可占70%左右。但單相短路對系統(tǒng)的擾動(dòng)在短路故障中是最小的，其中瞬時(shí)性雷擊單相短路又占單相短路的70%左右，它對系統(tǒng)的影響就更小了。二、暫態(tài)過程按時(shí)間分為下面三個(gè)階段（1）起始階段：指故障后約1s內(nèi)的時(shí)間段。在這期間系統(tǒng)中的保護(hù)和自動(dòng)裝置有一系列的動(dòng)作，例如切除故障線路和重合閘、切除發(fā)電機(jī)等。但是在這個(gè)時(shí)間段中發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)

10、還來不及起到明顯的作用。（2）中間階段：在起始階段后，大約持續(xù)5s左右的時(shí)間段。在這期間發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已發(fā)揮作用。（3）后期階段：中間階段以后的時(shí)間。這時(shí)動(dòng)力設(shè)備中的過程影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程。另外，系統(tǒng)中還將由于頻率和電壓的下降，發(fā)生自動(dòng)裝置切除部分負(fù)荷等操作。三、暫態(tài)穩(wěn)定的分析方法分析方法：不同于靜態(tài)穩(wěn)定問題的分析，不能做線性化處理，暫態(tài)穩(wěn)定問題研究的特點(diǎn)有： （1） 暫態(tài)穩(wěn)定性與否和原來運(yùn)行方式及干擾種類有關(guān)。 （2） 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定過程是一個(gè)電磁暫態(tài)過程和機(jī)電暫態(tài)過程匯合在一起的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，它們互相作用、互相影響。第二章 基于MATLAB的電力系統(tǒng)仿真 電力系統(tǒng)在運(yùn)行中易受到多

11、種因素的影響而發(fā)生故障，威脅系統(tǒng)的安全可靠性，因此迅速、準(zhǔn)確地探測出電纜故障并對其進(jìn)行分析，對提高供電可靠性、減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值1。目前，線路保護(hù)已經(jīng)進(jìn)入微機(jī)保護(hù)時(shí)代，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的信號處理仍以分析為主，同時(shí)考慮到電力運(yùn)行實(shí)際情況，在Matlab/Simulink平臺下更好的運(yùn)用仿真手段更突出了現(xiàn)實(shí)意義。2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制 電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。暫1態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾( 如短路故障, 突然增加或減少發(fā)電機(jī)出力、大量負(fù)荷, 突然斷開線路等) 后, 各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)

12、態(tài)運(yùn)行方式的能力, 通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的, 本文以單機(jī)無窮大系統(tǒng)為例, 主要利用matlb軟件對單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對線路發(fā)生接地短路故障在一定時(shí)間內(nèi)切除后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。通過仿真參數(shù)來證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。2.2 MATLAB及SimPowerSystem簡介 MATLAB是Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，由Mathworke公司開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的軟件，最早它主要用于科學(xué)計(jì)算。后來隨著MATLAB功能的不斷增強(qiáng)和應(yīng)用的普及

13、，很多領(lǐng)域的專家為MATLAB寫了專門的工具箱，用以拓展MATLAB的功能，這大大擴(kuò)大了MATLAB的應(yīng)用范圍。所以現(xiàn)在的MATLAB已不僅僅局限與現(xiàn)代控制系統(tǒng)分析和綜合應(yīng)用，它已是一種包羅眾多學(xué)科的功能強(qiáng)大的技術(shù)計(jì)算語言，是當(dāng)今世界上最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算軟件之一。它強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算與可視化功能，簡單易用，開放式可擴(kuò)展環(huán)境，特別是所附帶的30多種面向不同領(lǐng)域的工具箱支持，使得它在許多科學(xué)領(lǐng)域中成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，算法研究和應(yīng)用開發(fā)的基本工具和首選平臺2。 MATLAB環(huán)境下的Simulink 是用于對復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真的圖形化交互式平臺。運(yùn)行于Simulink下的PSB（Power S

14、ystem Blockset）是針對電力系統(tǒng)的工具箱，從Matlab 6.0開始它被重新命名為SPS（SimPowerSystem）。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'研究中心的專家為主的MATLAB的開發(fā)的工具箱，主要用于電力系統(tǒng)電力，電子電路的仿真。隨著MATLAB的不斷升級，SimPowerSystem也得到了很大的發(fā)展?，F(xiàn)在，從MATLAB13版的開始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作為現(xiàn)實(shí)模型產(chǎn)品族的成員，結(jié)合Simulink的使用，可以仿真電氣，機(jī)械以及控制系統(tǒng)。使用SimPowerSystem，不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的軟件命令，

15、編寫軟件代碼，用戶可以專注于物理模型本身，通過與實(shí)際電路圖非常相似的符號，表示復(fù)雜的電網(wǎng)，這有助于大大提高仿真的效率。2.3 配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析電力系統(tǒng)中壓配電網(wǎng)一般采用不直接接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，因其發(fā)生接地故障時(shí)，流過接地點(diǎn)的電流小，所以稱為小電流接地系統(tǒng)。此系統(tǒng)中接地故障最高，由于三個(gè)線電壓仍然對稱，不影響負(fù)荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，但接地后非故障相電壓會(huì)升高，長時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)影響系統(tǒng)安全，因此需要對故障時(shí)刻和故障線路進(jìn)行檢測。另外故障初期接地點(diǎn)常常伴有很大的接地電阻，各次諧波電流分量很小這將影響故障檢測的靈敏度。因此，需要具有很強(qiáng)的處理微弱信號能力的數(shù)字信號處理方法去分析非

16、平穩(wěn)信號。對配電網(wǎng)接地短路故障的研究，主要有利用短路后的穩(wěn)態(tài)分量、諧波分量和暫態(tài)分量等幾種方法。利用故障后的穩(wěn)態(tài)分量進(jìn)行故障檢測，存在的問題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小常導(dǎo)致選線裝置不能正確動(dòng)作而且該方法要求有一個(gè)持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過程因此在發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)便不再適用，因此利用能對突變的微弱的非平穩(wěn)故障信號進(jìn)行精確處理的小波分析理論,可以很好地分析電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程并提取出故障特征,。 電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾(如短路故障，突然增加或減少發(fā)電機(jī)出力、大量負(fù)荷，突然斷開線路等)后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方

17、式的能力。通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的。 利用matlb軟件對單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對線路發(fā)生接地短路故障在一定時(shí)間內(nèi)切除后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。通過仿真參數(shù)來證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。2.4 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程 由于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真研究將不能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬得以實(shí)現(xiàn)。因此在判定一個(gè)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性時(shí)，都可以首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究，它的突出優(yōu)點(diǎn)是可行、簡便、經(jīng)濟(jì)。Matlab電力系統(tǒng)工具箱包含的模塊有：Electrical Sources(電源

18、庫)、Elements(元件庫)、PowerElectronics(電力電子元件庫)、Machines(電機(jī)庫)、Connectors(連接器庫)、Measurements(測量儀器庫)、Extra Library(附加元件庫)、Demos(示例庫)、Powergui(圖形用戶界面graphical user interface)等， 為了研究電力系統(tǒng)的特性，搭建的系統(tǒng)應(yīng)最大限度的再現(xiàn)實(shí)際中的電力系統(tǒng)。利用模塊庫中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，對各環(huán)節(jié)元件作了一定的理想化。對各元件的參數(shù)也作了一定的取舍與簡化，隨著模塊庫的不斷更新與完善，利用已有模塊搭建的系統(tǒng)基本能模擬實(shí)際電力系統(tǒng)的特性成為對電力系統(tǒng)

19、進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、仿真的一個(gè)有力工具。第三章 單機(jī)無窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題是指電力系統(tǒng)運(yùn)行中受到擾動(dòng)后能否保持發(fā)電機(jī)間同步運(yùn)行的問題，根據(jù)擾動(dòng)大小所確定的穩(wěn)態(tài)問題的性質(zhì)，把它分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。所謂電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性，一般是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行中受到微小擾動(dòng)后，獨(dú)立地恢復(fù)到它原來的運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行情況下突然受到大的干擾后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，是相對于小干擾而言的。如果系統(tǒng)受到大的干擾后仍能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，則系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大的干擾后不能建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)

20、，而是各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子間一直有相對運(yùn)動(dòng)，相對角不斷變化，因而系統(tǒng)的功率電流和電壓都不斷振蕩，以至整個(gè)系統(tǒng)不能再繼續(xù)運(yùn)行下去，則稱為系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。3.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析3.1.1 引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的原因主要有以下幾種： （1）負(fù)荷的突然變化，如投入或切除大容量的用戶等； （2）切除或投入系統(tǒng)的主要原件，如發(fā)電機(jī)，變壓器及線路等； （3）發(fā)生短路故障。其中短路故障的擾動(dòng)最為厲害，常以此作為檢驗(yàn)系統(tǒng)是否具有暫態(tài)穩(wěn)定的依據(jù)。而且短路故障中，單相接地短路故障最多。在發(fā)生短路的情況下，電力系統(tǒng)從一種狀態(tài)激烈變化到另一種狀態(tài)，產(chǎn)生復(fù)雜的暫態(tài)現(xiàn)象。在三相系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路有

21、：三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路等。當(dāng)動(dòng)態(tài)電路從某一穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，一些物理量（如電容電壓，電感電流等）并不會(huì)突變，而是需要一定時(shí)間。在這期間，電路將呈現(xiàn)出不同于穩(wěn)態(tài)的特別現(xiàn)象，即電路的過渡過程或暫態(tài)現(xiàn)象。分析電路的暫態(tài)現(xiàn)象時(shí)，可建立電壓電流的微分方程，并按初始來求解。3.1.2 定性分析在正常運(yùn)行情況下，若原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率為Pm，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率就與原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率相平衡，發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)由P1和Pm線的交點(diǎn)確定，即為a點(diǎn)，與此對應(yīng)的功率角為，見圖3.2中虛線所示為不計(jì)阻尼作用的曲線，實(shí)線所示為計(jì)阻尼作用的曲線。 圖3.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定 圖3.2

22、電力系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定在發(fā)生短路瞬間，由于不考慮定子回路的非周期分量，則周期分量的功率是可以突變的，于是發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)有PI突然將為PII。又由于發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)的慣性所致，功率角不可能突變，仍為。那么運(yùn)行點(diǎn)由a點(diǎn)躍降到短路時(shí)功-角特性曲線PII上的b點(diǎn)。達(dá)b點(diǎn)后，輸入的機(jī)械功率Pm大于輸出的電磁功率PIIb，不平衡凈加速功率大于零。依轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式，于是轉(zhuǎn)子開始加速，即，功率角開始增大，運(yùn)行點(diǎn)將沿功-角特性曲線PII移動(dòng)，設(shè)經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)功率角增大至c時(shí)，此時(shí)運(yùn)行在c點(diǎn)，速度達(dá)到最大。若在c點(diǎn)事切除線路故障，在切除線路故障的瞬間，仍由于不考慮定子回路電流的非周期分量及機(jī)組轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性，為c

23、，運(yùn)行點(diǎn)從PII上的c點(diǎn)突升到PIII上的e點(diǎn)，此時(shí)速度仍為。在達(dá)到e點(diǎn)后，機(jī)械功率Pm<PIIIe（電磁功率），轉(zhuǎn)子開始減速。由于及機(jī)組轉(zhuǎn)子的慣性作用，則功率角還在增大，運(yùn)行點(diǎn)沿PIII由e點(diǎn)向f點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)f點(diǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），功率角不再繼續(xù)增大，這時(shí)的功率角為最大功率角。但在f點(diǎn)，Pm<PIIIf，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)減速，功率角開始減小，運(yùn)行點(diǎn)仍將沿功-角特性曲線PIII從f點(diǎn)向e、k點(diǎn)移動(dòng)。在k點(diǎn)時(shí)有Pm=，減速停止，則速度達(dá)最小為。但由于轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性作用，功率角將繼續(xù)減小，當(dāng)過k點(diǎn)時(shí)Pm<PIII，在不平衡功率為正值的作用下，轉(zhuǎn)子開始加速，最后達(dá)到同步轉(zhuǎn)帶時(shí)為止，功

24、率角不再減小，此時(shí)功率角為最小值。然后又開始第二次振蕩，功率角由小到大，運(yùn)行點(diǎn)沿功-角特性PIII越過k點(diǎn)又達(dá)f點(diǎn)。如果振蕩過程中沒有任何阻尼作用，這種振蕩將一直振蕩下去。但事實(shí)上振蕩過程中總有一定的阻尼作用，振蕩逐步衰減，系統(tǒng)將停留在一個(gè)新的運(yùn)行點(diǎn)k繼續(xù)同步運(yùn)行，即為系統(tǒng)在大的擾動(dòng)后可保持暫態(tài)穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性由圖3.1所示。當(dāng)短路故障切除得遲些，c更大時(shí)，在故障切除后，運(yùn)行點(diǎn)沿功率PIII不斷向功率角增大的方向移動(dòng)過程中，雖然轉(zhuǎn)子在不斷減速，但運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)曲線PIII上的點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速仍大于同步轉(zhuǎn)速。于是運(yùn)行點(diǎn)就要越過點(diǎn)，過了點(diǎn)后，情況發(fā)生逆轉(zhuǎn)。由于Pm>PIII，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)

25、子又開始加速，而且加速度越來越大，功率轉(zhuǎn)角無限增大，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間將失去同步，系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定。其情況如圖3.2所示。MATLAB提供了常微分方程初值問題的數(shù)值解法，對于穩(wěn)態(tài)一般用快速而準(zhǔn)確的ode45函數(shù)，對于暫態(tài)一般用ode23函數(shù)。也可采用自適應(yīng)變不長的求解方法，即當(dāng)解的變化較快時(shí)，步長會(huì)自動(dòng)的變小，從而提高計(jì)算精度。3.1.3 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施1） 快速切除故障2） 采用自動(dòng)重合閘裝置：對應(yīng)兩種情況：若系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)故障，則可以通過自動(dòng)化重合閘恢復(fù)到原來狀態(tài)（電磁功率最大）；若為永久性故障，會(huì)使系統(tǒng)再次重合到故障上，對系統(tǒng)沖擊較大。3） 強(qiáng)行勵(lì)磁：提高電磁功率，以增加減速面積。4

26、） 串聯(lián)電容器的強(qiáng)行補(bǔ)償 指故障時(shí)對健全線路強(qiáng)制提高補(bǔ)償度的措施。補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ喝珉p回路運(yùn)行，兩組電容器組均投入。切除一條輸電線后，線路感抗從Xl/2Xl，Xl為健全線路的電抗，由于電抗的下降，使切除故障線路后的電磁功率下降，加速面積增大，為減少加速面積，應(yīng)通過減少健全線路的電抗來實(shí)現(xiàn)，即使在它上面串聯(lián)電容器，同時(shí)切除一組，使其容抗從Xc/2Xc。5） 采用電氣制動(dòng)指當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障后迅速接入電阻以消耗發(fā)電機(jī)的有功功率（增大電磁功率），從而減少功率差額。因?yàn)橹苿?dòng)電阻在故障瞬時(shí)投入，因而使故障后P-曲線PII向上向左偏移。欠制動(dòng)：投入后減少的加速面積不足；過制動(dòng)：故障發(fā)生后，由于制動(dòng)電阻的投入，加

27、速面積很小，因而沒有失步；但是切除故障后，由于制動(dòng)電阻同時(shí)被切除，因而PIII曲線不受制動(dòng)電阻的影響。當(dāng)在PII曲線較低位置切除故障時(shí)，仍可能出現(xiàn)與PT-PIII較大數(shù)值的較大的減速面積，因而仍可能在第二周波失穩(wěn)。 6） 變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地不對稱接地短路故障時(shí)，產(chǎn)生零序電流。變壓器中性點(diǎn)通過小電阻接地，則零序電流在中性點(diǎn)電阻上產(chǎn)生功率損耗，這部分功率消耗了一部分發(fā)電機(jī)的電磁功率，因而減小了轉(zhuǎn)子的不平衡功率，有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。7） 減少原電機(jī)輸出的機(jī)械功率由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)切除故障后，減小作用在轉(zhuǎn)子上的剩余功率，增大減速面積。減小原動(dòng)機(jī)輸出功率的措施有，以下兩種措施對應(yīng)的均為在切除故障的同時(shí)

28、采取的措施。*采用快速的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)或快速關(guān)閉進(jìn)汽門，電磁功率不變，但是由于調(diào)速系統(tǒng)的作用，使機(jī)械功率相應(yīng)減少，從而增大減速面積。*切除連鎖切機(jī)，在切除發(fā)電機(jī)組后，電磁功率下降，同時(shí)對應(yīng)的機(jī)械功率下降，一般認(rèn)為下降的機(jī)械功率較電磁功率多，因而減速面積增大。；3.2 單機(jī)無窮大系統(tǒng)原理電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定分析中，常采用的模型是單機(jī)對無窮大系統(tǒng)，單機(jī)無窮大系統(tǒng)認(rèn)為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，是工程上最常用的手段，也是電力系統(tǒng)模擬仿真最簡單、最基本的的運(yùn)行方式7，即對現(xiàn)實(shí)進(jìn)行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結(jié)論，簡化計(jì)算過程。 圖3.1 無輸電線的單機(jī)無窮大系統(tǒng)原理圖 假定聯(lián)絡(luò)阻抗為純電感，則由發(fā)

29、電機(jī)向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的P為： 式中包括發(fā)電機(jī)阻抗在內(nèi)的發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗； 功角；發(fā)電機(jī)電勢； 系統(tǒng)母線電壓。利用matlab來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主要針對的是在0.1s切除故障和0.55s切除故障中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的情況的比較。改變故障模塊中的短路類型，就可以仿真系統(tǒng)在發(fā)生各種短路時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定性；同樣改變系統(tǒng)中元件參數(shù)(如線路電阻、并聯(lián)電抗等)就可以研究各種參數(shù)對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。仿真圖如下： 圖3.2 單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)仿真原理圖利用matlab來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主要針對的是在系統(tǒng)中加入電容補(bǔ)償器對系統(tǒng)有何改善，在0.1s切除故障和0.55s切除故障中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)

30、速變化的情況的比較。改變故障模塊中的短路類型，就可以仿真系統(tǒng)在發(fā)生各種短路時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定性。圖3.3 改善的單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)仿真原理圖串聯(lián)電容補(bǔ)償器就是在線路上串聯(lián)電容器以補(bǔ)償線路的電抗。采用串聯(lián)電容補(bǔ)償器是提高交流輸電線路輸送能力，控制并行線路之間的功率分配和增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種方法第四章Simulink下SimPowerSystem模型應(yīng)用 Simulink由于其能用最小的代價(jià)來模擬真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行，依托數(shù)百種預(yù)定義系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進(jìn)有效地積分算法和直觀的圖形化工具，依托強(qiáng)健的交互式仿真能力，可以方便調(diào)整模型參數(shù)設(shè)置，而電力系統(tǒng)SimPowerSystem由于使用標(biāo)準(zhǔn)的電氣符號、各

31、種模型模塊，高精度的仿真結(jié)果，優(yōu)化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分發(fā)揮了SPS在電力系統(tǒng)仿真的靈活仿真優(yōu)勢。4.1 仿真模型的搭建 利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來。對原理分析的基礎(chǔ)上，利用SIMULINK軟件仿真能對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為方便的調(diào)整，可以更為直觀地得到系統(tǒng)仿真的結(jié)果，從而加深對電力系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方法的理解。本次仿真選出需要用到如下模塊： （1）Powerl

32、ib電力系統(tǒng)工具箱： 1）Electrical Sources中的Three-Phase Source（三相電源）模塊2）Elements 中的Three-Phase Parallel RLC Load（三相負(fù)載RLC并聯(lián)）模塊和以及 Three-Phase Breaker （三相斷路器）模塊，Three-Phase Fault （三相故障整流器）模塊，Three-Phase Series PLC Load（三相PLC并聯(lián)負(fù)載）模塊，Three-Phase Transformer（Two Windings）（三相變壓器繞組）模塊，Three-PhasePI Section line(三相分布傳

33、輸線路)模塊。 3）Machines里Synchronous Machine pu Standad（標(biāo)么標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī)）模塊，Excitation System（勵(lì)磁系統(tǒng)）模塊，Hydraulic Turbine and Governor（水輪機(jī)及調(diào)節(jié)器）模塊 4）powergui 模塊 （2）Simulink常用工具箱：Simulink 模塊集Commonly Used Blocks （常用模塊）下的 Constant（常量)模塊，Bus Selector（信號總線選擇器），Terminator(信號終結(jié)模塊)，Scope(示波器模塊)，Ground（接地模塊）。 4.2運(yùn)行效果仿真圖4.2.

34、1 改變故障模塊中的短路類型（1） 單相短路接地故障圖4.21 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.22 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（2）兩相短路接地故障圖4.23 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.24 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（3）兩相短路故障圖4.25 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.26 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（4）三相短路故障 圖4.27 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖 圖4.28 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.211

35、故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖圖4.211 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖結(jié)論分析：在故障0.1s后切除故障線路時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而逐漸減?。ㄔ?.99-1.01之間變化），趨于穩(wěn)定值，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當(dāng)故障后0.55s切除故障線路是（切除時(shí)間大于極限切除時(shí)間），發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而增大，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。短路故障的類型和發(fā)生及切除時(shí)間可由三相短路模塊(Three-Phase Fault)進(jìn)行設(shè)置。動(dòng)態(tài)仿真時(shí)選擇ode23tb，并采用略去直流分量和其他復(fù)雜濾波分量的Phasors法，可顯著地加快仿真速度。4.22 改變系統(tǒng)中的元

36、件參數(shù)(改變線路的電阻) 圖4.221 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.222 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.223 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖圖4.224 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖4.3 加入電容補(bǔ)償器后的的仿真圖（1）兩相短路故障圖4.31 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.32 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（2）三相短路故障圖4.33 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.34 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（3）單

37、相短路接地故障圖4.35 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.36 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（4）兩相短路接地故障圖4.37 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.38 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.39 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖圖4.310 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖結(jié)論分析：在加入電容補(bǔ)償器后系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生了變化，不論是0.1s還是0.55s的時(shí)間內(nèi)切除故障，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而增大。系統(tǒng)不穩(wěn)定。4.4 小結(jié)當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，希望能快速對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析以此來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文運(yùn)用Mtlab來對單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定的仿真，針對的是在不同時(shí)間內(nèi)對不同的故障進(jìn)行圖形的比較和在改善系統(tǒng)時(shí)在不同時(shí)間內(nèi)不同故障進(jìn)行圖形的比較。未改善的系統(tǒng)，在0.1s內(nèi)切除故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增大而逐漸減小，趨于穩(wěn)定值，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當(dāng)0.55s后切除故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而增大，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。而改善的系統(tǒng)無論是在0.1s還是0.55s切除故障，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而增大，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。