電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真

1、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究背景及意義電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究背景及意義 電力是實現(xiàn)國民經(jīng)濟現(xiàn)代化和提高人民生活水平的重要電力是實現(xiàn)國民經(jīng)濟現(xiàn)代化和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)是集發(fā)電廠、輸配電網(wǎng)絡(luò)、直至用物質(zhì)基礎(chǔ)。現(xiàn)代電力系統(tǒng)是集發(fā)電廠、輸配電網(wǎng)絡(luò)、直至用戶的地域廣闊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度自動化的大系統(tǒng)。戶的地域廣闊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度自動化的大系統(tǒng)。 電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定/電壓崩潰事故是電力系統(tǒng)喪失穩(wěn)定電壓崩潰事故是電力系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性的一個重要方面，因其影響面大，造成的經(jīng)濟損失巨大，性的一個重要方面，因其影響面大，造成的經(jīng)濟損失巨大

2、，是電力系統(tǒng)安全運行的一個急需解決的問題。是電力系統(tǒng)安全運行的一個急需解決的問題。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，將使整個電力系統(tǒng)受到嚴重的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，將使整個電力系統(tǒng)受到嚴重的不良影響，造成大量用戶供電中斷，甚至造成整個系統(tǒng)瓦解。不良影響，造成大量用戶供電中斷，甚至造成整個系統(tǒng)瓦解。因此，保持電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，對于電力系統(tǒng)安全可靠因此，保持電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，對于電力系統(tǒng)安全可靠運行，具有極其重要的意義。運行，具有極其重要的意義。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真現(xiàn)代電力系統(tǒng)現(xiàn)代電力系統(tǒng) 能源的構(gòu)成能源的構(gòu)成電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真現(xiàn)代電力系統(tǒng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的特點：現(xiàn)代電力系統(tǒng)

3、發(fā)展的特點： 高度自動化高度自動化 超高壓超高壓 大機組大機組 大電網(wǎng)大電網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真現(xiàn)代電力系統(tǒng)現(xiàn)代電力系統(tǒng) 大電網(wǎng)的優(yōu)越性可概括為：利于穩(wěn)定周波，利于事故大電網(wǎng)的優(yōu)越性可概括為：利于穩(wěn)定周波，利于事故支援，能夠減少負荷備用，具體如下：支援，能夠減少負荷備用，具體如下：有利于開發(fā)邊遠地區(qū)的水煤資源。有利于開發(fā)邊遠地區(qū)的水煤資源。有利于降低發(fā)電成本（可安裝大機組）。有利于降低發(fā)電成本（可安裝大機組）。有利于錯開地區(qū)時差，實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度，減少負荷備用。有利于錯開地區(qū)時差，實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度，減少負荷備用。有利于改善電能的質(zhì)量。有利于改善電能的質(zhì)量。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真現(xiàn)代電力系統(tǒng)現(xiàn)代電

4、力系統(tǒng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行的基本要求：現(xiàn)代電力系統(tǒng)運行的基本要求：1.可靠持續(xù)的供電可靠持續(xù)的供電 2.良好的電能質(zhì)量良好的電能質(zhì)量 頻率質(zhì)量；頻率質(zhì)量； 波形質(zhì)量；波形質(zhì)量； 電壓質(zhì)量電壓質(zhì)量 3.經(jīng)濟靈活的運營經(jīng)濟靈活的運營 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的模型建立電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的模型建立 現(xiàn)代電力系統(tǒng)現(xiàn)代電力系統(tǒng) 離散相似法是將一個連續(xù)系統(tǒng)進行離散化處理，求離散相似法是將一個連續(xù)系統(tǒng)進行離散化處理，求得與其等價的離散模型。這種方法的實質(zhì)是用常系數(shù)差得與其等價的離散模型。這種方法的實質(zhì)是用常系數(shù)差分方程來等效原常系數(shù)微分方程，這樣就可以用迭代的分方程來等效原常系數(shù)微分方程，這樣就可以用

5、迭代的方法求解差分方程。連續(xù)系統(tǒng)可以用狀態(tài)空間模型表示，方法求解差分方程。連續(xù)系統(tǒng)可以用狀態(tài)空間模型表示，因此可以基于狀態(tài)方程離散化，得到時域離散相似模型。因此可以基于狀態(tài)方程離散化，得到時域離散相似模型。對傳遞函數(shù)作離散化處理得到的離散傳遞函數(shù)，稱為頻對傳遞函數(shù)作離散化處理得到的離散傳遞函數(shù)，稱為頻域離散相似模型。域離散相似模型。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真 離散事件系統(tǒng)仿真不同于連續(xù)系統(tǒng)仿真。在連續(xù)系統(tǒng)中，仿真結(jié)果表現(xiàn)離散事件系統(tǒng)仿真不同于連續(xù)系統(tǒng)仿真。在連續(xù)系統(tǒng)中，仿真結(jié)果表現(xiàn)為系統(tǒng)變量隨時間變化的時間歷程；在離散事件系統(tǒng)仿真中，系統(tǒng)變量時反為系統(tǒng)變量隨時間變化的時間歷程；在離散事件系統(tǒng)仿

6、真中，系統(tǒng)變量時反映系統(tǒng)個部分相互作用的一些事件，仿真結(jié)果是產(chǎn)生處理這些事件的事件歷映系統(tǒng)個部分相互作用的一些事件，仿真結(jié)果是產(chǎn)生處理這些事件的事件歷程。離散事件的仿真，可以采用事件調(diào)度法、活動掃描法、進程交互法三種程。離散事件的仿真，可以采用事件調(diào)度法、活動掃描法、進程交互法三種方法。在控制系統(tǒng)仿真中，主要用四種形式的數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)模型、零方法。在控制系統(tǒng)仿真中，主要用四種形式的數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)模型、零極點模型、狀態(tài)方程模型和結(jié)構(gòu)圖模型。這些模型之間存在著內(nèi)在的等效關(guān)極點模型、狀態(tài)方程模型和結(jié)構(gòu)圖模型。這些模型之間存在著內(nèi)在的等效關(guān)系。傳遞函數(shù)模型（系。傳遞函數(shù)模型（tf模型）：對系統(tǒng)

7、的微分方程在零初始條件下做拉氏變模型）：對系統(tǒng)的微分方程在零初始條件下做拉氏變換，則可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（換，則可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（SISO系統(tǒng)）：系統(tǒng)）： 11211121nnnmmmasasabsbsbsusysG狀態(tài)方程模型（狀態(tài)方程模型（ss模型）：模型）：LTI系統(tǒng)的狀態(tài)方程：系統(tǒng)的狀態(tài)方程： DuCxyBuAxx 現(xiàn)代電力系統(tǒng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)離散相似法離散相似法電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真現(xiàn)代電力系統(tǒng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)只要將只要將A，B，C，D幾個矩陣輸入進去即可。零極點模型（幾個矩陣輸入進去即可。零極點模型（zpk模型）：模型）：零極點模型是傳遞函數(shù)的另一種表現(xiàn)形式，其原理是分別對原系統(tǒng)傳零極點

8、模型是傳遞函數(shù)的另一種表現(xiàn)形式，其原理是分別對原系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分子和分母進行分解因式處理，以獲得系統(tǒng)的零極點表示形遞函數(shù)的分子和分母進行分解因式處理，以獲得系統(tǒng)的零極點表示形式：式： nmpspspspszszszszsksG321321結(jié)構(gòu)圖模型：控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是描述系統(tǒng)各組成元部件之間信號傳結(jié)構(gòu)圖模型：控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是描述系統(tǒng)各組成元部件之間信號傳遞關(guān)系的數(shù)學(xué)圖形，它表示系統(tǒng)中各變量所進行的數(shù)學(xué)運算和輸入、遞關(guān)系的數(shù)學(xué)圖形，它表示系統(tǒng)中各變量所進行的數(shù)學(xué)運算和輸入、輸出之間的因果關(guān)系。采用結(jié)構(gòu)圖，不僅能方便地求取復(fù)雜的傳遞函輸出之間的因果關(guān)系。采用結(jié)構(gòu)圖，不僅能方便地求取復(fù)雜的傳遞函數(shù)

9、，而且能形象直觀地表明信號在系統(tǒng)或元件中的傳遞過程。數(shù)，而且能形象直觀地表明信號在系統(tǒng)或元件中的傳遞過程。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的分類：電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的分類： 美國國際電氣與電子工程師協(xié)會（美國國際電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineering, IEEE）把電力系）把電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題分為統(tǒng)穩(wěn)定性問題分為暫態(tài)穩(wěn)定性（暫態(tài)穩(wěn)定性（Transient Stability）和）和靜態(tài)穩(wěn)定性（靜態(tài)穩(wěn)定性（Steady-state Stability）兩大類。兩

10、大類。 現(xiàn)現(xiàn)主要圍繞電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題進行論述。主要圍繞電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題進行論述。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)突然經(jīng)受大干擾后，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指系統(tǒng)突然經(jīng)受大干擾后，各個同步電機能否繼續(xù)保持同步運行的能力。通常各個同步電機能否繼續(xù)保持同步運行的能力。通常所考慮的擾動包括發(fā)生各種短路故障、切除大容量所考慮的擾動包括發(fā)生各種短路故障、切除大容量發(fā)電機或輸電設(shè)備以及某些負荷的突然變化等。發(fā)電機或輸電設(shè)備以及某些負荷的突然變化等。 根據(jù)在擾動后的不同時間里系統(tǒng)各部分的反應(yīng)不同，在分析暫態(tài)穩(wěn)定根據(jù)在擾動后的不同時間里系統(tǒng)各部分的反

11、應(yīng)不同，在分析暫態(tài)穩(wěn)定時往往分為以下三個階段：時往往分為以下三個階段：l起始階段：即故障后約一秒鐘內(nèi)的時間段。在這期間系統(tǒng)中的保護和自起始階段：即故障后約一秒鐘內(nèi)的時間段。在這期間系統(tǒng)中的保護和自 動裝置有一系列的動作，例如切除故障線路和重合閘，切除發(fā)電機等。動裝置有一系列的動作，例如切除故障線路和重合閘，切除發(fā)電機等。在這個時間段中發(fā)電機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)還來不及起到明顯的作用。在這個時間段中發(fā)電機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)還來不及起到明顯的作用。l中間階段：在起始階段后，大約持續(xù)中間階段：在起始階段后，大約持續(xù)5秒鐘的時間段。在此期間發(fā)電機秒鐘的時間段。在此期間發(fā)電機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)將發(fā)揮作用。的調(diào)節(jié)系統(tǒng)將發(fā)揮作用。l

12、后期階段：在故障后幾分鐘內(nèi)。這時熱力設(shè)備（如鍋爐等）將影響到電后期階段：在故障后幾分鐘內(nèi)。這時熱力設(shè)備（如鍋爐等）將影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程，另外系統(tǒng)中還將發(fā)生由于頻率的下降自動切除部分力系統(tǒng)的暫態(tài)過程，另外系統(tǒng)中還將發(fā)生由于頻率的下降自動切除部分負荷等操作。負荷等操作。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的分析方法電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的分析方法 求解電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題的分析方求解電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題的分析方法大致有三種：法大致有三種：時域仿真法時域仿真法（Time Domain Simulation Method）、）、直接法直接法（Direct

13、 Method）以及將前面二者結(jié)合）以及將前面二者結(jié)合起來的起來的混合算法混合算法（Hybrid Method）。）。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電力系統(tǒng)數(shù)字仿真電力系統(tǒng)數(shù)字仿真 數(shù)字仿真在近幾十年中得到了很大發(fā)展，尤其是在工程系統(tǒng)中。這數(shù)字仿真在近幾十年中得到了很大發(fā)展，尤其是在工程系統(tǒng)中。這是因為數(shù)字仿真有其獨特的優(yōu)點：是因為數(shù)字仿真有其獨特的優(yōu)點：1)不受被研究系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性的限制。不受被研究系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性的限制。 2)保證被研究系統(tǒng)的安全性。保證被研究系統(tǒng)的安全性。 3)系統(tǒng)試驗的經(jīng)濟性。系統(tǒng)試驗的經(jīng)濟性。 4)可用于對未來系統(tǒng)發(fā)展的預(yù)測。可用于對未來系統(tǒng)發(fā)展的預(yù)測。 電力系統(tǒng)數(shù)字

14、仿真的特點：電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的特點：電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的用途：電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的用途： 系統(tǒng)數(shù)字仿真作為一種研究、試驗和培訓(xùn)手段具有極好的系統(tǒng)數(shù)字仿真作為一種研究、試驗和培訓(xùn)手段具有極好的經(jīng)濟性和實用性，它的應(yīng)用范圍主要在以下幾方面：經(jīng)濟性和實用性，它的應(yīng)用范圍主要在以下幾方面： 1)應(yīng)用于系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計與試驗；應(yīng)用于系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計與試驗；2)應(yīng)用于系統(tǒng)動態(tài)特性分析與研究；應(yīng)用于系統(tǒng)動態(tài)特性分析與研究；3)應(yīng)用于輔助決策、管理與控制；應(yīng)用于輔助決策、管理與控制；4)應(yīng)用于人員的教學(xué)培訓(xùn)。應(yīng)用于人員的教學(xué)培訓(xùn)。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電電力

15、力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真仿真系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)模型 本文采用本文采用230kV的四機兩區(qū)域系統(tǒng)以及華東電網(wǎng)為研究模型，研的四機兩區(qū)域系統(tǒng)以及華東電網(wǎng)為研究模型，研究平臺為究平臺為PSS/E30。 本算例采用負荷模型為恒阻抗特性。以下是該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)說明。本算例采用負荷模型為恒阻抗特性。以下是該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)說明。系統(tǒng)接線圖如下：系統(tǒng)接線圖如下： 圖圖4-1 系統(tǒng)接線圖系統(tǒng)接線圖 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真 系統(tǒng)初始潮流結(jié)果如圖系統(tǒng)初始潮流結(jié)果如圖4-2所示所示(以儲能裝置裝設(shè)在母線以儲能裝置裝設(shè)在母線2處為例，作為處為例，作為發(fā)電機建模發(fā)電機建模) 穩(wěn)態(tài)時，儲能裝置無輸出，即不進行與系統(tǒng)之間有功無功的

16、交換。穩(wěn)態(tài)時，儲能裝置無輸出，即不進行與系統(tǒng)之間有功無功的交換。 電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真圖圖4-2 系統(tǒng)初始潮流情況系統(tǒng)初始潮流情況電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真超導(dǎo)儲能提高暫態(tài)穩(wěn)定性的仿真研究超導(dǎo)儲能提高暫態(tài)穩(wěn)定性的仿真研究 本文所采用故障為本文所采用故障為7、8號母線之間支路號母線之間支路1在時發(fā)生在時發(fā)生三相短路，經(jīng)一定時間后切除故障線路。三相短路，經(jīng)一定時間后切除故障線路。 超導(dǎo)儲能裝置裝設(shè)在母線超導(dǎo)儲能裝置裝設(shè)在母線2上，采用上，采用PID控制模塊。控制模塊。 以下是仿真結(jié)果對比，分別為有無超導(dǎo)儲能情況以下是仿真結(jié)果對比，分別為有無超導(dǎo)儲能情況下的

17、系統(tǒng)響應(yīng)曲線。下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真當(dāng)故障線路切除時，系統(tǒng)量響應(yīng)曲線如下圖所示：當(dāng)故障線路切除時，系統(tǒng)量響應(yīng)曲線如下圖所示： 圖圖4-3 2號發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化號發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化 圖圖4-4 母線母線2頻率偏差變化動態(tài)過程頻率偏差變化動態(tài)過程 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真圖圖4-5 母線母線2的功角變化動態(tài)過程的功角變化動態(tài)過程 圖圖4-6 母線母線2電壓變化動態(tài)過程電壓變化動態(tài)過程 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真圖圖4-7 2號發(fā)電機的有功功率動態(tài)過程號發(fā)電機的有功功率動態(tài)過程 電力系統(tǒng)穩(wěn)

18、定性分析與仿真電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真當(dāng)故障線路切除時，各系統(tǒng)量響應(yīng)曲線如下圖所示：當(dāng)故障線路切除時，各系統(tǒng)量響應(yīng)曲線如下圖所示： 圖圖4-8 2號發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化號發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化 圖圖4-9母線母線2頻率偏差變化動態(tài)過程頻率偏差變化動態(tài)過程 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真圖圖4-10母線母線2的功角變化動態(tài)過程的功角變化動態(tài)過程 圖圖4-11母線母線2電壓變化動態(tài)過程電壓變化動態(tài)過程 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù)字字仿仿真真圖圖4-12 2號發(fā)電機的有功功率動態(tài)過程號發(fā)電機的有功功率動態(tài)過程 總結(jié)：從以上總結(jié)：從以上仿真結(jié)果可以仿真結(jié)果可以看出，儲能裝看出，儲能裝置的加入可以置的加入可以快速地抑制振快速地抑制振蕩，從而使得蕩，從而使得系統(tǒng)能夠快速系統(tǒng)能夠快速的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與仿真致謝致謝 本文是在本文是在XXX教授的精心指導(dǎo)和大力支持下完成的，教授的