电力系统综合课程教学设计.doc

-` 电力系统分析 综 合 课 程 设 计 报 告 电力系统的潮流计算和故障分析 学 院： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 2014年 10月 29 日 目 录 一、设计目的 1 二、设计要求和设计指标 1 2.1设计要求 1 2.2设计指标 2 2.2.1网络参数及运行参数计算 2 2.2.2各元件参数归算后的标么值： 2 2.2.3 运算参数的计算结果： 2 三、设计内容 2 3.1电力系统潮流计算和故障分析的原理 2 3.1.1电力系统潮流计算的原理 2 3.1.2 电力系统故障分析的原理 3 3.2潮流计算与分析 4 3.2.1潮流计算 4 3.2.2计算结果分析 7 3.2.3暂态稳定定性分析 7 3.2.4暂态稳定定量分析 9 3.3运行结果与分析 11 3.3.1构建系统仿真模型 11 3.3.2设置各模块参数 12 3.3.3仿真结果与分析 14 四、本设计改进建议 16 五、心得总结 16 六、主要参考文献 16 一、设计目的 学会使用电力系统分析软件。通过电力系统分析软件对电力系统的运行进行实例分析，加深和巩固课堂教学内容。 根据所给的电力系统，绘制短路电流计算程序，通过计算机进行调试，最后成一个切实可行的电力系统计算应用程序，通过自己设计电力系统计算程序不仅可以加深学生对短路计算的理解，还可以锻炼学生的计算机实际应用能力。 熟悉电力系统分析综合这门课程，复习电力系统潮流计算和故障分析的方法。了解Simulink在进行潮流、故障分析时电力系统各元件所用的不同的数学模型并在进行不同的计算时加以正确选用。学会用Simulink，通过图形编辑建模，并对特定网络进行计算分析。 二、设计要求和设计指标 2.1设计要求 系统的暂态稳定性是系统受到大干扰后如短路等，系统能否恢复到同步运行状态。图1为一单机无穷大系统，分析在f点发生短路故障，通过线路两侧开关同时断开切除线路后，分析系统的暂态稳定性。若切除及时，则发电机的功角保持稳定，转速也将趋于稳定。若故障切除晚，则转速曲线发散。 图1 单机无穷大系统 发电机的参数：SGN=352.5MWA,PGN=300MW,UGN=10.5Kv,,,,,,,,,Rs=0.0028,H(s)=4s;TJN=8s,负序电抗：。 变压器T-1的参数:STN1=360MVA,UST1%=14%,KT1=10.5/242; 变压器T-2的参数:STN2=360MVA,UST2%=14%,KT2=220/121; 线路的参数：l=279km,UN=220K,XL=0.41欧/km，欧/km，线路的零序电抗为正序电抗的5倍。运行条件如下：=115KV，=250W，功率因数为0.95。 当0.029s发生单相故障时，断路器0.29s动作切除故障，判定发电机转速是否达到稳定？系统是否稳定？ 2.2设计指标 2.2.1网络参数及运行参数计算 取，。为使变压器不出现非标准变比，各段基准电压为， 2.2.2各元件参数归算后的标么值如下： ，，，，， 2.2.3 运算参数的计算结果如下： ；； 三、设计内容 3.1电力系统潮流计算和故障分析的原理 3.1.1电力系统潮流计算的原理 电力系统潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，是对复杂电力系统正常和故障条件下稳态运行状态的计算。潮流计算的目标是求取电力系统在给定运行状态的计算，即节点电压和功率分布，用以检查系统各元件是否过负荷。各点电压是否满足要求，功率的分布和分配是否合理以及功率损耗等。对现有的电力系统的运行和扩建，对新的电力系统进行规划设计以及对电力系统进行静态和稳态分析都是以潮流计算为基础。潮流计算结果可用如电力系统稳态研究，安全估计或最优潮流等对潮流计算的模型和方法有直接影响。实际电力系统的潮流技术那主要采用牛顿—拉夫逊法。运行方式管理中，潮流是确定电网运行方式的基本出发点；在规划领域，需要进行潮流分析验证规划方案的合理性；在实时运行环境，调度员潮流提供了多个在预想操作情况下电网的潮流分布以及校验运行可靠性。在电力系统调度运行的多个领域问题是研究电力系统稳态问题的基础和前提。 潮流计算是电力系统分析最基本的计算。除它自身的重要作用之外，潮流计算还是网损计算、静态安全分析、暂态稳定计算、小干扰静态稳定计算、短路计算、静态和动态等值计算的基础。电力系统潮流计算也分为离线计算和在线计算两种，前者主要用于系统规划设计和安排系统的运行方式，后者则用于正在运行系统的经常监视及实时控制。 近20多年来，潮流算法的研究非常活跃，但是大多数研究都是围绕改进牛顿法和P-Q分解法进行的。此外，随着人工智能理论的发展，遗传算法、人工神经网络、模糊算法也逐渐被引入潮流计算。但是，到目前为止这些新的模型和算法还不能取代牛顿法和P-Q分解法的地位。由于电力系统规模的不断扩大，对计算速度的要求不断提高，计算机的并行计算技术也将在潮流计算中得到广泛的应用，成为重要的研究领域。 3.1.2 电力系统故障分析的原理 电力系统稳定性是指当系统在某一正常运行状态下受到某种扰动后，能否经过一定的时间后恢复到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳定运行状态。如果能够回到原来的运行状态或者建立一个新的稳定运行状态，则认为系统在该运行状态下是稳定的。反之，若系统不能够回到原来运行状态或者不能建立一个新的稳定运行状态，则说明系统的状态变量没有一个稳态值，而是随时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。电力系统稳定性被破坏后，将造成大量用户供电中断，甚至导致整个系统的瓦解，后果极为严重。因此，保持电力系统的稳定性，对于电力系统安全可靠运行，具有非常重要的意义。电力系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定：(1)电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。(2)电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。(3)电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。 在电力系统运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障（简称短路）。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。在三相供电系统中，可能发生的主要短路类型有三相短路、二相短路、两相接地短路和单相接地短路，三相短路属对称短路，其余三种为不对称短路。在四种短路故障中，出现单相短路故障的机率最大，三相短路故障的机率最小。发生短路时，由于系统中总阻抗大大减少，因而短路电流可能达到很大数值（几万安至十几万安）。这样大的电流所产生的热效应和机械效应会使电气设备受到破坏；同时短路点的电压降到零，短路点附近的电压也相应地显著降低，使此处的供电系统受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使整个电力系统运行解列，引起严重后果。 3.2潮流计算与分析 3.2.1潮流计算 上述单机无穷大系统在发电机保持不变的条件下的潮流计算如下： ①当保持时 取正号得 ②当保持时 ③当保持时 ④当保持时 3.2.2计算结果分析 由上述计算结果可作出图2功率特性图和图3电势变化特性图。 计算结果说明和的差别是很小的。同时，和在各种计算条件下的差别也是很小的。从的变化可以看到，保持常数的电势不同，调节器的放大系数也不同。 图2 功率特性计算结果 （a） （b） (c) 图3 各电势变化特性 3.2.3暂态稳定定性分析 如图4所示为一正常运行是的简单电力系统及其等值电路，发电机经过变压器和双回路向无限大系统送电。发电机在正常运行、故障以及故障切除后3种状态下的功角特性曲线如图5所示 图4 简单电力系统及其等值电路 a)正常运行方式及其等值电 b）故障情况及其等值电路 c)故障切除后及其等值电路 图5 简单系统正常运行、故障及故障切除后的功率特性 ①正常运行 正常运行时发电机的功率特性曲线为，此时向无穷大系统输送的功率与原动机输出的机械功率相等（假设扰动后保持不变），图5中的a点即正常运行发电机的运行点，此时功角为。 ②故障阶段 发生短路后功率特性立即降为，但由于转子的惯性，转子角度不会立即变化，发电机的运行点由a点突变至b点，输出功率显著减少，而原动机机械功率不变，故产生较大的过剩功率。故障情况愈严重，功率曲线幅值愈低（三相短路时为零），则过剩功率愈大。在过剩转矩的作用下发电机转子将加速，其相对速度（相对于同步转速）和相对角度逐渐增大，使运行点由b点向c点移动。如果故障一直存在，则始终存在过剩转矩，发电机将不断加速，最终与无限大系统失去同步。 ③故障及时切除 实际上，短路故障后继电保护装置将迅速动作切除故障路线。假设在c点时将故障切除，则发电机的功率特性变为，发电机的运行点从c点突然变至e点（同样由于不能突变）。这时，发电机的输出功率比原动机的机械功率大，使转子受到制动，转子速度逐渐减慢。但由于此时的速度已经大于同步转速，所以相对角度还要继续增大。假设制动过程延续到f点时转子转速才回到同步转速，则角不再增大。但是，在f点是不能持续运行的，因为这时机械功率和电磁功率仍不平衡，前者小于后者。转子将继续减速，开始减小，运行点沿功率特性由f点向e、k点转移。在达到k点以前转子一直减速，转子速度低于同步转速。在k点虽然机械功率与电磁功率平衡，但由于这时转子速度低于同步转速，继续减小。但越过k点以后机械功率开始大于电磁功率，转子又加速，因而一直减小到转速恢复同步转速后又开始增大。此后运行点沿着开始第二次振荡。如果振荡过程汇总没有任何能量损耗，则第二次又将增大至f点的对应角度，以后就一直沿着往复不已的振荡。实际上，振荡过程中总有能量损耗，或者说总存在着阻尼作用，因而振荡逐渐衰弱，发电机最后停留在一个新的运行点k上持续运行。K点即故障切除后功率特性与的交点。图6画出了上述振荡过程中负的过剩功率，转子角速度和相对角度随时间变化的情形。图中考虑了阻尼作用。 图6 振荡工程 ④故障切除过晚 如果故障线路切除得过晚，如图7所示。这时在故障线路切除前转子加速已比较严重，因此当故障线路切除后，在到达与图5中相应的f点时转子转速仍大于同步转速。甚至在到达h点时转速还未降至同步转速，因此就将越过h点对应的角度。而当运行点越过h点后，转子又立即承受加速转矩，转速又开始升高，而且加速度越来越大，将不断增大，发电机和无限大系统之间最终失去同步。失步过程如图8所示。 图7 故障切除过晚的情形 图8 失步过程 由上可见，快速切除故障是保证暂态稳定的有效措施。 由以上分析可知，系统暂态稳定与否是和正常运行的情况（决定和大小）以及扰动情况（发生什么故障、何时切除）紧密相关。为了准确判断系统在某个运行方式下受到某种扰动后能否保持暂态稳定，必须通过定量的分析计算。 3.2.4暂态稳定定量分析 ⑴系统转移阻抗和功率特性计算，在图1单机无穷大系统中，当f点发生两相短路时的负序和零序等值网络如图9 a) b)所示 图9 序网及短路时的等值电路图 a)负序网络 b)零序网络 c)短路是的等值电路 两相接地时的短路附加电抗为 短路时的等值电路如图c)所示，系统的转移电抗和功率特性分别为 故障切除后系统的转移电抗和功率特性分别为 系统极限切除角计算 应用等面积定则，可求的极限切除角为 式中，临界角 以上的角度都是用弧度表示的，换算成度数为 根据分段计算法计算极限切除时间 发电机惯性时间常数 取为0.05s， 第一个时间段 第二个时间段 第三个时间段开始瞬间，故障被切除，故 在上述简单系统中，短路故障期间发电机摇摆曲线即转子的运动方程为 ⑴ 这是两个一阶的非线性常微分方程，它们的起始条件是已知的，即 ；； 当计算出故障期间的曲线后，就可由曲线找到与极限切除角相应的极限切除时间。 如果问题是已知切除时间，而需要求出曲线来判断系统的稳定性，则当曲线计算到故障切除时，出于系统参数改变，以致发电机功率特性发生变化，必须开始求解另一组微分方程，即 ⑵ 式⑵的起始条件为 ；； 其中，为给定的切除时间，、为与时刻对应的和，可由故障期间的曲线和曲线求得（和都是不能突变的）。这样，由式⑵可继续求得和随时间变化的曲线。一般讲，在计算几秒钟内的变化过程时，如果始终不超过，而且振荡幅值越来越小，则系统是暂态稳定的。 求解式⑴的微分方程组，得到系统故障期间的曲线如图10所示。从图中可查得对应的极限切除角的极限切除时间为0.2416s。 图10 系统故障期间的曲线 求解式⑵的微分方程组，得到故障切除后系统的曲线如图11所示。从图中可以看出，到0.52s时即开始减少，最大角度为，系统是稳定的。 图11 故障切除后系统的曲线 ⑵在图1单机无穷大系统中，当f点在0.014s发生单相短路时 单相短路时的短路附加电抗为 短路时系统的转移电抗和功率特性分别为 故障切除后系统的转移电抗和功率特性分别为 由于，故无法确定极限切除角。而在故障不切除时，其临界角为 对应的 不切除故障时的面积 即可能的减速面积大于可能的加速面积，系统不切除故障也能保持暂态稳定，故无法也没有必要确定极限切除角。所以断路器在0.14s时故障切除与否，发电机转速都能达到稳定，系统都能保持暂态稳定。 3.3运行结果与分析 3.3.1构建系统仿真模型 图12 电力系统暂态稳定性仿真模型图 3.3.2设置各模块参数 图13 无穷大系统电源模块的参数设置 图14 线路L1、L2的参数设置 图15 断路器模块B1、B2的参数设置 图16 变压器T-1的参数设置 图17 变压器T-2的参数设置 3.3.3仿真结果与分析 开始仿真，得到发电机转速变化曲线如图18所示。潮流计算结果如图20所示。改变断路器模块的设置，使故障后0.55s切除线，得到发电机转速变化曲线如图19所示。 图18 故障0.14s后切除线路，发电机转速变化曲线图 图19 故障0.29s后切除线路，发电机转速变化曲线图 图20 潮流计算结果 从图18和图19的仿真曲线可以看出，当f点发生单相接地短路故障0.126s后切除故障线路时，发电机的转速基本上不随时间变化，趋于稳定值，因此系统是稳定的；当故障后0.55s切除故障线路时（切除时间已大于极限切除时间），发电机的转速随时间的增大而增大，系统是不稳定的。 四、本设计改进建议 1、 对无穷大电压源的设计有待改进。 2、 安装励磁调节器可以提高系统稳定性。 3、对故障信号的提取过程需要进行进一步的研究。比如说故障测距方面。 4、要熟练掌握workspace模块的使用，方便处理仿真输出的各种图形。 五、心得总结 课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升。设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计过程中遇到各种各样的问题，可以说是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。 总体来说，这次的课程设计不单在专业基础方面反映了我的学习还要加倍努力，还在对一些软件的应用需要加强。 六、主要参考文献 [1]于群、曹娜 MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M]. 北京：机械工业出版社，2011. [2]陈珩 电力系统稳态分析（第三版）[M]. 北京：中国电力出版社，2007. [3]李光琦 电力系统暂态分析（第三版）[M]. 北京：中国电力出版社，2007.