电力系统暂态稳定性仿真研究本科生毕业设计(论文)(编辑修改稿)

电力系统暂态稳定性仿真研究本科生毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

过程交织在一起的复杂过程。 精确地确定所有电磁参数和机械运动参数在暂态过程中的变化是很困难的，对于解决一般的工程实际问题往往也是不必要的。 通常，暂态稳定分析计算的目的在于确定系统在给定的大扰动下发电机能否继续保持同步运行。 因此，只需要研究表征发电机是否同步运行的转子运动特性，即功角  随时间变化特性便可以了。 据此，我们找出暂态过程中对转子机械运动其主要影响的因素，在分析计算中加以考虑，而对于影响不大的因素，则予以忽略或作近似考虑。 所以做出以下基本假设： （ 1）忽略发电机定子电流的非周期分量和与它相对应的转子电流的周期分量 我们知道，在大扰动，特别是发生短路故障时，定子非周期分量电流将在定子回路电阻中产生有功损耗，增加发电机转轴上的电磁功率，在某些情况下（在发电机空载或轻载时），附加了非周期分量电流的损耗后，可能使发电机的电磁功率大于原动机的功率，从而使发电机产生减速运动。 然而，一方面由于 定子非周期分量电流衰减时间常数很小，通常只有百分之几秒，另一方面，定子非周期分量电流产生的磁场在空间是静止不动的，它与转子绕组直流（包括自由电流）所产生的转矩以同步频率作周期变化，其平均值很小，由于转子机械惯性较大，因而对转子整体相对运动影响很小。 采用这个假设后，发电机定、转子绕组的电流、系统的电压及发电机的电磁功率等，在大扰动的瞬间均可以突变。 同时，这一假定也意味着忽略电力网络中各元件的电磁暂态过程。 （ 2）发生不对称故障时，不计零序和负序电流对转子运动的影响 7 对于零序电流来说，一方面，由于联接发电机的 升压变压器绝大多数采用三角形 星形接法，发电机都接在三角形侧，如果故障发生在高压网络中（大多数是这样），则零序电流并不通过发电机；另一方面，即使发电机流通零序电流，由于定子三相绕组在空间对称分布，零序电流所产生的合成气隙磁场为零，对转子运动也没有影响。 负序电流在气隙中产生的合成电枢反应磁场，其旋转方向与转子旋转方向相反。 它与转子绕组直流电流相互作用，所产生的转矩，是以近两倍同步频率交变的转矩，其平均值接近于零，对转子运动的总趋势影响很小。 加之转子机械惯性较大，所以，对转子运动的瞬时速度的影响也不大。 不计 零序和负序电流的影响，就大大地简化了不对称故障时暂态稳定的计算。 此时，发电机输出的电磁功率，仅由正序分量确定。 不对称故障时网络中正序分量的计算，可以应用正序等效定则和复合序网。 故障时确定正序分量的等值电路与正常运行时的等值电路不同之处，仅在于故障处接入由故障类型确定的故障附加阻抗Z . 应该指出，由于 Z 与负序及零序参数有关，故障时正序电流、电压及功 率，除与正序参数有关外，也与负序及零序有关。 所以，网络的负序及零序参数，也影响系统的暂态稳定。 （ 3）忽略暂态过程中发电机的附加损耗 这些附加损耗对转子的加速运动有一定的制动作用，但其数值不大，忽略它们使计算结果略偏保守。 （ 4）不考虑频率变化对系统参数的影响 在一般暂态过程中，发电机的转速偏离同步转速不多，可以不考虑频率变化对系统参数的影响，各元件参数值都按额定频率计算。 大扰动后发电机转子的相对运动 在正常运行情况下，若原动机输入功率为 0PPT （在图 21 中用一横线表示） , 发电机的工作点位点 a ，与此对应的功角为 0。 短路瞬间，发电机的工作点应在短路时的功率特性 P 上。 由于转子具有惯性，功角不能突变，发电机输出的电磁功率（即工作点）应由 P 上对应于 0 的点 b 确定，设其值为 )0(P。 这时原动机的功率 TP 仍保持不变，于是出现了过剩功率)0(0)0( PPPPP eT  0，它是加速性的。 8 图 21 转子相对运动及面积定则 在加速性的过剩功率作用下，发电机获得加速，使其相对速度 N  0，于是功角  开始增大。 发电机的工作点将沿着 P 由 b 向 c 移动。 在变动过程中，随着  的增大，发电机的电磁功率也增大，过剩功率则减小，但过剩功率仍是加速性的，所以，  不断增大（见图 21）。 如果在功角为 C 时，故障线路被切除，在切 除瞬间，由于功角不能突变，发电机的工作点便转移到 P 上对应于 C 的点 d。 此时，发电机的电磁功率大于原动机的功率，过剩功率 eTa PPP  0，变成减速性的了。 在此过剩功率作用下，发电机转速开始降低，虽然 相对速度  开始减小，但她仍大于零，因此功角继续增大，工作点将沿 P 由 d 向 f 变动。 发电机则一直受到减速作用而不断减速。 如果达到点 f 时，发电机恢复到同步速动，即  =0，则功角  抵达它的最大值max。 虽然此时发电机恢复了同步，但由于功率平衡尚未恢复，所以不能在点 f 确立同步运行的稳态。 发电机在减速 性不平衡转矩的作用下，转速继续下降而低于同步速度，相对速度改变符号，即  0，于是功角  开始减小，发电机工作点将沿 P 9 由点 f 向点 d 、 s 变动。 以后的过程，如果不计能量损失，工作点将沿 P 曲线在点 f 和点 h 之间来回变动，与此相对应，功角将在 max 和 min 之间变动（见图 21 虚线）。 考虑到过程中的能量损耗，震荡将逐渐衰减，最后在点 s 上稳定地运行。 也就是说，系统在上述大扰动下保持了暂态稳定性。 等面积定则 当不考虑震荡中的能量损耗时，可以在功角特性上，根据等面积定则确定最大摇摆角 max ，并判断系统稳定性。 从前面的分析可知，在功角由 0 变到 c 的过程中，原动机输入的能量大于发电机输出的能量，多余的能量将使发电机转速升高并转化为转子的能量而存在于转子中；而当功角由 C 变到 max 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而释放的动能转化为电磁能来补充。 转子由 0 到 c 移动时，过剩转矩所做的功为   dPdMW cc aaa   00 （ 21） 用标幺值计算时，因发电机转速偏离同步速度不大， 1 ，于是     dPPdPW C Taa   0m a x0 （ 22） 公式（ 22）右边的积分，代表 P 平面上的积分，对于图的情况为画着阴影的面积 abceA。 在不计能量损失时，加速期间过剩转矩所作的功，将全部转化为转子动能。 在标幺值 计算中，可以认为转子在加速过程中获得的动能增量就等于面积 abceA。 这块面积称为加速面积。 当转子由 c 变动到 max 时，转子动能增量为     dPPdPdMW ccc Taab   m a xm a xm a x （ 23） 由于 aP 0，公式（ 23）积分为负值。 也就是说，动能增量为负值，这意味着转子储存的动能减小了，即转速下降了，减速过程中动能增量所对应的面积称为减速面积， edfgA 就是减速面积。 显然，当满足     0m a x0      dPPdPPWW cc TTba （ 24） 的条件时，动能增量为零，即短路后得到加速使其转速高于同步速的发电机重新恢复了同步。 应用这个条件，并将 0PPT ，以及 P 和 P 的表达式代入，便可求得 max。 式 (24)也可写成 10 edfgabce AA  （ 25） 即加速面积和减速面积大小相等，这就是等面积定则。 同理，根据等面积定则，可以确定摇摆的最小角度 min ，即     0m i nm a x      dPPdPP ss TT （ 26） 由图 21 可以看到，在给定的计算条件下，当切除角 c 一定时，有一个最大可能的减速面积 esdfA。 如果这块面积的数值比加速面积 abceA 小，发电机将失去同步。 因为在这种情况下，当功角增至临界角 cr 时，转子在加速过曾中所增加的动能未完全耗尽，发电机转速仍高于同步速度，功角继续增大而越过点 s ，过剩功 率变成加速性的了，使发电机继续加速而失去同步。 显然，最大可能的减速面积大于加速面积，是保持暂态稳定的条件。 极限切除角 当最大可能的减速面积小于加速面积时，如果减小切除角 c ，由图 22 可知，这既减小了加速面积，又增大了最大可能减速面积。 这就有可能使原来不能保持暂态稳定的系统变成能保持暂态稳定了。 如果在某一切除角时，最大可能的减速面积与加速面积大小相等，则系统将处于稳定的极限情况，大于这个角度切除故障，系统将失去稳 定。 这个角度称为极限切除角 limc。 P P mP d P P a e TP mP P b c 0 0 limc cr  图 22 极限切除角的确定 由图 22 可得        crcc dPPdPP mm   l i ml i m0 0s i ns i n 00 （ 27） 求出公式（ 27）的积分并经整理后可得 11    mmmcrmcrc PP PPP 000l i m c o sc o sa r c c o s  （ 28） 式中所有的角度都是用弧度表示的。 临界角  mcr PP0arc s in （ 29） 为了判断系统的暂态稳定性，还 必须知道转子抵达极限切除角所用的时间，即所谓切除故障的极限允许时间（简称为极限切除时间 limct ）。 为此，可通过求解故障时发电机转子运动方程来确定功角随时间变化的特性 t ，如图 23 所示。  limc c 0 ct limct t 图 23 极限切除时间的确定 当已知切除角 c 时，可以由 t 曲线上找出对应的继电保护和断路器切除故障的时间 ct。 比较 c 与由面积定则确定的极限切除角 limc ，若 c limc ,系统是暂态稳定的，反之则不稳定。 也可以比较时间，由面积定则确定的极限切除角 limc ，在 t 上求出相对应的极限切除时间 ct limct ,系统是暂态稳定的，反之是不稳定的。 12 3 电力系统暂态稳定的研究方法 分析电力系统暂态稳定的线性方法 分析电力系统暂态稳定的线性方法主要有三类，即：时域仿真法（也称为逐步积分法）、直接法、人工智能法。 此外，不少学者将小波变换用于电力系统暂态稳定分析，并取得了一定成果。 目前，在电力系统中取得实际应用的暂态稳定分析方法主要有两类，即时域仿真法和直接 法。 下面简单介绍其中几种。 （ 1）时域仿真判定法 时域仿真法是利用某种数值解法，以系统的潮流解为计算初值，对电力系统的机电暂态过程进行数值仿真，然后根据仿真结果来分析在指定扰动下的系统的暂态稳定性。 时域法是将电力系统各元件模型根据元件拓扑关系形成全系统模型，这是一组联立的微分方程组和代数方程组，然后以稳态工况或潮流解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电机功角值大于某一特定阀值来判别系统能否在大扰动后维持暂态稳定运行。 它是求解电力系统稳定性问题的主要方法。 时域仿真 法具有数学模型详尽、能提供系统状态变量随时间相应的特点，所以适应于各种复杂模型和各种复杂扰动方式，但是计算量大、耗费机时、不适应于实时稳定控制，并且不能提供系统稳定程度的信息。 为了弥补以上的缺点，现今正在研究一种超快速的时域仿真法，即借助于新的计算硬件包括并行处理机的方法。 此法在计算方法上要求并行发电机方程、控制器方程及网络方程，对中等规。