故障状态下电力系统暂态稳定性研究毕业设计说明书(编辑修改稿)

故障状态下电力系统暂态稳定性研究毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

单机 — 无穷大暂态稳定仿真分析 电力系统稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动后能否保持发电机间同步运行的问题，根据扰动大小所确定的稳态问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。 所谓电力系统静态稳定性，一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。 电力系统的暂态稳定是指电力系 统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。 这里所谓的大干扰，是相对于小干扰而言的。 如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。 反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定 [6]。 复杂电力系统暂态稳定性分析 引起电力系统大扰动的原因主要有下列几种： 1) 负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等； 2) 切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等； 3) 发生短路故障。 其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。 而且短路故障中，单相接地短路故障最多。 在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。 在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。 当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时，一些物理量 (如电容电压，电感电流等 )并不会突变，而是需要一定时间。 在这期间，电路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。 分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。 MATLAB 提供了常微分方程初值问题的数值解法，对于稳态一般用快速而准确的 ode45 函数，对于暂态一般用 ode23 函数。 也可采用自适应变不长的求解方法，即当解的变化较快时，步长会自动的变小，从而提高计算精度。 单机 — 无穷大系统原理 电力系统运行稳定分析中，常采用的模型是单机对无穷大系统 (SIMB)，单机 — 无穷大系统认为功率无穷大，频率 恒定，电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统吉林化工学院毕业设计说明书 5 模拟仿真最简单、最基本的的运行方式，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程。 无输电线的单机 — 无穷大系统 原理 图 如 21 所示： 图 21 无输电线的单机 — 无穷大系统 原理 图 假定联络阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出去的有功功率的 P为： P sinm UZE   (21) 式中 Z — 包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗。 其中 — 功角； mE — 发电机电势； U — 系统母线电压。 假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路。 0=tT 时刻切除故障，可以将采用仿真来观察发电机运行情况。 在我国，目前仍然以三相短路作为考核暂态稳定的扰动模式之一。 因此在以下的仿真中采用的故障形式为短路故障为主，考虑到 PSS(Power System Stabilizer 属于 Simulink下 SimPowerSystem库的 machines分支下的模块 )作为励磁系统的一个子模块，它的输出时励磁输入信号的一种，通过 OnOff 开关控制投退。 专门 为抑制低频振荡而研究的 一种附加励磁控制技术。 它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。 用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。 它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。 结论 PSS 能有效改善阻尼低频振荡，是提高电力系统小信号稳定成本最低、收效最大的方法。 因此短路故障仿真和 PSS 模块的应用结合是研究电力系统稳定的重要 手段。 故障状态下电力系统暂态稳定性研究 6 第 3 章 电力系统稳定器数学模型及仿真 20 世纪 70 年代发展起来的电力系统稳定器是科学技术上的一项突破，对于世界上各国大型电力系统的运行，产生了重大的影响，在研究方法上也给予人们重要的启示。 它的出现不是完全依靠理论及数学上的方法构造或设计出来的，而是在人们长期的工程实践中，根据对于物理过程的深刻理解，结合控制理论及电子技术发展起来的。 可以说，它是理论与实践相互结合的一个范例 [7]。 由于励磁调节器、励磁系统及发电机磁场绕组的相位滞后特性，使电压调节器产生了相位滞后于功角并与转速变化反相位的负阻尼转 矩，这就是电压调节过分灵敏时产生振荡的原因。 这样，在励磁系统中采用某个附加信号，经过相位补偿，使其产生正阻尼转矩的想法就自然产生了。 将这个想法用硬件加以实现，就构成了电力系统稳定器。 本章通过以海佛容一飞利蒲斯 (Heffron— Philips)模型为依据，分析了发电机同步转矩及阻尼转矩，确定了励磁控制系统的作用可以等效为提供了附加的阻尼及同步转矩，而系统的机电振荡频率主要是由发电机转子机械惯性环节决定的。 这样，根据一定性能指标就可以计算出稳定器应该补偿的角度及稳定器的参数。 本章将由数学模型人手，介绍有 关电力系统稳定器的基本原理、分析及设计方法。 电力系统低频振荡的简化模型 (HeffronPhilips 模型 ) 下图 31 所示为单机 — 无穷大系统： GtU Ulx~ 图 31 单机 — 无穷大系统 在上图中所示的单机 — 无穷大系统中，如果略去同步电机的定子电阻、定子电流的直流分量 (即认为 0dqdddt dt)，以及阻尼绕组的作用，并且认为在小扰动过程中，发电机的转速变化很小，可以略去，则派克方程将具有下述形式 ： td q q qu x i  (31) tq q d du E x i (32) 39。 39。 ()q q d d dE E x x i   (33) 吉林化工学院毕业设计说明书 7 039。 1 ()39。 qfd qddE EEd t T (34) 另外，电抗 qx 后的假想电动势 qE 为： 39。 ( 39。 )Q t q q d q q d dE u x i E x x i     (35) 发电机的电磁转矩为： ( ) ( )e t d d t q q q Q d d d d q q QM u i u i i E x i i x i i E      (36) 如果将外电抗 lx 看作是发电机漏 抗的一部分，则可得： 1c o s 39。 ( 39。 )q d dU E x x i    (37) 1sin ( )qqU i x x  (38) 由 (37)、 (38)可解得： 1( 39。 c o s ) / ( 39。 )d q di E U x x   (39) 1sin / ( )qqi U x x (310) 这样，发电机的基本方程式集中在一起： td q qu xi (311) 39。 39。 tq Q q d q d du E x i E x i    (312) 39。 ( 39。 )q Q q d dE E x x i   (313) 039。 1 ()39。 qfd qddE EEd t T (314) e q QM i E (315) 故障状态下电力系统暂态稳定性研究 8 1 ()mejd MMd t T  (316) 0ddt  (317) 另外还有下述辅助方程： 2 2 2t td tqU u u (318) 1( 39。 c o s ) / ( 39。 )d q di E U x x   (319) 1sin / ( )qqi U x x (320) 39。 ( 39。 )Q t q q d q q d dE u x i E x x i     (321) 在上面的方程式中， mM 、 eM 、  以标幺值表示， t 以秒表示， JT 以秒表示，  以弧度表示。 如果发电机 正常运转时遭到干扰，各状态量均产生偏差，各状态偏差 eM 、39。 qE 及 tU 表示如下[8]： 1 00 0 0 01 1 139。 c o s39。 ( s i n )q q de q q q Qd d qx x x x UM i E i U Ex x x x x x       (322) 上也可写成： 12 39。 eqM K K E     (323) 其中： 01 0 0 01139。 c o ss i nqdqQdqxx UK i U Ex x x x (324) 1201q qdxxKixx  (325) 3 3 40 3 0 339。 1 39。 1 39。 q f dddK K KEET K s T K s      (326) 吉林化工学院毕业设计说明书 9 其中： 13139。 ddxxK xx  (327) 401 39。 sindddxxKUxx   (328) 000 1000 1 0 1 0 139。 ( c o s s i n ) 39。 39。 39。 q t q t qt d dtqt q t d t dx u uux xU U U EU x x U x x U x x         5639。 qK K E    (329) 其中： 005 0 00 1 0 139。 = c o s s i n39。 q t qt d dt q t dxuuxK U UU x x U x x (330) 0 160139。 tqtdu xK U x x  (331) 上述式子组成了同步电机数学模型如图 32所示： 图 32 同步电机数学模型 故障状态下电力系统暂态稳定性研究 10 上述各式中的下脚标 0 表示初始稳态， dX 为同步发电机直轴同步电抗， 39。 dX 为同步发电机的直轴暂态电抗 , qX 为同步发电机交轴同步电抗。 ldU 的表达式为 ： ld q qU I X (332) 上述式中的 lX 为升压变压器电抗与线路电抗之和，上述式中下标 0 表示稳态初始值；式中 1K 、 2K 分别为发电机的外功角和暂态电势对电磁转矩的影响；31K 、 4K 分别为外功角和暂态电势的变化对 q 轴电势的影响；而 5K 、 6K 分别为外功角和 q 轴暂态电势的变化对机端电压的影响 [9]。 由于 5K 反映的是发 电机转子在同步小振荡时功角的变化对发电机定子电压的影响，而定子电压偏差通常是励磁调节器电压反馈调节的主要依据，通过它可将励磁调节问题和转子的摆动联系起来。 另外，发电机的功角通过 4K 和 5K 对 q 轴的暂态电势产生影响，并由此影响发电机的电磁转矩，但由于电磁惯性的存在，产生的电磁转矩的变化将滞后于功角的变化，这正是产生负阻尼的原因。 为了便于分析问题，我们仅考虑图 32 中的电磁环节，励磁控制系统对发电机电磁功率的影响， 即转子角度偏差产生电压偏差引起的电压调节器作用所产生的功率分量，得到图 33 所示： 图 33 转矩 2eM 与电动势 39。 qE 间传递函数框图 整个励磁系统开环传递函数可表示为： 吉林化工学院毕业设计说明书 11 2 2 3 4 563()1eeeM K G K K GK G G (333) 3330139。 dKG K T s  (334) 1fd Ae tEE KG U T s (335) 将 3G 、 eG 代入上式得： 2 3 4。