電力系統(tǒng)基于pscad的潮流計(jì)算程設(shè)計(jì)正文

1、摘 要電力系統(tǒng)分析是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修課。主要通過(guò)理論和仿真計(jì)算使學(xué)生掌握電力系統(tǒng)三大計(jì)算（電力系統(tǒng)短路計(jì)算、系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算、潮流計(jì)算）的基本方法，深化學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)基本理論和計(jì)算方法的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力和電力系統(tǒng)計(jì)算軟件的應(yīng)用能力。 PSCAD/EMTDC仿真軟件為我們電力系統(tǒng)分析的學(xué)習(xí)提供了一個(gè)有效的工具，可利用該仿真軟件對(duì)電力電子電路進(jìn)行仿真，并以單相交流調(diào)壓電路為例對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，對(duì)提高學(xué)習(xí)質(zhì)量有重要意義。潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)最基本最常用的計(jì)算。根據(jù)系統(tǒng)給定的運(yùn)行條件，網(wǎng)絡(luò)接線及元件參數(shù)，通過(guò)潮流計(jì)算可以確定各母線的電壓幅值和相角，各元件流過(guò)的功率，整個(gè)系統(tǒng)的

2、功率損耗。潮流計(jì)算是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)發(fā)供電的必要手段和重要工作環(huán)節(jié)。因此，潮流計(jì)算在電力系統(tǒng)的規(guī)劃計(jì)算，生產(chǎn)運(yùn)行，調(diào)度管理及科學(xué)計(jì)算中都有著廣泛的應(yīng)用。也就是說(shuō)，對(duì)于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，掌握潮流計(jì)算是非常重要和必要的。關(guān)鍵詞：PSCAD/EMTDC仿真；潮流計(jì)算；單相交流調(diào)壓目 錄摘要1概述1.1電力系統(tǒng)敘述1.2 設(shè)計(jì)目的1.3 設(shè)計(jì)要求2電力系統(tǒng)潮流計(jì)算概述及課題2.1 潮流計(jì)算概述2.2潮流計(jì)算的意義及其發(fā)展2.3課程設(shè)計(jì)題目相關(guān)技術(shù)參數(shù)3 PSCAD仿真軟件簡(jiǎn)介 4課程設(shè)計(jì)的調(diào)試與仿真結(jié)果4.1 系統(tǒng)仿真圖4.2 輸出端顯示圖4.3 仿真波形圖總結(jié)參考文獻(xiàn)致 謝1概述

3、1.1 電力系統(tǒng)敘述 電力工業(yè)發(fā)展初期，電能是直接在用戶附近的發(fā)電站（或稱發(fā)電廠）中生產(chǎn)的，各發(fā)電站孤立運(yùn)行。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市的發(fā)展，電能的需要量迅速增加，而熱能資源和水能資源豐富的地區(qū)又往往遠(yuǎn)離用電比較集中的城市和工礦區(qū)，為了解決這個(gè)矛盾，就需要在動(dòng)力資源豐富的地區(qū)建立大型發(fā)電站，然后將電能遠(yuǎn)距離輸送給電力用戶?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)提出了“靈活交流輸電和新型直流輸電”的概念。靈活交流輸電技術(shù)是指運(yùn)用固態(tài)電子器件與現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)交流電網(wǎng)的電壓、相位角、阻抗、功率以及電路的通斷進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，從而提高高壓輸電線路的訴訟能力和電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)水平。新型直流輸電技術(shù)是指應(yīng)用現(xiàn)電力電子技術(shù)的最新成果，

4、改善和簡(jiǎn)化變流站的造價(jià)等。運(yùn)營(yíng)方式管理中，潮流是確定電網(wǎng)運(yùn)行方式的基本出發(fā)點(diǎn)：在規(guī)劃領(lǐng)域，需要進(jìn)行潮流分析驗(yàn)證規(guī)劃方案的合理性；在實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，調(diào)度員潮流提供了電網(wǎng)在預(yù)想操作預(yù)想下的電網(wǎng)的潮流分布以及校驗(yàn)運(yùn)行的可靠性。在電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的多個(gè)領(lǐng)域都涉及到電網(wǎng)潮流計(jì)算。潮流是確定電力網(wǎng)咯運(yùn)行狀態(tài)的基本因素，潮流問(wèn)題是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的基礎(chǔ)和前提。1.2 設(shè)計(jì)目的掌握電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的基本原理；掌握并能熟練運(yùn)用PSCAD/MATLAB 仿真軟件；采用PSCAD/MATLAB 軟件，做出系統(tǒng)接線圖的潮流計(jì)算仿真結(jié)果。1.3 設(shè)計(jì)要求熟悉PSCAD/MATLAB 軟件；編寫潮流計(jì)算流程圖；建立系統(tǒng)

5、接線圖的仿真過(guò)程；得出仿真結(jié)果。2電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的概述及課題2.1 潮流計(jì)算概述在電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，隨著用電負(fù)荷的變化和系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，網(wǎng)絡(luò)中的損耗也將發(fā)生變化。要嚴(yán)格保證所有的用戶在任何時(shí)刻都有額定的電壓是不可能的，因此系統(tǒng)運(yùn)行中個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓的偏移是不可避免的。為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，要進(jìn)行潮流調(diào)節(jié)。隨著電力系統(tǒng)及在線應(yīng)用的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成，為電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)分析計(jì)算中最基本的內(nèi)容，也是電力系統(tǒng)運(yùn)行及設(shè)計(jì)中必不可少的工具。根據(jù)系統(tǒng)給定的運(yùn)行條件、網(wǎng)絡(luò)接線及元件參數(shù)，通過(guò)潮流計(jì)算可以確定各母線電壓的幅值及相角、各元件中流過(guò)的功

6、率、整個(gè)系統(tǒng)的功率損耗等。潮流計(jì)算是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)發(fā)供電的必要手段和重要工作環(huán)節(jié)，因此潮流計(jì)算在電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度管理及科學(xué)研究中都有著廣泛的應(yīng)用。它的發(fā)展主要圍繞這樣幾個(gè)方面：計(jì)算方法的收斂性、可靠性；計(jì)算速度的快速性；對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量的要求以及計(jì)算的方便、靈活等。常規(guī)的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算中一般具有三種類型的節(jié)點(diǎn)：PQ、PV及平衡節(jié)點(diǎn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)有四個(gè)變量，即注入有功功率、注入無(wú)功功率，電壓大小及相角。常規(guī)的潮流計(jì)算一般給定其中的二個(gè)變量：PQ節(jié)點(diǎn)（注入有功功率及無(wú)功功率），PV節(jié)點(diǎn)（注入有功功率及電壓的大?。胶夤?jié)點(diǎn)（電壓的大小及相角）。變量的分類：負(fù)荷消耗的有功、無(wú)功

7、功率、；電源發(fā)出的有功、無(wú)功功率、；母線或節(jié)點(diǎn)的電壓大小和相位、 、。在這十二個(gè)變量中，負(fù)荷消耗的有功和無(wú)功功率無(wú)法控制，因它們?nèi)Q于用戶，它們就稱為不可控變量或是擾動(dòng)變量。電源發(fā)出的有功無(wú)功功率是可以控制的自變量，因此它們就稱為控制變量。母線或節(jié)點(diǎn)電壓的大小和相位角是受控制變量控制的因變量。其中, 、主要受、的控制, 、主要受、的控制。這四個(gè)變量就是簡(jiǎn)單系統(tǒng)的狀態(tài)變量。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行必須滿足以下的約束條件：對(duì)控制變量有；對(duì)沒(méi)有電源的節(jié)點(diǎn)則為； 對(duì)狀態(tài)變量的約束條件則是； 對(duì)某些狀態(tài)變量還有如下的約束條件為 。節(jié)點(diǎn)的分類： 第一類稱PQ節(jié)點(diǎn)。等值負(fù)荷功率、和等值電源功率、是給定的，從而

8、注入功率、是給定的，待求的則是節(jié)點(diǎn)電壓的大小和相位角。屬于這類節(jié)點(diǎn)的有按給定有功、無(wú)功率發(fā)電的發(fā)電廠母線和沒(méi)有其他電源的變電所母線。 第二類稱PV節(jié)點(diǎn)。等值負(fù)荷和等值電源的有功功率、是給定的，從而注入有功功率是給定的。等值負(fù)荷的無(wú)功功率和節(jié)點(diǎn)電壓的大小 也是給定的。待求的則是等值電源的無(wú)功功率，從而注入無(wú)功功率和節(jié)點(diǎn)電壓的相位角。有一定無(wú)功功率儲(chǔ)備的發(fā)電廠和有一定無(wú)功功率電源的變電所母線都可以作為PV節(jié)點(diǎn)； 第三類平衡節(jié)點(diǎn)。潮流計(jì)算時(shí)一般只設(shè)一個(gè)平衡節(jié)點(diǎn)。等值負(fù)荷功率、是給定的，節(jié)點(diǎn)電壓的大小和相位也是給定的。擔(dān)負(fù)調(diào)整系統(tǒng)頻率任務(wù)的發(fā)電廠母線往往被選作為平衡節(jié)點(diǎn)。2.2潮流計(jì)算的意義及其發(fā)展電

9、力系統(tǒng)潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計(jì)算，是對(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)正常和故障條件下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算。潮流計(jì)算的目標(biāo)是求取電力系統(tǒng)在給定運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算，即節(jié)點(diǎn)電壓和功率分布，用以檢查系統(tǒng)各元件是否過(guò)負(fù)荷。各點(diǎn)電壓是否滿足要求，功率的分布和分配是否合理以及功率損耗等。對(duì)現(xiàn)有的電力系統(tǒng)的運(yùn)行和擴(kuò)建，對(duì)新的電力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)以及對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析都是以潮流計(jì)算為基礎(chǔ)。潮流計(jì)算結(jié)果可用如電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)研究，安全估計(jì)或最優(yōu)潮流等對(duì)潮流計(jì)算的模型和方法有直接影響。實(shí)際電力系統(tǒng)的潮流技術(shù)那主要采用牛頓拉夫遜法。運(yùn)行方式管理中，潮流是確定電網(wǎng)運(yùn)行方式的基本出發(fā)點(diǎn)；在規(guī)劃領(lǐng)域，需要進(jìn)行潮流分析驗(yàn)證規(guī)劃

10、方案的合理性；在實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境，調(diào)度員潮流提供了多個(gè)在預(yù)想操作情況下電網(wǎng)的潮流分布以及校驗(yàn)運(yùn)行可靠性。在電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的多個(gè)領(lǐng)域問(wèn)題是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的基礎(chǔ)和前提。在用數(shù)字見(jiàn)算計(jì)算機(jī)解電力系統(tǒng)潮流問(wèn)題的開(kāi)始階段，普遍采取以節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)的逐次代入法。這個(gè)方法的原理比較簡(jiǎn)單，要求的數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)存量比較差下，適應(yīng)50年代電子計(jì)算機(jī)制造水平和當(dāng)時(shí)電力系統(tǒng)理論水平，但它的收斂性較差，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模變大時(shí)，迭代次數(shù)急劇上升，在計(jì)算中往往出現(xiàn)迭代不收斂的情況。這就迫使電力系統(tǒng)的計(jì)算人員轉(zhuǎn)向以阻抗矩陣為基礎(chǔ)的逐次代入法。阻抗法改善了系統(tǒng)潮流計(jì)算問(wèn)題的收斂性，解決了導(dǎo)納無(wú)法求解的一些系統(tǒng)的潮流計(jì)算，在60

11、年代獲得了廣泛的應(yīng)用，阻抗法德主要缺點(diǎn)是占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存大，每次迭代的計(jì)算量大。當(dāng)系統(tǒng)不斷擴(kuò)大時(shí)，這些缺點(diǎn)就更加突出，為了克服這些缺點(diǎn)，60年代中期發(fā)展了以阻抗矩陣為基礎(chǔ)的分塊阻抗法。這個(gè)方法把一個(gè)大系統(tǒng)分割為幾個(gè)小的地區(qū)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)只需要存儲(chǔ)各個(gè)地區(qū)系統(tǒng)的阻抗矩陣及它們之間聯(lián)絡(luò)的阻抗，這樣不僅大幅度的節(jié)省了內(nèi)存容量，同時(shí)也提高了計(jì)算速度?？朔杩狗ㄈ秉c(diǎn)是另一個(gè)途徑是采用牛頓-拉夫遜法。這是數(shù)學(xué)中解決非線性方程式的典型方法，有較好的收斂性。在解決電力系統(tǒng)潮流計(jì)算問(wèn)題時(shí)，是以導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)的，因此，只要我們能在迭代過(guò)程中盡可能保持方程式系數(shù)矩陣的稀疏性，就可以大大提高牛頓法潮流程序的效率。自從

12、60年代中期，牛頓法中利用了最佳順序消去法以后，牛頓法在收斂性。內(nèi)存要求。速度方面都超過(guò)了阻抗法，成為了60年代末期以后廣泛采用的優(yōu)秀方法。2.3 課程設(shè)計(jì)題目相關(guān)技術(shù)參數(shù) 基準(zhǔn)值取SB=100MVA，UB=230kV，系統(tǒng)頻率為50Hz。發(fā)電機(jī)參數(shù)：G1：247.5MVA，16.5kV，功率因數(shù)為1，水輪機(jī)組（Salient-Pole）。G2：192MVA，18kV，功率因數(shù)為0.85，汽輪機(jī)組（Round-Rotor）。G3：128MVA，13.8kV，功率因數(shù)為0.85，汽輪機(jī)組（Round-Rotor）。變壓器參數(shù)：發(fā)電機(jī)和變壓器容量應(yīng)輸入100MVA。T1：16.5/230kV，XT

13、=0.0576；T2：18/230kV，XT=0.0625；T3：13.8/230kV，XT=0.0586線路參數(shù)：Line1：Z=0.01+j0.085，B/2=j0.088；Line2：Z=0.032+j0.161，B/2=j0.153；Line3：Z=0.017+j0.092，B/2=j0.079；Line4：Z=0.039+j0.17，B/2=j0.179；Line5：Z=0.0085+j0.072，B/2=j0.0745；Line6：Z=0.0119+j0.1008，B/2=j0.1045；負(fù)荷參數(shù)：Lump A：125+j50MVALump B：90+j30MVALump C：10

14、0+j35MVA在圖2.1所示的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)接線圖中，將發(fā)電機(jī)G1 設(shè)為系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)（Slack），設(shè)置電壓幅值為1.04pu，電壓參考相角為0；將G2 和G3 設(shè)為PV 節(jié)點(diǎn)，分別設(shè)置有功出力為1.63pu 和0.85pu，設(shè)置電壓幅值都為 1.025pu。收斂系數(shù)0.00001。電路圖如圖所示。圖2.1 WSCC 三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)3 PSCAD仿真軟件簡(jiǎn)介PSCAD是一種有效的用戶圖形界面,能夠顯著地提高電力系統(tǒng)電磁瞬時(shí)模擬研究的效率。 利用PSCAD 家族的軟件工具,使得電力系統(tǒng)工程師能夠充分利用現(xiàn)代微機(jī)工作站的資源, 更為有效地使用馬尼托巴高壓直流研究中心的EMTDC 瞬時(shí)模擬軟件。該

15、族軟件還可作為該中心的實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器(RTDS)的用戶界面。 PSCAD 由下述軟件模塊構(gòu)成: 檔管理系統(tǒng)、建模(DRAFT)模塊 、架空線(T-LINE)和電纜(CABLE)模塊 、運(yùn)行(RUN TIME)模塊 、單曲線繪圖(UNIPLOT)和多曲線繪圖(MULTIPLOT)模塊 PSCAD 編寫使其適合在基于UNIX操作系統(tǒng)并具有X 窗口環(huán)境的微機(jī)工作站上運(yùn)行。PSCAD 具備自己的軟件支持因而不需要用戶再安裝其他支持軟件。 建議使用的系統(tǒng)至少應(yīng)具備16MB的內(nèi)部RAM。 安裝的PSCAD 軟件需占用不到10MB的磁盤存儲(chǔ)空間。軟件同時(shí)支持單色和彩色監(jiān)視器。如果要運(yùn)行EMTDC 模擬軟件,

16、 用戶應(yīng)提供FORTRAN 77(F77) 編譯器。硬拷貝輸出采用PS格式。建模模塊中的圖形可通過(guò)接受HP-GL 命令的繪圖儀輸出。 PSCAD代表電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，PSCAD的開(kāi)發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。PSCAD V1 1988年首先在阿波羅工作站上使用，然后大約在1995年P(guān)SCAD V2開(kāi)始應(yīng)用。PSCAD V3以PC Windows作為平臺(tái)，在1999年面世。目前最新版本的是PSCAD V4.2.1。 用戶可以通過(guò)調(diào)用隨EMTDC 主程序一起提供

17、的庫(kù)程序模塊或利用用戶自己開(kāi)發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)。EMTDC 的威力之一是可以較為簡(jiǎn)單地模擬復(fù)雜電力系統(tǒng), 包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)。所以PSCAD是電力專業(yè)十分有用的仿真軟件，我們組的課題系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)較多，傳統(tǒng)的手工計(jì)算顯然不切實(shí)際，于是利用PSCAD仿真運(yùn)行出結(jié)果就成了本次課程設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。4 課程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)仿真總圖與仿真波形圖4.1 系統(tǒng)仿真圖系統(tǒng)PSCAD仿真總接線圖如下圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)仿真圖4.2 輸出端顯示圖輸出端顯示如圖4.2所示，點(diǎn)擊最右邊放大圖標(biāo)可以查看各節(jié)點(diǎn)參數(shù)分布情況。圖4.2 輸出端顯示圖4.3 仿真波形

18、圖下面幾張圖分別為母線5上的有功功率分布（圖4.3和圖4.4），母線6上的無(wú)功功率分布（圖4.5和圖4.6）。圖4.3 母線5上有功功率分布圖4.4母線上5上有功功率分布圖4.5 母線上6上無(wú)功功率分布圖4.6 母線上6上無(wú)功功率分布總 結(jié)潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計(jì)算，它的任務(wù)是對(duì)給定的運(yùn)行條件確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如各母線上的電壓（幅值及其相角）、網(wǎng)絡(luò)中的功率分布及功率損耗等。潮流計(jì)算的已知條件通常是電源點(diǎn)的電壓和負(fù)荷點(diǎn)的功率，待求的是電源點(diǎn)以外的各節(jié)點(diǎn)電壓和功率分布?？梢圆捎弥鸩奖平姆椒?，將每一輪的計(jì)算分兩個(gè)步驟進(jìn)行：第一步，從負(fù)荷點(diǎn)開(kāi)始，逆著功率傳送的方向，計(jì)算各支路的功率損耗和功率分布；第二步，從電源點(diǎn)開(kāi)始，順著功率傳送的方向，計(jì)算各支路的電壓降落（或電壓損耗）。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我重新溫習(xí)了之前課本的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)課本上的知識(shí)有了更深層次的理解