電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真研究開題報告

目錄 159731電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述 1320621.1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定及其意義 1130721.2國外研究現(xiàn)狀及開展趨勢 142131.3國內(nèi)開展研究的現(xiàn)狀 2148242電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內(nèi)容和方法 4322812.1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內(nèi)容 480932.2研究方法 486352.3提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的方法 552672.4研究設(shè)計的內(nèi)容 622743電力系統(tǒng)常用仿真簡介 8235863.1常用的電力系統(tǒng)仿真軟件 8199113.2MATLAB簡介 87293.3MATLAB保存圖形 984684基于SIMULINK的單機無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性仿真 10152985時間安排表 1117028參考文獻(xiàn) 121電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述1.1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定及其意義 對于某一特定的穩(wěn)定運行狀態(tài)，以及對于某一特定的擾動，如果在擾動后系統(tǒng)可以到達(dá)一個可以接受的穩(wěn)定運行狀態(tài)，那么對此初始狀態(tài)及此擾動而言，稱之為暫態(tài)穩(wěn)定。電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，一方面它必須時刻保證必要的電能質(zhì)量及數(shù)量；另一方面它又處于不斷的擾動之中，擾動發(fā)生的時間、地點、類型、嚴(yán)重性均有隨機性，擾動發(fā)生后的系統(tǒng)動態(tài)過程中一旦發(fā)生穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)可能在幾秒內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重后果，造成極大的經(jīng)濟損失和社會影響。電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的主要目的是檢查系統(tǒng)在大的擾動下〔如故障、切機、切負(fù)荷、重合閘操作等情況〕，各發(fā)電機組間能否保持同步運行，如果能同步運行，并具有可接受的頻率和電壓水平，那么稱此電力系統(tǒng)在這一大擾動下是暫態(tài)穩(wěn)定的。在電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、運行等工作中都要進(jìn)行大量的暫態(tài)分析。通過暫態(tài)分析還可以考察和研究各種穩(wěn)定措施的效果以及穩(wěn)定控制的性能，因此通過仿真來驗證所求結(jié)果是否正確，即電力系統(tǒng)在某一狀態(tài)時是否是穩(wěn)定的具有重要意義。 電力線系統(tǒng)穩(wěn)定的破壞，往往會導(dǎo)致系統(tǒng)的解列和崩潰，造成大面積停電，所以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定是電力系統(tǒng)平安運行的必要條件。判定電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性主要是在大擾動下檢查系統(tǒng)中各發(fā)電機組間能否保持同步運行水平，并具有可以接受的電壓和頻率水平。對這項工作已深入多年，并在離線計算中有成熟的算法取得了良好的成果。然而，隨著電力市場化和區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的不斷推進(jìn)，電網(wǎng)運行狀態(tài)越發(fā)復(fù)雜多變且接近其極限水平，同時，近年來國內(nèi)外時有發(fā)生由于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性缺乏且對策緩慢引起的大停電事故，造成了經(jīng)濟上的巨大損失，這些都提示著我們提高對電網(wǎng)穩(wěn)定性分析的重視。只有更快速更準(zhǔn)確地對系統(tǒng)處于的穩(wěn)定水平進(jìn)行判斷，找到穩(wěn)定性遭到威脅的環(huán)節(jié)才能進(jìn)而有效地采取措施改善系統(tǒng)運行狀態(tài)。為此，進(jìn)一步深入研究改良原有暫態(tài)穩(wěn)定分析方法，開拓新的創(chuàng)造性的方法，解決其在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用的難題，仍然是我們面對的重要課題。1.2國外研究現(xiàn)狀及開展趨勢隨著社會的進(jìn)步和科技的開展，近年來世界各地也出現(xiàn)了一些大的電力系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常具有范圍廣、強非線性的特點。隨著電力市場化和區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的不斷推進(jìn)，電網(wǎng)運行狀態(tài)越發(fā)復(fù)雜多變且接近其極限水平,在運行中，由于某種破壞性的原因，有時會引起電力系統(tǒng)崩潰的問題，如發(fā)生在2003年8月14日的美加大停電，2021年7月30日的印度電網(wǎng)大停電。這都給我國的電網(wǎng)的運行帶來了很多啟示。我們知道，美國的電網(wǎng)是錯綜復(fù)雜的，以前曾經(jīng)認(rèn)為電網(wǎng)越復(fù)雜就越平安，可是美加大停電告訴我們事實并非如此。實際上，美國電網(wǎng)的每段輸電線比擬短，這就導(dǎo)致了有很多節(jié)點；另外，美國是個資本主義國家，電網(wǎng)在運行的時候考慮的更多的是經(jīng)濟因素，所以在美國電網(wǎng)中存在有比擬破舊的設(shè)備。諸多因素導(dǎo)致了美加大停電，其實這也不是偶然現(xiàn)象了，在此之前美國已經(jīng)出現(xiàn)過兩次規(guī)模較大的停電了。印度電網(wǎng)，印度同中國一樣都是大的開展中國家。印度的裝機容量和電壓水平開展的也很迅速，但和我國還有較大的差距。印度發(fā)電量世界排名第五，僅次于美國，中國，日本和俄羅斯，但印度的電力供給嚴(yán)重缺乏。2021年7月印度兩天之內(nèi)連續(xù)發(fā)生大面積停電事故，是有史以來影響人口最多的電力系統(tǒng)事故，超過6.7億人口受到了停電的影響。從事故前印度北方電網(wǎng)嚴(yán)重超載運行情況來看，線路跳閘前，電網(wǎng)已嚴(yán)重超過其穩(wěn)定限額運行，從而導(dǎo)致大面積停電。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定matlab仿真在國內(nèi)外已經(jīng)很成熟，但是，無論我們怎么考慮暫態(tài)穩(wěn)定性都不為過。因為從全球來看，大面積停電并不罕見。所以電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定依然是個重要的課題。1.3國內(nèi)開展研究的現(xiàn)狀對于我國電網(wǎng)來說，其覆蓋面積大，結(jié)構(gòu)薄弱，負(fù)荷密度極不均勻，而電源有往往遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。由于長期以來輸電線路總長度年增長率比總裝機容量增長率小得多，故進(jìn)一步惡化了系統(tǒng)的平安穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)的互聯(lián)，可以帶來顯著地經(jīng)濟效益，但是長期以來，“分省平衡〞的策略成為我國電力開展的重要弊端，嚴(yán)重地制約著我國電力資源的優(yōu)化配置，全國聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程明顯滯后。同時，電網(wǎng)的互聯(lián)使得電力系統(tǒng)的規(guī)模變大，從而引起事故的可能性也越大。如果電網(wǎng)不夠強壯，自動平安裝置不夠健全管理不得當(dāng)，都有可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，導(dǎo)致大面積停電，甚至全網(wǎng)崩潰。以廠網(wǎng)分開為主要內(nèi)容的電力體制改革實施后，我國電網(wǎng)建設(shè)的步伐明顯加快，并且根據(jù)我國電網(wǎng)的特點和開展趨勢，制定了“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)〞的電網(wǎng)開展戰(zhàn)略，大力推進(jìn)跨區(qū)輸電、跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)，其目標(biāo)就是為了促進(jìn)電力資源在更大范圍內(nèi)的優(yōu)化配置。截至到2006年，以三峽工程為核心，以華中電網(wǎng)為依托，向東南西北四個方向輻射聯(lián)網(wǎng)的輸電線路已根本建成。以北、中、南三大西電東送通道為主體南北網(wǎng)間多點互聯(lián)、縱向通道聯(lián)系較為緊密的全國電網(wǎng)互聯(lián)的格局已根本形成預(yù)計到2021年，西電東送的規(guī)模將到達(dá)5500萬kW；2021年將再增加到1億kW以上?！笆晃濞暺陂g，除實施已經(jīng)明確的三峽右岸至上海直流工程外，規(guī)劃建設(shè)的主要工程還有西北至華北直流輸電工程，西北與川渝聯(lián)網(wǎng)工程，華中與華北背靠背聯(lián)網(wǎng)工程，同時加大山西陽城送電華東的力度并實現(xiàn)華北與華東聯(lián)網(wǎng)?！笆晃濞暷┢冢浜先龒{地下電站開發(fā)，建設(shè)向華北送電的支流輸電工程，南北之間將形成以三峽為支撐的主干通道。目前我國發(fā)電機裝機容量達(dá)10.6億千瓦，居世界第二；年發(fā)電量達(dá)4.8億千瓦時，居世界第一，即便如此，我國的發(fā)電量還是缺乏的。近日，浙江三門核電站的建造也取得了重大進(jìn)展。由于我國電網(wǎng)的網(wǎng)架相對薄弱、負(fù)荷與發(fā)電中心地理位置較遠(yuǎn)聯(lián)絡(luò)線負(fù)載較重，局部故障的發(fā)生可能引發(fā)整個系統(tǒng)的平安穩(wěn)定問題。因此，如何保證這樣一個超大規(guī)模電力系統(tǒng)的平安、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行，成為擺在我們面前的一個巨大的難題。假設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)對全國電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時甚至是超實時仿真，就能為在線預(yù)決策和電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制打下堅實的根底，對電力系統(tǒng)的平安、穩(wěn)定運行無疑是一個巨大的保證，具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。由于機電暫態(tài)仿真的計算量非常大，依據(jù)現(xiàn)有的條件，要對全國聯(lián)網(wǎng)電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)過程進(jìn)行實時仿真目前還無法實現(xiàn)。而隨著并行處理技術(shù)的不斷開展，尤其是可擴展、高性價比的PC集群系統(tǒng)的出現(xiàn)，使這個目標(biāo)實現(xiàn)的可能性越來越大。

2電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內(nèi)容和方法2.1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內(nèi)容1.電力系統(tǒng)暫態(tài)〔電磁和機電暫態(tài)〕分析，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性及提高措施的研究2.掌握MATLAB的仿真工具simulink及powersystem工具箱3.運用MATLAB電力系統(tǒng)仿真程序psb構(gòu)建模型4.利用搭建的模型對電力系統(tǒng)暫態(tài)及提高穩(wěn)定性的措施進(jìn)行仿真研究2.2研究方法研究暫態(tài)穩(wěn)定的方法有許多種，下面簡單介紹其中幾種?！?〕時域仿真判定法時域法是將電力系統(tǒng)各元件模型根據(jù)元件拓?fù)潢P(guān)系形成全系統(tǒng)模型，這是一組聯(lián)立的微分方程組和代數(shù)方程組，然后以穩(wěn)態(tài)工況或潮流解為初值，求擾動下的數(shù)值解，即逐步求得系統(tǒng)狀態(tài)量和代數(shù)量隨時間的變化曲線，并根據(jù)發(fā)電機功角值大于某一特定閥值來判別系統(tǒng)能否在大擾動后維持暫態(tài)穩(wěn)定運行?！?〕能量函數(shù)判定法暫態(tài)能量函數(shù)法的理論根底是李亞普洛夫穩(wěn)定性定理，因此也稱為擬李亞普洛夫直接法(簡稱直接法)。該方法是通過比擬擾動結(jié)束時暫態(tài)能量函數(shù)值與系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時的暫態(tài)能量值來判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的。〔3〕擴展等面積〔EEAC〕判定法等面積法那么從理論上較為完美地解決了單機－無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定評估問題，因此人們投入了大量的研究將其應(yīng)用于多機系統(tǒng)中，其中以我國薛禹勝院士提出的擴展等面積法最為著名。擴展等面積法的根本思想是：在給定故障擾動下系統(tǒng)的機組分為臨界機組和非臨界機組兩群，基于軌跡聚合和保穩(wěn)變換，分別對這兩群機組用等值機進(jìn)行動態(tài)等效，進(jìn)而又等值為單機－無窮大系統(tǒng)，從而可利用等面積法那么評估系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性?！?〕人工智能判定法人工智能方法可進(jìn)行非模型的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定判別，具有在線計算速度快、容易生成決策用的啟發(fā)規(guī)那么等優(yōu)點，因此與傳統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法構(gòu)成了良好的互補。目前，人工智能方法主要有：模式識別、模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機法。2.3提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的方法由于大擾動后，發(fā)電機機械功率和電磁功率的差額，即加速功率是導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因。因此，提高暫態(tài)穩(wěn)定，應(yīng)從減小發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的不平衡功率、減小轉(zhuǎn)子相對加速以及減少轉(zhuǎn)子相對動能變化量等方面著手。根據(jù)這種原那么，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施主要有：自動重合閘裝置：重合閘成功就可以增加減速面積，從而提高暫態(tài)穩(wěn)定。圖2-1自動重合閘對暫態(tài)穩(wěn)定的影響快速切除故障：減輕電氣設(shè)備因短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)等不良影響，而且加快切除故障可以減小切除角，這樣既減小了加速面積，有增大了減速面積，對于提高暫態(tài)穩(wěn)定起著決定作用。應(yīng)該指出的是，切除故障時間是繼電保護(hù)裝置動作時間和開關(guān)接到跳閘脈沖到觸頭分開后電弧熄滅為止的時間總和。圖2-2快速切除故障對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響變壓器中性點經(jīng)小阻抗接地：電壓器中性點經(jīng)小電阻接地只對接地短路起作用。原因是短路時零序電流通過接地電阻時消耗有功功率，其中的一局部由發(fā)電機來負(fù)擔(dān)，因而使發(fā)電機輸出的電磁功率增加，從而減小了加速功率，提高暫態(tài)穩(wěn)定。4〕發(fā)電機采用電氣制動：在系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，有控制地在發(fā)電機端投入電阻負(fù)荷，那么可以增加發(fā)電機的電磁功率，產(chǎn)生制動作用從而提高暫態(tài)穩(wěn)定。圖2-3電氣制動接線圖圖2-4電氣制動功角特性圖2.4研究設(shè)計的內(nèi)容應(yīng)用MATLAB仿真進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真的主要步驟是：建立系統(tǒng)模型：建立的是單機無窮大系統(tǒng)〔SIMB〕。單機—無窮大系統(tǒng)認(rèn)為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，是工程上最常用的手段，也是電力系統(tǒng)模擬仿真最簡單、最根本的的運行方式，即對現(xiàn)實進(jìn)行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結(jié)論，簡化計算過程。圖2-5無輸電線的單機—無窮大系統(tǒng)原理圖假定聯(lián)絡(luò)阻抗為純電感，那么由發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的P為：式中—包括發(fā)電機阻抗在內(nèi)的發(fā)電機電動勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗；—功角；—發(fā)電機電勢；—系統(tǒng)母線電壓。由圖1可得MATLAB單機無窮大仿真模型可能用到的模塊：PSB電力系統(tǒng)工具箱：1〕ElectricalSources中的Three-PhaseSource〔三相電源〕模塊2〕Elements中的Three-PhaseParallelRLCLoad〔三相負(fù)載RLC并聯(lián)〕模塊用來仿真輸電線路，和Ground〔交流接地〕模塊，Three-PhaseFault〔三相故障整流器〕模塊用來仿真短路故障，Three-PhaseTransformer〔TwoWindings〕〔三相變壓器繞組〕模塊用來仿真變壓器，Machines里SynchronousMachinepuStandad〔標(biāo)么標(biāo)準(zhǔn)同步電機〕模塊用來仿真同步發(fā)電機〔2〕設(shè)置仿真參數(shù)〔3〕進(jìn)行動態(tài)仿真增加提高暫態(tài)穩(wěn)定的模型，分別進(jìn)行快速切除故障，變壓器中性點經(jīng)小電阻接地，改變強勵倍數(shù)，記錄結(jié)果。〔4〕結(jié)果分析 仿真之后，分析所得的圖形。從電壓圖、轉(zhuǎn)速圖和功角圖著手分析是否能夠提高暫態(tài)穩(wěn)定。

3電力系統(tǒng)常用仿真簡介3.1常用的電力系統(tǒng)仿真軟件目前常用的電力系統(tǒng)仿真軟件有：邦納維爾電力局開發(fā)的BPA程序和EMTP程序；曼尼托巴高壓直流輸電研究中心考法的PSCAD/EMTDC程序；德國西門子公司研制的電力系統(tǒng)仿真軟件NETOMAC；中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP;Math Works公司開發(fā)的科學(xué)與工程計算軟件MATLAB。以上各個電力系統(tǒng)仿真軟件的結(jié)構(gòu)和功能不同，它們各自的應(yīng)用領(lǐng)域也有所側(cè)重。EMTP主要用來進(jìn)行電磁暫態(tài)過程數(shù)字仿真，PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用來進(jìn)行電磁暫態(tài)和控制環(huán)節(jié)的仿真，BPA、PSASP主要用來進(jìn)行潮流和機電暫態(tài)數(shù)字仿真。3.2MATLAB簡介MATLAB是美國MATHWORK公司1984年開始推出的一種簡潔的工程計算語言，它是以矩陣計算為根底，把計算、可視化、程序設(shè)計融合到一個交互的工作環(huán)境中。Simulink是在MATLAB環(huán)境下用于動態(tài)建模和仿真應(yīng)用最廣泛的軟件包之一，意思是仿真鏈接。該軟件有兩個特別明顯的功能：仿真與鏈接。也就是說，可以直接利用鼠標(biāo)在模型窗口中劃出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后再利用該軟件提供的功能來對控制系統(tǒng)直接進(jìn)行模擬，很明顯，這種所發(fā)是的一個原本很復(fù)雜的系統(tǒng)變得相當(dāng)容易輸入。SimPowerSystems庫是SIMULINK下面的一個專用模塊庫，是在SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進(jìn)工具。SimPowerSystems庫提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制，在仿真前自動將仿真系統(tǒng)圖變化為狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在SIMULINK下進(jìn)行仿真分析。它為電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電計算提供了強有力的解決方法，尤其是當(dāng)設(shè)計開發(fā)內(nèi)容涉及控制系統(tǒng)設(shè)計時，優(yōu)勢更為突出。PSB〔PowerSystemBlocket〕是一個圖編輯器，在Simulink環(huán)境下能建立系統(tǒng)原理并進(jìn)行仿真計算。PSB庫提供了電力系統(tǒng)仿真通用的原件和裝置，包括RLC支路和負(fù)載、變壓器、傳輸線、避雷器、電機、電力電子裝置等。只需通過點擊和拖放PSB庫內(nèi)的模型即可建立用戶所需要的電力系統(tǒng)仿真原理圖，并利用模型元件的對話框來設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使用Simulink提供的示波器模型，可現(xiàn)實仿真結(jié)果及其波形。3.3MATLAB保存圖形模型圖的保存模型圖建立完后，點擊Edit,出現(xiàn)下拉菜單，選擇CopyModelToClipboard,就將模型圖復(fù)制成功了，在建立的文檔中粘貼即可。波形圖的保存運行之后，翻開scope，得到圖形，在matlab指令窗口輸入：>>set(0,'ShowHiddenHandles','on')>>set(gcf,'menubar','figure')然后按下回車，那么在scope窗口會出現(xiàn)菜單欄。點擊Edit,選擇下拉菜單中的AxesProperties,即可修改圖形的背景顏色和波形的顏色等其它屬性：選擇下拉菜單中的CopyFigure,即把整個波形圖和坐標(biāo)復(fù)制成功，只需在建立的文檔中粘貼即可。

4基于SIMULINK的單機無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性仿真單機無窮大系統(tǒng)原理圖如圖4-1.GTS圖4-1單機無窮大系統(tǒng)原理圖根據(jù)圖4-1建立的單機無窮大系統(tǒng)仿真原理圖如圖5-2.圖4-2單機無窮大仿真原理圖圖中使用到的根本模塊有：示波器scope，邏輯加，增益gain，電機測量模塊MachinesMeasurementDemux，同步電機〔標(biāo)幺值單位〕模塊SynchronousMachinepuStandard，勵磁系統(tǒng)ExcitationSystem，通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器GenericPowerSystemStabilizer，三相并聯(lián)RLC負(fù)載ThreePhaseParallelRLCLoad，雙繞組三相變壓器Three-PhaseTransformer(TwoWindings)，電壓測量模塊VoltageMeasurement，分布參數(shù)線路模塊DistributedParametersLine，三相電源Three-PhaseSource，三相故障Three-PhaseFault，POWERGUI

5時間安排表1-2周開題辯論及畢業(yè)實習(xí)。3-4周了解各種元件的仿真模型，開始初步搭建模型。4-8周對搭建的模型進(jìn)行動態(tài)仿真，記錄其暫態(tài)穩(wěn)定性。9-11周采用提高暫態(tài)穩(wěn)定性的方法，改變模型，進(jìn)行仿真，并與之前的穩(wěn)定性相比。12-14周畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫與完成。15周畢業(yè)辯論。

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