PSCAD在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的應(yīng)用

PSCAD在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的應(yīng)用內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)匚業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，發(fā)電設(shè)備的容量也在相應(yīng)增大。為了更好的保證安全運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并保證電能質(zhì)量，我們應(yīng)該考慮任何電力系統(tǒng)故障的情況，并加以研究。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的破壞多半是由短路故障引起的。在供電系統(tǒng)中，短路沖擊電流會(huì)使兩相鄰導(dǎo)體間產(chǎn)生□大的電動(dòng)力，使元件損壞：大的短路電流將使導(dǎo)體溫度急劇上升，會(huì)使元件燒毀；阻抗電壓大幅下降，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。發(fā)生短路時(shí)，系統(tǒng)從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)，并伴隨產(chǎn)生復(fù)朵的電磁暫態(tài)現(xiàn)象。所以有必耍對(duì)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)進(jìn)行研究。目前，電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的研究理論已越來(lái)越完善，但基本上是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，并解數(shù)學(xué)方程來(lái)分析的。這讓我們很難理解其推導(dǎo)過(guò)程，所以很有必要利用直觀的方法來(lái)分析并得岀相同的結(jié)論。本設(shè)計(jì)利用PSCAD軟件建立了簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)和復(fù)雜電力系統(tǒng)兩個(gè)仿真模型。簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)模型包括：同步發(fā)電機(jī)模型、負(fù)荷模型等；復(fù)雜電力系統(tǒng)模型包括：同步發(fā)電機(jī)模型、變壓器模型、輸電線模型、負(fù)荷模型等。本設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)用EMTDC模塊對(duì)電力系統(tǒng)仿真進(jìn)行計(jì)算，并分析其電磁暫態(tài)穩(wěn)定性，其中計(jì)算了發(fā)生四類短路故障時(shí)的暫態(tài)參數(shù)，并對(duì)其分析比較，來(lái)研究電力系統(tǒng)的這四類短路之間的異同和暫態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)的影響。通過(guò)此次設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固和加強(qiáng)了四年來(lái)所學(xué)的知識(shí)，并得到了實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)中查閱了大量的相關(guān)資料，努力做到有據(jù)可循。在設(shè)計(jì)中逐步掌握了查閱，運(yùn)用資料的能力，總結(jié)了四年來(lái)所學(xué)的電力工業(yè)的相關(guān)知識(shí)，為日后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于我在知識(shí)條件等方面的局限，仍存在許多不足，但在指導(dǎo)老師和學(xué)院大力支持和幫助下，已有相當(dāng)大的改進(jìn)，在此表示衷心的感謝。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第一章緒論1.1電力系統(tǒng)分析簡(jiǎn)介運(yùn)用數(shù)字仿真計(jì)算或模擬試驗(yàn)的方法，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)方式和受到擾動(dòng)后的暫態(tài)行為進(jìn)行考察的分析研究。對(duì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)，通過(guò)電力系統(tǒng)分析，可選擇正確的系統(tǒng)參數(shù)，制定合理的電力系統(tǒng)方案：對(duì)運(yùn)行中的電力系統(tǒng)，借助電力系統(tǒng)分析，可確定合理的運(yùn)行方式，進(jìn)行系統(tǒng)事故分析和預(yù)想，提出防止和處理事故的技術(shù)措施。電力系統(tǒng)分析包括穩(wěn)態(tài)分析、故障分析和暫態(tài)分析三方面內(nèi)容。1.1.1電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析主要研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的性能，包括系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率的平衡，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓和支路功率的分布等，解決系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整，無(wú)功功率和電圧控制問(wèn)題。潮流計(jì)算是進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的主要方法。潮流計(jì)算的結(jié)果可以給出電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式下各節(jié)點(diǎn)電壓相量和各支路功率分布。通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式的給定條件，進(jìn)行必要的潮流計(jì)算，可以研究并從中選擇經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行、安全可靠的正常方式,及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力網(wǎng)元件如變圧器和線路過(guò)負(fù)荷、母線電壓越限等異常工況并做出適當(dāng)處理。潮流計(jì)算還給出電力網(wǎng)的功率損耗，便『?進(jìn)行網(wǎng)損分析，并進(jìn)一步制定降低網(wǎng)損的措施。潮流計(jì)算還可用『?電力系統(tǒng)事故預(yù)想，通過(guò)模擬發(fā)電廠、線路、變圧器等元件的開(kāi)斷，分析其引起潮流分布的相應(yīng)改變，確定事故影響的程度和防止事故擴(kuò)大的措施。潮流計(jì)算也用于輸電線路工頻過(guò)電圧研究和調(diào)相、調(diào)壓分析，為確定超高圧線路并聯(lián)補(bǔ)償容量、變壓器可調(diào)分接頭設(shè)置、發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)等系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要參數(shù)以及線路絕緣水平提供部分依據(jù)。潮流計(jì)算還是考慮負(fù)荷電流的短路電流計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算的基礎(chǔ)，為這些計(jì)算提供初始運(yùn)行方式。電力系統(tǒng)諧波分析也是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的一項(xiàng)重要內(nèi)容。它主耍是通過(guò)諧波潮流計(jì)算，研究在特定諧波源作用下，電力網(wǎng)內(nèi)諧波電流和電壓的分布，確定諧波源的影響，從而制定消除諧波的措施。1.1.2電力系統(tǒng)故障分析主要研究電力系統(tǒng)中發(fā)生單一或多重故障時(shí)，故障電流、電圧及其在電力網(wǎng)中的分布。短路電流計(jì)算是故障分析的主要內(nèi)容。短路電流計(jì)算的目的，是通過(guò)計(jì)算短路電流大小，確定短路故障的嚴(yán)重程度，選擇電氣設(shè)備參數(shù)，整定繼電保護(hù)，分析系統(tǒng)中內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)正序、負(fù)序及零序電流的分布，從而確定其對(duì)電氣設(shè)備和系統(tǒng)的影響等。電力系統(tǒng)可能發(fā)生多重復(fù)雜故障的異常工況，如輸電線路一點(diǎn)單相接地，同時(shí)一側(cè)斷路器單相跳開(kāi)即是一種同時(shí)發(fā)生的二重復(fù)雜故障。復(fù)朵故障短路電流的計(jì)算對(duì)分析電力系統(tǒng)事故、校驗(yàn)繼電保護(hù)裝置整定、分析系統(tǒng)中故障電流的分布等有重要作用。1.1.3電力系統(tǒng)暫態(tài)分析主要研究電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的電磁和機(jī)電暫態(tài)過(guò)程，包括電磁暫態(tài)過(guò)程的分析和機(jī)電暫態(tài)過(guò)程。電磁暫態(tài)過(guò)程的分析。主要研究電力系統(tǒng)故障和操作過(guò)電圧及諧振過(guò)電圧，一次與二次系統(tǒng)相互作用的控制暫態(tài)過(guò)程，以及電力電子設(shè)備的快速暫態(tài)過(guò)程，為變圧器、斷路器等高壓電氣設(shè)備和輸電線路的絕緣配合和過(guò)電壓保護(hù)的選擇，降低或限制電力系統(tǒng)過(guò)電壓技術(shù)措施的制定，以及電力電子控制設(shè)備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。機(jī)電暫態(tài)過(guò)程分析。主要研究電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后的暫態(tài)穩(wěn)定和受到小擾動(dòng)后的靜態(tài)穩(wěn)定性能。其中暫態(tài)穩(wěn)定分析是研究電力系統(tǒng)受到諸如短路故障，切除或投入線路、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷，發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁或者沖擊性負(fù)荷等大擾動(dòng)作用下，電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為和保持同步穩(wěn)定運(yùn)行的能力。為選擇規(guī)劃設(shè)計(jì)中電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，校驗(yàn)和分析運(yùn)行中電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和穩(wěn)定破壞事故，制定防止穩(wěn)定破壞的措施提供依據(jù)。靜態(tài)穩(wěn)定分析是研究電力系統(tǒng)受到小擾動(dòng)后的穩(wěn)定性能，為確定輸電系統(tǒng)的輸送功率，分析靜態(tài)穩(wěn)定破壞和低頻振蕩事故的原因，選擇發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和其他控制調(diào)節(jié)裝置的型式和參數(shù)提供依據(jù)。近年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和互聯(lián)程度的提高，長(zhǎng)過(guò)程穩(wěn)定分析和電壓穩(wěn)定分析作為機(jī)電暫態(tài)過(guò)程分析的組成部分得到了進(jìn)一步發(fā)展。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第二章電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)基本理論2.1基本概念短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對(duì)于中性點(diǎn)接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。2.1.1短路產(chǎn)生的原因產(chǎn)生短路的原因很多，主要有如下幾個(gè)方面：元件損壞，例如絕緣材料的口然老化，設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良所帶來(lái)的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路等：氣象條件惡化，例如雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器的動(dòng)作，架空線路由丁?大風(fēng)或?qū)Ь€履冰引起電桿倒塌等；違規(guī)操作，例如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線路或設(shè)備檢修后未拆除接地線就加上電壓等：其他，例如挖溝損傷電纜，島獸跨接在裸露的載流部分等。2.1.2短路的后果隨著短路類型、發(fā)生地點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間的不同，短路的后果可能只破壞局部地區(qū)的正常供電，也可能威脅整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。短路的危險(xiǎn)后果一般有以下的幾個(gè)方面：1.短路故障使短路點(diǎn)附近的支路中出現(xiàn)比正常值大許多倍的電流，由于短路電流的電動(dòng)力效應(yīng),導(dǎo)體間將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，可能使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞。2.短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備可能過(guò)熱以致?lián)p壞。3.短路時(shí)系統(tǒng)電壓大幅度下降，對(duì)用戶影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負(fù)荷是異步電動(dòng)機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩同端電壓的半方成正比，電圧下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩顯著減小，轉(zhuǎn)速隨之下降。當(dāng)電壓大幅度下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報(bào)廢，設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。當(dāng)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間乂較長(zhǎng)時(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電廠可能失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片地區(qū)停電。這是短路故障的最嚴(yán)重后果。發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，不半橫電流能產(chǎn)生足夠的磁通在臨近的電路內(nèi)感應(yīng)出很大的電動(dòng)勢(shì)，這對(duì)丁?架設(shè)在高圧電力線路附近的通訊線路或鐵道訊號(hào)系統(tǒng)等會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。2.2短路故障類型在三相系統(tǒng)中，三相同時(shí)短接的情況稱為三相短路。由丁?各相阻抗相同，三相對(duì)稱，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)所以乂稱為對(duì)稱短路。電力系統(tǒng)在同一地點(diǎn)所發(fā)生的不對(duì)稱短路有：兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路。在發(fā)生此類短路時(shí)，三相系統(tǒng)將處于不對(duì)稱狀態(tài)。2.2.1三相短路1.電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)方程的建立利用節(jié)點(diǎn)方程作故障計(jì)算，需要形成系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納(或阻抗)矩陣。首先根據(jù)給定的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式制訂系統(tǒng)的等值電路，并進(jìn)行各元件標(biāo)幺值參數(shù)的計(jì)算，然后利用變壓器和線路的參數(shù)形成不含發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣YN。發(fā)電機(jī)作為含源支路通常表示為電勢(shì)源Ei與阻抗zi的串聯(lián)支路，接J：發(fā)電機(jī)端節(jié)點(diǎn)i和零電位點(diǎn)之間，電勢(shì)源Ei的施加點(diǎn)I'稱為電勢(shì)源節(jié)點(diǎn)，而支路的端節(jié)點(diǎn)i則為無(wú)源節(jié)點(diǎn)。在建立節(jié)點(diǎn)方程時(shí)，經(jīng)常將發(fā)電機(jī)支路表示為電流源Ii和導(dǎo)納yi的并聯(lián)組合，電流源Ii的注入點(diǎn)i稱為電流源節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)I'則成為零電位點(diǎn)(短路點(diǎn))。接入發(fā)電機(jī)支路后，YN陣中與機(jī)端節(jié)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的對(duì)角線元素應(yīng)增加發(fā)電機(jī)導(dǎo)納yi。有源支路用電流源表示時(shí)，最終形成的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y和YN陣同階。在需要利用己知電勢(shì)進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，是否需要增設(shè)電勢(shì)源節(jié)點(diǎn)并相應(yīng)擴(kuò)大導(dǎo)納矩陣的階次，這取決于所選用的求解方法。節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷在短路計(jì)算中一般作為節(jié)點(diǎn)的接地支路并用恒定阻抗表示，其數(shù)值由短路前瞬間的負(fù)荷功率和節(jié)點(diǎn)實(shí)際電壓算出，即zLD.K7V2K2SLD.K或yLD.K?SLD.KVK (2~1)**....節(jié)點(diǎn)K接入負(fù)荷，相當(dāng)于在YN陣中與節(jié)點(diǎn)k對(duì)應(yīng)的對(duì)角元素中増加負(fù)荷導(dǎo)納yLD.Ko最后形成包括所有發(fā)電機(jī)支路和負(fù)荷支路的節(jié)點(diǎn)方程