電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真研究開題報告

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述1</p><p>　　1.1電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定及其意義1</p><p>　　1.2國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.3國內發(fā)展研究的現(xiàn)狀2</p><p>　　2 電力系統(tǒng)暫態(tài)

2、穩(wěn)定研究的內容和方法4</p><p>　　2.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內容4</p><p>　　2.2 研究方法4</p><p>　　2.3 提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的方法5</p><p>　　2.4 研究設計的內容6</p><p>　　3 電力系統(tǒng)常用仿真簡介8</p>&

3、lt;p>　　3.1 常用的電力系統(tǒng)仿真軟件8</p><p>　　3.2 MATLAB簡介8</p><p>　　3.3 MATLAB保存圖形9</p><p>　　4 基于SIMULINK的單機無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性仿真10</p><p>　　5 時間安排表11</p><p><

4、b>　　參考文獻12</b></p><p>　　1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性概述</p><p>　　1.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定及其意義</p><p>　　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)可以達到一個可以接受的穩(wěn)定運行狀態(tài)，則對此初始狀態(tài)及此擾動而言，稱之為暫態(tài)穩(wěn)定。</p><p>

5、　　電力系統(tǒng)是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)，一方面它必須時刻保證必要的電能質量及數(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)可能在幾秒內發(fā)生嚴重后果，造成極大的經濟損失和社會影響。</p><p>　　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

6、行，并具有可接受的頻率和電壓水平，則稱此電力系統(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、設計、運行等工作中都要進行大量的暫態(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。</p><p>　　電力線系統(tǒng)穩(wěn)定的破壞，往往會導致系統(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)安全運行的必要

7、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，電網(wǎng)運行狀態(tài)越發(fā)復雜多變且接近其極限水平，同時，近年來國內外時有發(fā)生由于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性不足且對策遲緩引起的大停電事故，造成了經濟上的巨大損失，這些都提示著我們提高對電網(wǎng)穩(wěn)定性分析的重視。只有更快速更準確地對系統(tǒng)處

8、于的穩(wěn)定水平進行判斷，找到穩(wěn)定性遭到威脅的環(huán)節(jié)才能進而有效地采取措施改善系統(tǒng)運行狀態(tài)。為此，進一步深入研究改進原有暫態(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)中的應用的難題，仍然是我們面對的重要課題。</p><p>　　1.2 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著社會的進步和科技的發(fā)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

9、點。隨著電力市場化和區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的不斷推進，電網(wǎng)運行狀態(tài)越發(fā)復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，2012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。</p><p>　　我們知道，美國的電網(wǎng)是錯綜復雜的，以前曾經認為電網(wǎng)越復雜就越安全，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

10、較短，這就導致了有很多節(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濟因素，所以在美國電網(wǎng)中存在有比較破舊的設備。諸多因素導致了美加大停電，其實這也不是偶然現(xiàn)象了，在此之前美國已經出現(xiàn)過兩次規(guī)模較大的停電了。</p><p>　　印度電網(wǎng)，印度同中國一樣都是大的發(fā)展中國家。印度的裝機容量和電壓水平發(fā)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

11、印度的電力供應嚴重不足。2012年7月印度兩天之內連續(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)嚴重超載運行情況來看，線路跳閘前，電網(wǎng)已嚴重超過其穩(wěn)定限額運行，從而導致大面積停電。</p><p>　　電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定matlab仿真在國內外已經很成熟，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

12、暫態(tài)穩(wěn)定依然是個重要的課題。</p><p>　　1.3 國內發(fā)展研究的現(xiàn)狀</p><p>　　對于我國電網(wǎng)來說，其覆蓋面積大，結構薄弱，負荷密度極不均勻，而電源有往往遠離負荷中心。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，故進一步惡化了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。</p><p>　　電力系統(tǒng)的互聯(lián)，可以帶來顯著地經濟效益，但是長期以來，“分省平衡”的

13、策略成為我國電力發(fā)展的重要弊端，嚴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，自動安全裝置不夠健全管理不得當，都有可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，導致大面積停電，甚至全網(wǎng)崩潰。</p><p>　　以廠網(wǎng)分開為主要內容的電力體制改革實施后，我國電網(wǎng)建設的步伐明顯加快，并且根據(jù)我國電網(wǎng)的特點和發(fā)展趨勢，制定了“西電東送、南北互供

14、、全國聯(lián)網(wǎng)”的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略，大力推進跨區(qū)輸電、跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)，其目標就是為了促進電力資源在更大范圍內的優(yōu)化配置。</p><p>　　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)的輸電線路已基本建成。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)的格局已基本形成預計到2010年，西電東送的規(guī)模將達到5500萬kW；2020年將再增加到1億kW以

15、上。</p><p>　　“十一五”期間，除實施已經明確的三峽右岸至上海直流工程外，規(guī)劃建設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晃濉蹦┢冢浜先龒{地下電站開發(fā)，建設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。</p><p>　　目前我國發(fā)電機裝機容量達10.6億千

16、瓦，居世界第二；年發(fā)電量達4.8億千瓦時，居世界第一，即便如此，我國的發(fā)電量還是不足的。近日，浙江三門核電站的建造也取得了重大進展。由于我國電網(wǎng)的網(wǎng)架相對薄弱、負荷與發(fā)電中心地理位置較遠聯(lián)絡線負載較重，局部故障的發(fā)生可能引發(fā)整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題。因此，如何保證這樣一個超大規(guī)模電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經濟運行，成為擺在我們面前的一個巨大的難題。若能夠實現(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，就能為在線預決策和電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制打下堅

17、實的基礎，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行無疑是一個巨大的保證，具有深遠的現(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)過程進行實時仿真目前還無法實現(xiàn)。而隨著并行處理技術的不斷發(fā)展，尤其是可擴展、高性價比的PC集群系統(tǒng)的出現(xiàn)，使這個目標實現(xiàn)的可能性越來越大 。</p><p>　　2 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內容和方法</p><p>　　2.1 電力

18、系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究的內容</p><p>　　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</p><p>　　2.掌握MATLAB的仿真工具simulink及power system 工具箱</p><p>　　3.運用MATLAB電力系統(tǒng)仿真程序psb構建模型</p><p>　　4.利用搭建的模型對電力系統(tǒng)暫

19、態(tài)及提高穩(wěn)定性的措施進行仿真研究</p><p><b>　　2.2 研究方法</b></p><p>　　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。</p><p>　?。?）時域仿真判定法</p><p>　　時域法是將電力系統(tǒng)各元件模型根據(jù)元件拓撲關系形成全系統(tǒng)模型，這是一組聯(lián)立的微分方程組和代數(shù)方程組，

20、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。</p><p>　　（2）能量函數(shù)判定法 </p><p>　　暫態(tài)能量函數(shù)法的理論基礎是李亞普洛夫穩(wěn)定性定理，因此也稱為擬李亞普洛夫直接法(簡稱直接法)。該方法是通過比較擾動結束時暫態(tài)能量函數(shù)值與系統(tǒng)臨界穩(wěn)定

21、時的暫態(tài)能量值來判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的。</p><p>　?。?）擴展等面積（EEAC）判定法</p><p>　　等面積法則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。擴展等面積法的基本思想是：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

22、群機組用等值機進行動態(tài)等效，進而又等值為單機－無窮大系統(tǒng)，從而可利用等面積法則評估系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）人工智能判定法</p><p>　　人工智能方法可進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)則等優(yōu)點，因此與傳統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法構成了良好的互補。目前，人工智能方法主要有：模式識別、模糊理論、神經網(wǎng)絡、支持向量機法。</p&

23、gt;<p>　　2.3 提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的方法</p><p>　　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，應從減小發(fā)電機轉軸上的不平衡功率、減小轉子相對加速以及減少轉子相對動能變化量等方面著手。根據(jù)這種原則，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施主要有：</p><p>　　自動重合閘裝置：重合閘成功就可以增

24、加減速面積，從而提高暫態(tài)穩(wěn)定。</p><p>　　圖2-1 自動重合閘對暫態(tài)穩(wěn)定的影響</p><p><b>　　快速切除故障：</b></p><p>　　減輕電氣設備因短路電流產生的熱效應等不良影響，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。應該指出的是，切除故障時間是繼電保護

25、裝置動作時間和開關接到跳閘脈沖到觸頭分開后電弧熄滅為止的時間總和。</p><p>　　圖2-2快速切除故障對暫態(tài)穩(wěn)定性的影響</p><p>　　變壓器中性點經小阻抗接地：</p><p>　　電壓器中性點經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，其中的一部分由發(fā)電機來負擔，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，

26、提高暫態(tài)穩(wěn)定。</p><p>　　4）發(fā)電機采用電氣制動：</p><p>　　在系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，有控制地在發(fā)電機端投入電阻負荷，則可以增加發(fā)電機的電磁功率，產生制動作用從而提高暫態(tài)穩(wěn)定。</p><p>　　圖2-3電氣制動接線圖 圖2-4電氣制動功角特性圖</p><p>　　2.4 研究設計的內

27、容</p><p>　　應用MATLAB 仿真進行電力系統(tǒng)仿真的主要步驟是：</p><p>　　建立系統(tǒng)模型：建立的是單機無窮大系統(tǒng)（SIMB）。</p><p>　　單機—無窮大系統(tǒng)認為功率無窮大，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、最基本的的運行方式，即對現(xiàn)實進行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結論，簡化計算過程。</

28、p><p>　　圖2-5 無輸電線的單機—無窮大系統(tǒng)原理圖</p><p>　　假定聯(lián)絡阻抗為純電感，則由發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的P為：</p><p>　　式中—包括發(fā)電機阻抗在內的發(fā)電機電動勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗；</p><p>　　—功角；—發(fā)電機電勢； —系統(tǒng)母線電壓。</p><p>　　由圖1

29、可得MATLAB單機無窮大仿真模型可能用到的模塊：</p><p>　　PSB電力系統(tǒng)工具箱：</p><p>　　1）Electrical Sources中的Three-Phase Source（三相電源）模塊</p><p>　　2）Elements 中的Three-Phase Parallel RLC Load（三相負載RLC并聯(lián)）模塊用來仿真輸電線路，和Gr

30、ound（交流接地）模塊 ，Three-Phase Fault （三相故障整流器）模塊用來仿真短路故障，Three-Phase Transformer（Two Windings）（三相變壓器繞組）模塊用來仿真變壓器，</p><p>　　Machines里Synchronous Machine pu Standad（標么標準同步電機）模塊用來仿真同步發(fā)電機</p><p><b>

31、;　?。?）設置仿真參數(shù)</b></p><p><b>　　（3）進行動態(tài)仿真</b></p><p>　　增加提高暫態(tài)穩(wěn)定的模型，分別進行快速切除故障，變壓器中性點經小電阻接地，改變強勵倍數(shù)，記錄結果。</p><p><b>　?。?）結果分析</b></p><p>　　仿真之后

32、，分析所得的圖形。從電壓圖、轉速圖和功角圖著手分析是否能夠提高暫態(tài)穩(wěn)定。</p><p>　　3 電力系統(tǒng)常用仿真簡介</p><p>　　3.1 常用的電力系統(tǒng)仿真軟件</p><p>　　目前常用的電力系統(tǒng)仿真軟件有：</p><p>　　邦納維爾電力局開發(fā)的BPA程序和EMTP程序；</p><p>　　曼尼

33、托巴高壓直流輸電研究中心考法的PSCAD/EMTDC程序；</p><p>　　德國西門子公司研制的電力系統(tǒng)仿真軟件NETOMAC；</p><p>　　中國電力科學研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP;</p><p>　　Math Works公司開發(fā)的科學與工程計算軟件MATLAB。</p><p>　　以上各個電力系統(tǒng)仿真軟件的

34、結構和功能不同，它們各自的應用領域也有所側重。EMTP主要用來進行電磁暫態(tài)過程數(shù)字仿真，PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用來進行電磁暫態(tài)和控制環(huán)節(jié)的仿真，BPA、PSASP主要用來進行潮流和機電暫態(tài)數(shù)字仿真。</p><p>　　3.2 MATLAB簡介</p><p>　　MATLAB是美國MATH WORK公司1984年開始推出的一種簡潔的工程計算語言，它是以矩陣計算為基礎

35、，把計算、可視化、程序設計融合到一個交互的工作環(huán)境中。</p><p>　　Simulink 是在MATLAB 環(huán)境下用于動態(tài)建模和仿真應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)直接進行模擬，很明顯，這種所發(fā)是的一個原本很復雜的系統(tǒng)變得相當容易輸入。</p>&

36、lt;p>　　SimPowerSystems庫是SIMULINK下面的一個專用模塊庫，是在SIMULINK環(huán)境下進行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進工具。SimPowerSystems庫提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，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，尤其是當設計開發(fā)內容涉及控制系統(tǒng)

37、設計時，優(yōu)勢更為突出。PSB（Power System Blocket）是一個圖編輯器，在Simulink環(huán)境下能建立系統(tǒng)原理并進行仿真計算。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置相關參數(shù)，使用Simulink提供的示波器模型，可現(xiàn)實仿真結果及其波形。</p

38、><p>　　3.3 MATLAB保存圖形</p><p><b>　　模型圖的保存</b></p><p>　　模型圖建立完后，點擊Edit,出現(xiàn)下拉菜單，選擇Copy Model To Clipboard,就將模型圖復制成功了，在建立的文檔中粘貼即可。</p><p><b>　　波形圖的保存</b&g

39、t;</p><p>　　運行之后，打開scope，得到圖形，在matlab指令窗口輸入：</p><p>　　>> set(0,'ShowHiddenHandles','on')</p><p>　　>> set(gcf,'menubar','figure')</p>

40、;<p>　　然后按下回車，則在scope窗口會出現(xiàn)菜單欄。點擊Edit,選擇下拉菜單中的Axes Properties,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Copy Figure,即把整個波形圖和坐標復制成功，只需在建立的文檔中粘貼即可。</p><p>　　4 基于SIMULINK的單機無窮大系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性仿真</p><p>　　單機無窮大

41、系統(tǒng)原理圖如圖4-1.</p><p>　　G T S</p><p>　　圖4-1單機無窮大系統(tǒng)原理圖</p><p>　　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.</p><p>　　圖4-2單機無窮大仿真原理圖</p><

42、p>　　圖中使用到的基本模塊有：</p><p>　　示波器scope，邏輯加，增益gain，電機測量模塊Machines Measurement Demux，同步電機（標幺值單位）模塊Synchronous Machine pu Standard，勵磁系統(tǒng)Excitation System，通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器Generic Power System Stabilizer，三相并聯(lián)RLC負載Three P

43、hase Parallel RLC Load，雙繞組三相變壓器Three-Phase Transformer(Two Windings)，電壓測量模塊Voltage Measurement，分布參數(shù)線路模塊Distributed Parameters Line，三相電源Three-Phase Source，三相故障Three-Phase Fault，POWERGUI</p><p><b>　　5

44、 時間安排表</b></p><p>　　1-2周 開題答辯及畢業(yè)實習。</p><p>　　3-4周 了解各種元件的仿真模型，開始初步搭建模型。</p><p>　　4-8周 對搭建的模型進行動態(tài)仿真，記錄其暫態(tài)穩(wěn)定性。</p><p>　　9-11周 采用提高暫態(tài)穩(wěn)定性的方法，改變模型，進行仿真，并與之前的穩(wěn)定性相比。

45、</p><p>　　12-14周 畢業(yè)設計論文的撰寫與完成。</p><p>　　15周 畢業(yè)答辯。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張曉春,郭小進,鄒登海,等. 基于MATLAB語言的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真[J]. 湖北電力,2000,03:9-10+14.</p>

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