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基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真分析.pdf
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基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真分析.pdf
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I
摘 要
目前的电力系统随着发展的需要,规模向着更大、更集成化的方向发展,随
之而来遇到的故障也随之增加,对电力系统中参与电能生产、输送、分配、使用
的设备产生影响,威胁设备的安全,甚至导致大停电事故的发生。
为了保证电力系统的安全、稳定运行,需要运用仿真软件开展暂态稳定性仿
真。它也是电力系统规划设计、生产运行、调度控制中的关键环节。电力系统中,
主要的扰动因素包括:系统的主要元件(发电机、变压器等)的投入或切除;大
容量高负荷用户的突然变化(加入或退出);系统中出现短路故障。这几种故障
中短路故障的扰动程度最大,对电网的影响很大,鉴于此,主要通过设置短路故
障来分析电力系统的暂态稳定性。
论文以 MATLAB 作为仿真模拟软件,利用 MATLAB 自带的工具箱 Simulink
以及电力系统专业工具箱 SimPowerSyetems 下的模块,搭建电力系统仿真模型。
论文中主要针对单机
—
无穷大系统开展暂态稳定性的分析,通过设置短路故障类
型、控制参数变化,进行多种工况的分析,最后通过分析仿真波形图,对结论进
行验证,并总结出其中规律,实现仿真的效果和目的。
【关键词】单机无穷大系统 SimPowerSyetems 短路故障
III
目 录
前 言
.................................................................................................................................. 1
第一章 电力系统稳定性概述.......................................................................................... 2
第一节 电力系统的组成.......................................................................................... 2
第二节 电力系统的静态稳定性
..............................................................................2
第三节 电力系统的暂态稳定性..............................................................................2
第三节 对在配电网中发生的故障进行分析.........................................................3
第二章
MATLAB
及
SimPowerSystem
简介
.................................................................. 5
第一节 MATLAB 简介............................................................................................. 5
第二节 Simulink 简介...............................................................................................5
第三节
SimPowerSystems
简介
...............................................................................6
第三章 单机无穷大系统暂态稳定仿真分析................................................................. 7
第一节 电力系统暂态稳定性分析..........................................................................7
一、 引起电力系统大扰动的原因
................................................................. 7
二、 定性分析...................................................................................................7
三、 提高电力系统稳定性的方法................................................................. 9
第二节 单机
—
无穷大系统原理
............................................................................10
第四章 SimPowerSystem 中的模型应用......................................................................12
第一节 暂态稳定仿真流程.................................................................................... 12
第二节 仿真系统模型步骤
.................................................................................... 13
第三节 仿真模型的搭建........................................................................................ 13
第四节 模型的参数设置........................................................................................ 15
第五节 各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真
.......................................... 24
一、线路 L2 出口处发生单相接地短路...................................................... 25
二、线路 L2 出口处发生两相接地短路...................................................... 28
三、线路
L2
出口处发生三相接地短路
...................................................... 30
第六节 小结............................................................................................................. 32
结 论................................................................................................................................ 33
致 谢
................................................................................................................................ 34
参考文献............................................................................................................................ 35
附 录................................................................................................................................ 36
一、 英文原文:
.....................................................................................................36
1
前 言
电力系统的互联,可以带来显著的经济效益,但是电力系统的规模越大,引
起系统事故的可能性也越大,系统中任一元件发生故障都有可能引起事故扩大。
如果电网结构不够强壮,或者安全自动装置不够健全,或者管理失当,都有可能
使系统陷入稳定危机,甚至大面积停电,乃至全网崩溃,给国民经济造成重大损
失。因此国内外大型电力系统的运行与规划都把电力系统的安全评定置于重要地
位。目前的中国已步入大电网、高电压和大机组的时代。随着“西电东送、南北
互供、全国联网
”
战略的全面实施,到
2020
年左右,我国将建成世界上罕见的跨
区域和远距离传输巨大功率的超高压交、直流混合输电系统。其经济效益十分明
显,不仅可以优化能源布局,充分利用西部地区丰富的水力资源,还可以减少备
用容量,进行区域间的相互功率支援和实现错峰效益。另一方面,互联电网的缺
点是,由于对事故的连锁反应,可能出现大面积停电。由于对电能的需求日益增
长,将进一步增加了输电系统的压力。因此,估计大面积停电事故的几率还将增
长。在我国,由于电网结构相对薄弱,重负荷长距离线路较多,因而稳定事故的
发生较为频繁。据统计,平均全国每年有 4.7 次稳定事故,总损失电量为 280.31
万 kWh,社会上由于停电造成的损失就更大了。
本论文主要是使用
MATLAB
中的
Simulink
模块可以搭建电力系统各类实际
设备的模型,进而开展电力系统暂态稳定性分析。第一章的主要内容是对电力系
统稳定性概念进行简述。第二章简单介绍 MATLAB 和 SimPowersystems。第三
章简单介绍单机无穷大系统基本原理。第四章主要描述仿真的具体步骤并根据
MATLAB 仿真出来的结果来分析电力系统的暂态稳定性,得出结论。仿真中,
考虑了以下几种故障类型,包括单相接地短路、两相接地短路、三相接地短路。
选择单机无穷大系统作为典型系统进行相关的分析。
3
加入或者切除大容量用户产生的扰动使负荷突然发生变化;主要元件(变压器、
发电机等重要的线路)被切除或者加入系统的过程中产生的扰动;电力系统发生
短路故障。短路故障产生的扰动最为严重。三相短路时系统的暂态稳定性经常受
到破坏所以三相短路所产生的扰动对于电力系统而言是最大的也最为危险,但是
发生的频率较低。两相接地短路的危害仅次于三相短路,对于电力系统的扰动较
大,发生的频率高于三相短路,一般在 23%~24%左右。单相短路发生在高压系
统的扰动次数一般可占总扰动数的
70%
左右,对系统的扰动短路故障中比三相短
路和两项短路要小,对于电力系统的影响也是最小的
[4]
。
当电力系统受到大扰动时,如线路的电流、节点电压、发电机输出功率等在
表征系统运行下的电磁变量都要有剧烈的变化。因为原动机的调速系统具有一定
的惯性,所以必须经过一段时间反应才能使原动机的功率发生改变。电机转子轴
上输出段和输入端的电磁功率与机械功率之间的平衡遭到破坏,产生一个不平衡
转矩作用于电机转子轴上,这个转矩发开始改变电机组转子的速度,使发电机的
功率角发生改变,使发电机组各转子之间发生相对运动(摇摆或振荡)。发电机
组转子相对角度的改变电力系统中电流和电压从而影响电机输出功率的变化。总
的来说大扰动所引起的电力系统暂态过程是存在有电磁暂态过程和发电机组转
子机械运动暂态过程联系在一起的复杂过程,也就是机电暂态过程
[5]
。
第三节 对在配电网中发生的故障进行分析
配电网故障可分为短路故障、单向接地故障、断线故障。电力系统中压配电
网接地方式普遍使用的是不直接接地方式或者弧线圈接地方式,由于配电网接地
故障发生时,通过地面的是小电流,也就叫作小电流接地系统。在该系统中接地
故障发生的频率最高,原因是三线电压仍然是对称状态,持续的电力供应不会影
响到负载,所以没有必要立即跳闸,但在接地故障相电压升高后,与故障运行时
间长了会影响系统的安全性,因此,有必要检测故障时间和故障线路。其他早期
故障位置一般存在大的接地电阻,会产生谐波电流,每个谐波电流分量小并会对
故障检测时的灵敏度判断产生影响。因此,需要有能够有效处理数字信号中微弱
信号能力的方法来分析非平稳信号。
研究配电网接地短路故障的主要方法是借助元件在短路后的暂态分量、稳态
分量和高次谐波分量进行分析计算。在故障检测中使用稳态分量存在的问题是故
障通常产生的接地稳态分量非常小会导致线选择装置不能进行正确的操作,并且
该方法需要在连续稳定状态下进行,所以在间歇性电弧接地时并不适用,因此可
5
第二章
MATLAB
及
SimPowerSystem
简介
第一节 MATLAB 简介
MATLAB 是 MATRIX LABORATORY(矩阵实验室)的缩写,是一款由美
国 MathWorks 公司于 1984 年出品的商业数学软件。墨西哥大学博士 Cleve Moler
在线性代数的教学中发现采用高级语言编程比较繁琐,于 1980 年开发 MATLAB
软件,目的是帮助学校老师的授课和学生的学习更加简明便捷
[8]
。MATLAB 最
早是一种具有算法开发以及数据分析功能的软件。MATLAB 功能随着需求的增
大不断的扩大应用范围,能够在其他领域得到很好的应用,也让其他领域的专家
着手为 MATLAB 开发和编写了与领域相对应的工具箱,以更好的处理专业问题。
同时也使得 MATLAB 的应用范围更大,因为带有开放式的可扩展环境,拥有 30
多种针对不同领域的工具箱,所以现在的 MATLAB 已不仅仅只专注于现代控制
系统分析以及综合应用,它已是一种融合多个学科且功能强大的技术计算语言,
是目前世界上优质的数值计算软件之一,是科学领域中仿真分析、算法研究以及
开发应用的基本工具和首选平台。
第二节
Simulink
简介
Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿
真和综合分析的集成环境。在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单
直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。Simulink 具有适应面广、结构和流程
清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点 Simulink
已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三
方软件和硬件可应用于或被要求应用于 Simulink。Simulink 可以用连续采样时间、
离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系
统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型,Simulink 提供了
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oligaga
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