电力系统综合课程设计.docx

资源描述

电力系统综合课程设计.docx

《电力系统综合课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力系统综合课程设计.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电力系统综合课程设计.docx

电力系统综合课程设计

电力系统分析综合课程设计报告

电力系统的潮流计算和故障分析

学院：

电干信息与电气工稈学院

专业班级：

学生姓名：

学生学号：

指导教师：

2014年10月29日

一、设计目的1

二、设计要求和设计指标1

2.1设计要求1

2.2设计指标2

2.2.1网络参数及运行参数计算2

2.2.2各元件参数归算后的标么值：

2.2.3运算参数的计算结果：

三、设计内容2

3.1电力系统潮流计算和故障分析的原理

3.1.1电力系统潮流计算的原理2

3.1.2电力系统故障分析的原理3

3.2潮流计算与分析.

3.2.1潮流计算4

3.2.2计算结果分析8

3.2.3暂态稳定定性分析8

3.2.4暂态稳定定量分析11

3.3运行结果与分析16

3.3.1构建系统仿真模型16

3.3.2设置各模块参数17

3.3.3仿真结果与分析21

四、本设计改进建议22

一、设计目的

学会使用电力系统分析软件。

通过电力系统分析软件对电力系统的运行进行实例分析，加深和巩固课堂教学内容。

根据所给的电力系统，绘制短路电流计算程序，通过计算机进行调试，最后成一个切实可行的电力系统计算应用程序，通过自己设计电力系统计算程序不仅可以加深学生对短路计算的理解，还可以锻炼学生的计算机实际应用能力。

熟悉电力系统分析综合这门课程，复习电力系统潮流计算和故障分析的方法。

了解Simulink在进行潮流、故障分析时电力系统各元件所用的不同的数学模型并在进行不同的计算时加以正确选用。

学会用Simulink,通过图形编辑建

模，并对特定网络进行计算分析。

二、设计要求和设计指标

2.1设计要求

系统的暂态稳定性是系统受到大干扰后如短路等，系统能否恢复到同步运行

状态。

图1为一单机无穷大系统，分析在f点发生短路故障,

通过线路两侧开关

则发电机的功角保

同时断开切除线路后，分析系统的暂态稳定性。

若切除及时,

1•-SGN二352.5MWAPGN二300MW,UGN二10•钛v,---

xd,xd0.25,xx0.252,xq0.6,

xi=0.18,Td=1.01,Td=0.053,Tqo=0.1,Rs=0.0028,H（s）=4s;TJN=8s,负序电

抗：

X2=0.2。

变压器T・1的参数:

STNl=360MVA,USTl%=14%,KTl=10.5/242;

变压器T・2的参数:

STN2=360MVA,UST2%=14%,KT2=220/121;

线路的参数：

l=279km,UN=220K,XI^0.41欧/km,rL=0.07欧/km,线路的零序电抗为正序电抗的5倍。

运行条件如下：

Uo=115KV,Po=250W,功率因数为0.95。

当0.029s发生单相故障时，断路器0・29s动作切除故障，判定发电机转速是否达到稳定？

系统是否稳定？

2.2设计指标

2.2.1网络参数及运行参数计算

取SB=250MV*A,Ubhi=115kVo为使变压器不出现非标准变比，各段基准电

压为UBII=UBIlIxkT2=x220_kV=kV,Ubi=UbiKky9.07kV

121

2.2.2各元件参数归算后的标么值如下：

Xd=0.95,Xq=0.57,Xd'=0.238,Rl=0.1,Xl=0.586,Xlo=5Xl=2.93

X====

ti0.13,XT2O.IO&X20.19,Tj11.28s

Xtl=Xti+Xl+Xt2=0.13+1Xo.5怖0.108=0.531

s=+x=+=

XdXdtl0.2380.5310.769

2.2.3运算参数的计算结果如下：

Uo=-^=—5=1；卩（）=也=型=1；Qo=Potan

Ubiii115SB250

EoUo+QoXu送+"PoXu'=J（1+0.329>0.7692）+（1+0.769j=1.47

HUo丿luo丿

6o=arctan'-0"769=31.54°

10.3290.769

三、设计内容

3.1电力系统潮流计算和故障分析的原理

3.1.1电力系统潮流计算的原理

电力系统潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，是对复杂电力系

统正常和故障条件下稳态运行状态的计算。

潮流计算的目标是求取电力系统在给定运行状态的计算，即节点电压和功率分布，用以检查系统各元件是否过负荷。

各点电压是否满足要求，功率的分布和分配是否合理以及功率损耗等。

对现有的电力系统的运行和扩建，对新的电力系统进行规划设计以及对电力系统进行静态和稳态分析都是以潮流计算为基础。

潮流计算结果可用如电力系统稳态研究，安全估计或最优潮流等对潮流计算的模型和方法有直接影响。

实际电力系统的潮流

技术那主要采用牛顿一拉夫逊法。

运行方式管理中，潮流是确定电网运行方式的基本出发点；在规划领域，需要进行潮流分析验证规划方案的合理性；在实时运行环境，调度员潮流提供了多个在预想操作情况下电网的潮流分布以及校验运行可靠性。

在电力系统调度运行的多个领域问题是研究电力系统稳态问题的基础和前提。

算还是网损计算、静态安全分析、暂态稳定计算、小干扰静态稳定计算、短路计算、静态和动态等值计算的基础。

电力系统潮流计算也分为离线计算和在线计算两种，前者主要用于系统规划设计和安排系统的运行方式，后者则用于正在运行系统的经常监视及实时控制。

近20多年来，潮流算法的研究非常活跃，但是大多数研究都是围绕改进牛顿法和P・Q分解法进行的。

此外，随着人工智能理论的发展，遗传算法、人工神经网络、模糊算法也逐渐被引入潮流计算。

但是，到目前为止这些新的模型和算法还不能取代牛顿法和P・Q分解法的地位。

由于电力系统规模的不断扩大，对计算速度的要求不断提高，计算机的并行计算技术也将在潮流计算中得到广泛的应用，成为重要的研究领域。

3.1.2电力系统故障分析的原理

电力系统稳定性是指当系统在某一正常运行状态下受到某种扰动后，能否经

过一定的时间后恢复到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳定运行状态。

如果

能够回到原来的运行状态或者建立一个新的稳定运行状态，则认为系统在该运行

状态下是稳定的。

反之，若系统不能够回到原来运行状态或者不能建立一个新的稳定运行状态，则说明系统的状态变量没有一个稳态值，而是随时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。

电力系统稳定性被破坏后，将造成大量用户供电中断，

甚至导致整个系统的瓦解，后果极为严重。

因此，保持电力系统的稳定性，对于电力系统安全可靠运行，具有非常重要的意义。

电力系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定：

（1）电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。

（2）电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。

（3）电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。

在电力系统运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障（简称短路）。

所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。

在三相供电系统中，可能发生的主要短路类型有三相短路、二相短路、两相接地短路和单相接地短路，三相短路属对称短路，其余三种为不对称短路。

在四种短路故障中，岀现单相短路故障的机率最大，三相短路故障的机率最小。

发生短路时，由于系统中总阻抗大大减少，因而短路电流可能达到很大数值（几万安至十几万安）。

这样大的电流所产生的热效应和机械效应会使电气设备受到破坏；同时短路点的电压降到零，短路点附近的电压也相应地显著降低，使此处的供电系统受到严重影响或被迫中断；若在发电厂附近发生短路，还可能使整个电力系统运行解列，引起严重后果。

3.2潮流计算与分析

3.2.1潮流计算

上述单机无穷大系统在发电机保持不变的条件下的潮流计算如下:

1.481

—丄pocosgo=1.752x+

1.101

=J（片0・329<0・531）2+（20.531）2二129

1x0.531o

Stlo=arctan=24.32

l+0.329X0.531

1==

当保持EqEqo常数时匕U.z、

qo0Uo~i'Xk—x吁！

2.088If1.48L1.101、

HEqsin6+J◎Isin1>―sin6+—:

isin2d

XdZ2IXdSXJ1.4812'-1.48f1.101'

=1.41sin3+0.117sin

1.41cos5^.2342（cos2§-1>0.468cos2§+1.41cos§82340=

._1.41土Jl・42+4x0.468x0.234

cos5=

2X0.468

取正号得5Eqm=80.93°

p=6=+（x）=1.429

Eqm1.4IsinEqm0.117sin2Eqm1.41sin80.930.117sin280.93

cEq'oUo..Uo2|XdZ-XqZ，Uo?

Xd》+XqZ

Qu—cos0十cos20—

XdS2IXdIX£2IXdDCqZ

=2.088COS§+丄1.481一1.101Cos26_J-1.481+.101i

1.48124.481xl.1012^1.481x1.101■'

=1.41cos§+0.117cos-0.792

Eq'=Eqo+kocos6

xgIXd》丿

=2.088x0.769+1-076^{cos6=1.084+0.481cosS

1.481<1.481丿

EVUg

AiUoj1

.QuXd》

X^2IXdTXqZ?

=/2+2+2_'AiBiCi2BixAiC\cos

q°

0.391Bi~Xd^Xdy~1.084

+_）5+2AiCicos为

0.09

=壬fXdr-Xq》、C1UoXd22lXdSXqZ..

"QuXY，Px）2

+IU

叭u。

u°丿

IJTI

IUo

o77

A2+B2^C2"1^2C2）co$+2A2C2COS23

A2UoJ

「1

~x一

q°

1Xd》-Xq0

=ux

C2otl2lXdZXqZ，.-0.062

②当保持=Eq，o=常数时

P.Eqo0Uo

Eq二sin6+

XdS

0.579

BX_

2TL

工0.749

sin26=

2IXdSXqS丿

=1.896sin-0.196sin2&

L458

sin6+—

0.7692

'0.769_l.ior,

isin260.76/LlOf

dPEq

d5=1.896cos°_2X0.196cos2°=0

p-（江）=

Eqm1.896sin101.050.196sin2101.051.935

EqqoXd为

1.481（1.481、

=1.458x_icos5=2.808_0.925cosS

0.769I0.769丿

E=VA32+B32+C3*+2B3（A3+C3kos§+2A3C3cos步

Ug=VA42+B42+C42+2B4（A4+C4）bos五+2A4C4cos^

A4=U01—XTL

C4~UoXtl—

2IXd^xg）\Xd£-XqJ

lo.414

=-0.104

③•=■=

当保持EEo常数时

dPE・

d6=°

arcsinL0.205sin5^§=90

^EmFO1・5

Pem=1.912sin90=1.912

iin订

'[LEo'lxg）』XdIIXdZ=2.83lcos〔arcsin（0.205sin§）】-0・926cos§

§1=1.47cofarcsip0.205sii^

Eq=Eo‘cos{-arcsin

Eq=Eocos

arcsin

「Uo

Uoco6

arcsinjin

lEo'IX疋」

‘X吃

in[Eo[X正1J

8+8=

sin

（-8）+6

arcsin0.205sin

A5B5

+2+・

C52A5C5cosarcsin

_Eo'lXqXl>i

AsUo'lTLXf0.309④=二常数

当保持UgoUo时

PuU・

ug=_in

Eq'=

XtlxQ1.015

dPuG

-1iin

&+3

ituv

z）

」J

G0Xq

=2.427sin{ircsinL0.402sin畀+&}

d60

arcsin°0.402si』山=90

112

uGm2.427

Eq二UG0CO$

-arcsin•

3.595co^arcsiA0.402sir^卩一1.789

'xlXJ'

TLTL

=彳一EqUgocosarcsin

z丿

1.867cosLrcsin（0.402sin卩-0.448

-学）&

1XtlUocos

E=1Ab2+B624-2A6B6cos^arcsin

-1iin

J』

A6=U

LXt

XtlJ

=-0.448

・u

B6=Xdv―=1.868

XTL

3.2.2计算结果分析

由上述计算结果可作出图2功率特性图和图3电势变化特性图。

计算结果说明PE•和PEq的差别是很小的。

同时，E'和Eq在各种计算条件下

的差别也是很小的。

从Eq的变化可以看到，保持常数的电势不同，调节器的放大系数也不同。

图2功率特性计算结果

图3各电势变化特性

3.2.3暂态稳定定性分析

如图4所示为一正常运行是的简单电力系统及其等值电路，发电机经过变压器和双回路向无限大系统送电。

发电机在正常运行、故障以及故障切除后3种状态下的功角特性曲线如图5所示

rTlLIIUY

（W3M~ZZ^

图4简单电力系统及其等值电路

a）正常运行方式及其等值电b）故障情况及其等值电路c）故障切除后及其

等值电路

图5简单系统正常运行、故障及故障切除后的功率特性

①正常运行

正常运行时发电机的功率特性曲线为P,此时向无穷大系统输送的功率P与I0

原动机输出的机械功率Pt相等（假设扰动后Pt保持不变），图5中的a点即正常运行发电机的运行点，此时功角为00O

2故障阶段

发生短路后功率特性立即降为Pn,但由于转子的惯性，转子角度不会立即变化，发电机的运行点由a点突变至b点，输出功率显著减少，而原动机机械功率Pt不变，故产生较大的过剩功率。

故障情况愈严重，Ph功率曲线幅值愈低（三相短路时为零），则过剩功率愈大。

在过剩转矩的作用下发电机转子将加速，其

相对速度（相对于同步转速）和相对角度6逐渐增大，使运行点由b点向c点移

动。

如果故障一直存在，则始终存在过剩转矩，发电机将不断加速，最终与无限

大系统失去同步。

3故障及时切除

实际上，短路故障后继电保护装置将迅速动作切除故障路线。

假设在C点时

将故障切除，则发电机的功率特性变为Pin,发电机的运行点从c点突然变至e

点（同样由于3不能突变）。

这时，发电机的输出功率比原动机的机械功率大，

使转子受到制动，转子速度逐渐减慢。

但由于此时的速度已经大于同步转速，所

以相对角度还要继续增大。

假设制动过程延续到f点时转子转速才回到同步转速，则

角不再增大。

但是，在f点是不能持续运行的，因为这时机械功率和电

磁功率仍不平衡，前者小于后者。

转子将继续减速，开储减小，运行点沿功率特

性P川由f点向e、k点转移。

在达到k点以前转子一直减速，转子速度低于同

步转速。

在k点虽然机械功率与电磁功率平衡，但由于这时转子速度低于同步转

速，3继续减小。

但越过k点以后机械功率开始大于电磁功率，转子又加速，因

而5一直减小到转速恢复同步转速后又开始增大。

此后运行点沿着Pin开始第二

次振荡。

如果振荡过程汇总没有任何能量损耗，则第二次6又将增大至f点的对应角度以后就一直沿着P川往复不已的振荡。

实际上，振荡过程中总有能量损耗，或者说总存在着阻尼作用，因而振荡逐渐衰弱，发电机最后停留在一个新的运行点k上持续运行。

K点即故障切除后功率特性P川与Pt的交点。

图6画出了上述振荡过程中负的过剩功率，转子角速度国和相对角度§随时间变化的情形。

图中考虑了阻尼作用。

图6振荡工程

4故障切除过晩

如果故障线路切除得过晩，如图7所示。

这时在故障线路切除前转子加速已比较严重，因此当故障线路切除后，在到达与图5中相应的f点时转子转速仍大于同步转速。

甚至在到达h点时转速还未降至同步转速，因此§就将越过h点对应的角度6ho而当运行点越过h点后，转子又立即承受加速转矩，转速又开始

升高，而且加速度越来越大，樽不断增大，发电机和无限大系统之间最终失去同步。

失步过程如图8所示。

由上可见，快速切除故障是保证暂态稳定的有效措施。

由以上分析可知，系统暂态稳定与否是和正常运行的情况（决定Pt和目大

小）以及扰动情况（发生什么故障、何时切除）紧密相关。

为了准确判断系统在某个运行方式下受到某种扰动后能否保持暂态稳定，必须通过定量的分析计算。

3.2.4暂态稳定定量分析

⑴系统转移阻抗和功率特性计算，在图1单机无穷大系统中，当f点发生两

图9序网及短路时的等值电路图

a）负序网络b）零序网络c）短路是的等值电路

X0X、4\

伍2+t2』_xl+T2f（0.191-0.13j-x0.586f0.1081

12丿V）

X^=节=\=0.178

X24-Ati+-Xl+AT20・1畀0・13+_X0.586f0.108

Xfj.+X1fl+）

T1;2XlT2丿0.5860.108i

X匸="=0.12

ati+—Xl+入T20.13+-X0.586+0.108

两相接地时的短路附加电抗为

皆X瓦X2Z=0.072

XoZ+x2Z

短路时的等值电路如图c）所示，系统的转移电抗和功率特性分别为

（Xd'+XTI什Xl+XT2J

“*A1X；2I

Xn=Xd+ti+—xi+丁2+、=2.82

2XA

P=EoUj）sin§=o.52sin6

故障切除后系统的转移电抗和功率特性分别为

二+X+十=

XmXd'T,XlXT21.062

EU.

Pm—00SlI^=1.384sinS

Xin

系统极限切除角计算

应用等面积定则，可求的极限切除角&C皿为

P0（6仝P）+cos§-6

de.lim=arccos—L_llAiuPIlincoso=1.1102

P"P

millmII

式中，临界角Scr=兀一arcsinPo=2.334

Pmlll

以上的角度都是用弧度表示的，换算成度数为

=63.61°5=133.73°

根据分段计算法计算极限切除时间发电机惯性时间常数

gn352.5

「—=X—

TjTjnSb82501L28s

△t取为0.05s,

K==1&00Q-x0.052=3.99

Tj11.28

第一个时间段

%）rPo-P叫，广ro.52Xsin31.54：

0.728

△5（）二丄KAPf）=4X3.99X0.7284.45

F严0+△%厂31.54+1・45二32.99第二个时间段

△*.=—PEf——X

P\fPomiifinT）10.52sin32.990.717

△々严％+kApq）=1.45+3.99P.717=4.31o

即严（严6（i）=32.99+4.31=37.3

第三个时间段开始瞬间，故障被切除，故

仏rPo一）=l~0.52Xsin37.3=0.685

=0.16

1°

399X（0.6850.19=6.0

）=Po-Pmm抽勺）=1-1.384xsin37.3）=△§（）+K（APf）+APf））=4.34

%厂％）中厂37.3+6—43.3

在上述简单系统中，短路故障期间发电机摇摆曲线即转子的运动方程为

这是两个一阶的非线性常微分方程，它们的起始条件是已知的，即

・_P

t=0；co=l；oE=*5=sini—p

当计算出故障期间的tm后，就可由曲线找到与极限切除角相应的极限切除时间。

如果问题是已知切除时间，而需要求出§-t曲线来判断系统的稳定性，则当

6-t曲线计算到故障切除时，出于系统参数改变，以致发电机功率特性发生变化,

必须开始求解另一组微分方程，即

——=（◎T丹。

——sinS

Xiii

dco1『

=—Pt—-

dtTj<

式⑵的起始条件为ttr;5=5c；

CO6Q

c为与tc时刻对应的和，可由故障期

6、

其中，tc为给定的切除时间，C

间的3-1曲线和co-t曲线求得（3和◎都是不能突变的）。

这样，由式⑵可继

续求得3和◎随时间变化的曲线。

一般讲，在

展开阅读全文