华南理工大学级电力系统课程教学设计电力系统稳定分析.docx
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华南理工大学级电力系统课程教学设计电力系统稳定分析
专业:
电气工程及其自动化
班级:
09电气(4)班
华南理工大学电力学院
2013-1-6
1任务书简介
1.1220kV分网结构和参数
图1220kV分网结构
500kV站(#1)的220kV母线视为无穷大母线,电压恒定在230kV。
图中,各变电站参数如下表:
表1各变电站参数
编号
类型
220kV最大负荷(MVA)
#1(节点6)
500kV站
平衡节点
#2(节点1)
220kV站
250+j20
#3(节点2)
220kV站
340+j90
#4(节点3)
220kV站
260+j85
#5(节点4)
220kV站
390+j90
各线路长度如图所示。
所有线路型号均为LGJ-2*300,基本电气参数为:
正序参数:
r=0.054Ω/km,x=0.308Ω/km,C=0.0116µF/km;
零序参数:
r0=0.204Ω/km,x0=0.968Ω/km,C0=0.0078µF/km;
40ºC长期运行允许的最大电流:
1190A。
燃煤发电厂G有三台机组,均采用单元接线。
电厂220kV侧采用双母接线。
发电机组主要参数如下表:
表2发电机组参数
机组台数
单台容量(MW)
额定电压(EV)
功率因数
升压变容量(MVA)
Xd
Xd’
Xq
Td0’
TJ=2H
3
300
10.5
0.85
350
1.8
0.18
1.2
8
7
当发电机采用三阶模型时,励磁环节(含励磁机和励磁调节器)模型如下(不考虑PSS):
图2励磁环节模型
上图中参数如下:
TR=0,KA=20,TA=0.1,Te=0.1,KE=1,KF=0.05,TF=0.7
发电厂升压变参数均为Vs%=10.5%,变比10.5kV/242kV。
不计内阻和空载损耗。
发电厂按PV方式运行,高压母线电压定值为1.05VN。
考虑该电厂开机三台,所有发电机保留10%的功率裕度。
发电厂厂用电均按出力的7%考虑。
稳定仿真中不考虑发电厂的调速器和原动机模型。
负荷采用恒阻抗模型。
1.2设计的主要内容
1、进行参数计算和标幺化,形成潮流计算参数。
2、用Matlab编制潮流计算程序,要求采用P-Q分解潮流计算方法。
3、用PowerWorld软件进行潮流计算并与自己编制的软件计算结果进行校核和分析。
4、用Matlab编制稳定计算程序(三台机可并联等值成一台机),发电机采用二阶经典模型(注:
用ode45函数既可求解)。
要求给出网络变换法求解转移阻抗的变换过程图;要求输出发电机功角,角速度,以及基于等面积定则的加速面积和减速面积。
5、自行选择2-3种故障方案,给出摇摆曲线,并计算故障的极限切除时间和极限切除角。
与PowerWorld软件的分析结果进行比较校核。
6、用PowerWorld作为分析工具,发电机采用三阶模型,对第5步的2-3种故障方案进行稳定计算,给出摇摆曲线,并计算故障的极限切除时间。
7、比较两种模型的仿真结果,分析发电机模型选择对于稳定计算结果的影响。
8、分析励磁调节系统参数变化对于稳定计算结果的影响。
9、编制课程设计报告。
1.3设计要求和设计成果
1、2位同学为一组,自行分工,但任务不能重复。
2、每位同学对自己的设计任务编写课程设计说明书一份。
3、一组同学共同完成一份完整的设计报告。
注:
设计说明和报告应包含:
✧以上设计任务每一部分的计算过程和结果分析;
✧所编制的潮流和稳定计算源程序(主要语句应加注释);
✧潮流计算结果(潮流图);
✧稳定计算的功角曲线等;
✧网络变换法求解转移阻抗的变换过程图。
2潮流计算分析
2.1参数计算
线路基本电气正序参数:
r=0.054Ω/km,x=0.308Ω/km,C=0.0116µF/km
取发电厂220kV母线为节点5,无穷大母线为节点6,其他变电站220kV母线依次为节点1~4,得线路长度如下:
L12=40km,L16=40km,L25=40km,L45=40km,L13=20km,L34=20km
取基准电压VB=230kV,基准功率SB=100MVA,则基准阻抗:
ZB=VB2/SB=2302/100Ω=529Ω
节点1、节点2、节点3、节点4为PQ节点:
P1s+jQ1s=250+j20,P1s*+jQ1s*=2.5+j0.2
P2s+jQ2s=340+j90,P2s*+jQ2s*=3.4+j0.9
P3s+jQ3s=260+j85,P3s*+jQ3s*=2.6+j0.85
P4s+jQ4s=390+j90,P4s*+jQ4s*=3.9+j0.9
节点5为PV节点:
P=300×0.9×0.93MW=753.3MW,P*=7.533,V*=1.0
节点6为平衡节点:
V*=230/230=1.0,δ*=0
2.2基于matlab的潮流计算程序
图3PQ分解法潮流计算程序流程框图
%PQ分解法潮流计算
%函数输出变量:
1)迭代次数;2)各节点的电压幅值;3)各节点的电压相角;4)平衡节点的功率;
%5)各线路功率
clc;%清理命令窗口
%======================================================参数设置
K=20;%最大迭代次数
limit=10e-6;%收敛条件
%===================================================参数设置结束
%===================================================基础参数录入
%线路基本电气参数
r=0.054;x=0.308;c=0.0116;
z=r+x*1i;%单位阻抗
b=2*pi*50*c*10^(-6)*1i;%单位电纳
%基准阻抗为484Ω,双回线的阻抗除以2,导纳乘以2
%支路信息矩阵:
首端节点末端节点支路阻抗*对地导纳/2*
branch=[1,2,z*40/2/529,b*40*529;
1,3,z*20/2/529,b*20*529;
1,6,z*40/2/529,b*40*529;
2,5,z*40/2/529,b*40*529;
3,4,z*20/2/529,b*20*529;
4,5,z*40/2/529,b*40*529];
%节点信息矩阵:
发电机出力节点负荷节点电压初值节点类型(1-平衡节点;2-PQ节点;3-PV节点)
node=[0,2.5+0.2i,1,2;%节点1,#2
0,3.4+0.9i,1,2;%节点2,#3
0,2.6+0.85i,1,2;%节点3,#4
0,3.9+0.9i,1,2;%节点4,#5
7.533,0,1,3;%节点5,发电机节点
0,0,1,1];%节点6,#1
%节点对地导纳向量
%===================================================基础参数结束
%===================================================形成Y矩阵
%形成矩阵B’和B”
[m1,n1]=size(branch);%m1为支路数
[m2,n2]=size(node);%m2为节点数
Y=zeros(m2);%预定义节点导纳矩阵
fora=1:
m2
m=branch(a,1);
n=branch(a,2);
Y(m,n)=Y(m,n)-1./branch(a,3);
Y(n,m)=Y(m,n);
Y(m,m)=Y(m,m)+1./branch(a,3)+branch(a,4);
Y(n,n)=Y(n,n)+1./(branch(a,3))+branch(a,4);
end
B1=zeros(m2-1);B2=zeros(m2-2);%预定义简化雅可比矩阵B’和B”
B1=imag(Y(1:
m2-1,1:
m2-1));B2=imag(Y(1:
m2-2,1:
m2-2));
G=real(Y);B=imag(Y);
Y0=zeros(m2);%预定义节点对地导纳向量
fora=1:
m2
m=branch(a,1);
n=branch(a,2);
Y0(m,n)=Y0(m,n)+branch(a,4);
Y0(n,m)=Y0(m,n);
end
%================================================形成Y矩阵结束
%======================================================迭代开始
%PQ节点电压初值矩阵
V=[1.0;1.0;1.0;1.0;1.0043;1.0];delta=zeros(m2,1);
kp=1;kq=1;
%预定义不平衡功率矩阵
DP=zeros(m2-1,1);DPV=zeros(m2-1,1);Ddelta=zeros(m2-1,1);
DQ=zeros(m2-2,1);DQV=zeros(m2-2,1);DV=zeros(m2-2,1);
fork=1:
K
%有功功率迭代
forI=1:
m2-1
SV=0;
forJ=1:
m2
SV=SV+V(J)*(G(I,J)*cos(delta(I)-delta(J))+B(I,J)*sin(delta(I)-delta(J)));
end
DP(I)=[real(node(I,1)-node(I,2))-V(I)*(SV)];
DPV(I)=DP(I)/V(I);
end
ifmax(abs(DP))kp=0;
ifkq==0
break;
end
else
Ddelta=(-inv(B1)*DPV)./V(1:
m2-1);
delta=[delta(1:
m2-1,1)+Ddelta;0];
kq=1;
end
%无功功率迭代
forI=1:
m2-2
SV=0;
forJ=1:
m2
SV=SV+V(J)*(G(I,J)*sin(delta(I)-delta(J))-B(I,J)*cos(delta(I)-delta(J)));
end
DQ(I)=[imag(node(I,1)-node(I,2))-V(I)*(SV)];
DQV(I)=DQ(I)/V(I);
end
ifmax(abs(DQ))kq=0;
ifkp==0
break;
end
else
DV=-inv(B2)*DQV;
V=[V(1:
m2-2)+DV;1.0043;1.0];
kp=1;
end
k=k+1;
end
%====================================================迭代结束
ifkp==0&&kq==0
disp('计算已收敛,迭代次数k=');
disp(k);
disp('各节点电压幅值和相角为');
disp('节点幅值/V相角/°');
disp([[1:
m2]',V*230,delta/pi*180]);
disp('平衡节点功率为/MVA');
SYV=0;
forb=1:
m2
SYV=SYV+conj(Y(m2,b))*conj(V(b)*cos(delta(b))+1i*V(b)*sin(delta(b)));
end
disp((V(m2)*cos(delta(m2))+1i*V(m2)*sin(delta(m2)))*SYV*100);
disp('各线路功率为/MVA');
S=zeros(m2);
forI=1:
m2
forJ=1:
m2
S(I,J)=(V(I)^2*conj(Y0(I,J))+(V(I)*cos(delta(I))+1i*V(I)*sin(delta(I)))*(conj(V(I)*cos(delta(I))+1i*V(I)*sin(delta(I)))-conj(V(J)*cos(delta(J))+1i*V(J)*sin(delta(J))))*conj(-Y(I,J)))*100;
end
end
disp(S)
else
disp('计算不收敛,请增加迭代次数或检查支路信息和节点信息');
end
2.3基于powerworld的潮流计算
(1)节点
a.根据题目要求建立并编号9个节点;
b.分别为发电机单元接线母线3个(母线7/8/9基准值设置成10.5KV);
c.发电厂汇总母线1个(母线5基准值230KV);
d.变电站母线4个(母线1/2/3/4基准值230KV);
e.平衡节点母线1个(母线6基准值230KV);
f.在母线9的信息菜单(BusInformationDialog)中勾选系统平衡母线选项(systemslackbus)以设置平衡节点;
g.另外,需要为母线设置电压表(标幺值),选择节点后点击相应母线。
(2)发电机
建立3个发电机分别连接到母线7、8、9,有功功率设置p=300×(1-0.10)(1-0.07)MW。
发电机模型、基本数据设定:
发电机励磁模型、基本数据设定:
(3)变压器、线路
节点7-5、8-5、9-5设置变压器,5-2.5-4.4-3.3-1.2-1.1-6六条线路:
(4)负荷
依照要求设置恒阻抗负荷:
(5)网架仿真图
(6)运行结果
a.将软件切换到运行模式如图所示
b.进行潮流计算
BusFlows
LOAD1246.7119.74247.5
TO2215.01-29.9030.30
TO2225.01-29.9030.30
TO331112.353.62112.40
TO332112.353.62112.40
TO661-240.7116.41241.30
TO662-240.7116.41241.30
BUS22230.0MWMvarMVA%0.9993-3.4011
LOAD2339.5289.87351.2
TO111-4.9822.4123.00
TO112-4.9822.4123.00
TO551-164.78-67.35178.00
TO552-164.78-67.35178.00
BUS33230.0MWMvarMVA%0.9906-4.021
LOAD3255.1283.41268.4
TO111-112.09-5.93112.20
TO112-112.09-5.93112.20
TO441-15.47-35.7839.00
TO442-15.47-35.7839.00
BUS44230.0MWMvarMVA%0.9949-3.9611
LOAD4386.0089.08396.1
TO33115.5032.1435.70
TO33215.5032.1435.70
TO551-208.50-76.68222.20
TO552-208.50-76.68222.20
BUS55230.0MWMvarMVA%1.0213-1.3911
TO221166.0366.72178.90
TO222166.0366.72178.90
TO441210.4780.28225.30
TO442210.4780.28225.30
TO771-251.00-98.00269.500.9500NT0.0
TO881-251.00-98.00269.500.9500NT0.0
TO991-251.00-98.00269.500.9500NT0.0
BUS66230.0MWMvarMVA%1.00000.0011
GENERATOR1486.16-20.70R486.6
TO111243.08-10.35243.30
TO112243.08-10.35243.30
BUS7710.5MWMvarMVA%1.00002.6211
GENERATOR2251.00118.88R277.7
TO551251.00118.88277.700.9500TA0.0
BUS8810.5MWMvarMVA%1.00002.6211
GENERATOR3251.00118.88R277.7
TO551251.00118.88277.700.9500TA0.0
BUS9910.5MWMvarMVA%1.00002.6211
GENERATOR4251.00118.88R277.7
TO551251.00118.88277.700.9500TA0.0
2.4潮流计算结果分析
利用matlab编制的潮流计算程序对图1的网络进行潮流计算,迭代次数为6,平衡节点有功功率为498.90MW,无功功率为54.61Mvar,各节点电压幅值和相角如表3所示。
表3节点电压(matlab)
节点
1(#2)
2(#3)
3(#4)
4(#5)
5(#6)
6(#1)
电压幅值(kV)
226.3658
226.7709
225.1731
225.6864
230.99
230.00
电压相角(°)
-3.3098
-3.4094
-4.0844
-4.0056
-1.3043
0
各线路功率如表4所示,线路编号是以有功功率的流向进行编号的。
表4线路功率(matlab)
线路
首端功率(MVA)
末端功率(MVA)
12
11.53-j24.36
11.52-j9.45
13
232.21+j44.72
231.62+j48.77
43
28.40+j28.94
28.38+j36.23
52
330.92+j98.11
328.48+j99.45
54
422.38+j126.41
418.40+j118.94
61
498.90+j54.61
493.74+j40.36
利用powerworld软件对图1的网络进行仿真潮流计算,平衡节点有功功率为486MW,无功功率为21Mvar,各节点电压幅值和相角如表5所示。
表5节点电压(powerworld)
节点
1(#2)
2(#3)
3(#4)
4(#5)
5(#6)
6(#1)
电压幅值(kV)
228.482
229.84
227.84
228.83
230.00
230.00
电压相角(°)
-3.27
-3.39
-4.02
-3.95
2.63
0
各线路功率如表6所示,线路编号是以有功功率的流向进行编号的。
表6线路功率(powerworld)
线路
首端功率(MVA)
末端功率(MVA)
12
10.02-j59.80
9.96-j44.82
13
224.70+j7.24
224.18+j11.86
43
31.00+j64.28
31.08+j71.52
52
332.06+j133.44
329.56+j134.70
54
420.94+j160.56
417.00+j153.36
61
486.16-j20.70
481.42-j32.82
潮流仿真图如图4所示。
图4powerworld潮流仿真图
对比matlab和powerworld的结果可得,线路有功功率相差较小,无功功率和电压相差较大。
3稳定计算分析
3.1参数计算
取系统基准功率SB=100MVA,由发电机单台额定容量为300MW,功率因数为0.85,可得发电机单台额定容量:
Sn=Pn/cosψ=300/0.85=352.94MVA
又Tj=7,故三台发电机合并后的等值惯性时间常数:
T∑=3×Tj×Sn/SB=74.12
发电厂升压变电抗标幺值:
=
发电机暂态电抗标幺值:
=
平衡节点功率S*=(498.90+j54.61)/100=4.9890+j0.5461
3.2网络变换法求解转移阻抗
在进行稳定计算时,首先应求解网络的故障前、故障时和故障后的转移阻抗,可利用电路的串并联、星网变换等网络变换方法,并根据正序等效定可求得转移阻抗,从而进一步得出功率特性。
在此网架中,由于负荷采用恒阻抗模型,其阻抗较大,可忽略不计。
选取两种故障方案如下:
1)1号故障:
在节点1(#2)到节点6(#1)的双回输电线路的某回线路中部发生三相短路;2)2号故障:
在节点4(#5)到节点3(#4)的双回输电线路的某回线路首端发生三相短路。
下面针对这两种故障方案求解故障时和故障后系统的转移阻抗。
图5故障前系统的转移阻抗
图5是故障前系统的转移阻抗网络变换图,转移阻抗标幺值:
Z1*=0.004083+j0.2044
图61号故障时系统的转移阻抗
图6是1号故障前系统的转移阻抗网络变换图,转移阻抗标幺值:
Z2*
(1)=(0.0030624+j0.1985)+(0.0010208+j0.005822)+(0.0030624+j0.1985)×(0.00102+j0.005822)/(0.00051+j0.002911)=0.0102+j0.6013
图71号故障后系统的转移阻抗
图7是1号故障后系统的转移阻抗网络变换图,转移阻抗标幺值:
Z3*
(1)=0.0061248+j0.216
图82号故障时系统的转移阻抗
图8是2号故障时系统的转移阻抗网络变换图,转移阻抗标幺值:
Z2*
(2)=(0.00102079+j0.18689)+(0.0030623+j0.017467)+(0.00102079+j0.18689)×(0.0030623+j0.017467)/(0.000510397+j0.0029112)=0.0102+j1.3257
图92号故障后系统的转移阻抗
图9是2号故障后系统的转移阻抗网络变换图,转移阻抗标幺值:
Z3*
(2)=0.00431+j0.2056
3.3基于matlab的稳定计算程序
%发电机采用二阶经典模型,用ode45函