基于PSAT的电力系统低频振荡分析论文定稿.docx

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摘要

随着电力工业的迅猛发展，电力系统的互联规模越来越大，电网的运行也越来越接近其稳定极限，这种情况下，互联电网中出现低频振荡的风险大大增加，低频振荡已经成为影响系统动态稳定性及远距离传输容量的重要因素。

电力系统低频振荡一旦发生，将会严重威胁着电网的安全运行，造成系统的稳定破坏。

因此，对低频振荡的分析与研究已成为国内外电力系统稳定性研究中的重点课题之一。

电力系统低频振荡属于系统动态稳定分析的问题。

本文将对互联电网低频振荡的问题作以大致的概括和分析。

主要从对电力系统低频振荡的定义分类、振荡机理、研究方法及抑制措施等方面着手，建立小扰动分析的经典四机两区域系统，基于Matlab中电力系统分析和控制的工具PSAT对该系统的振荡特征，及负荷、发电机励磁、电力系统稳定器（PSS）等不同的模型对于该系统低频振荡的影响进行分析。

关键词：

特征分析法，低频振荡，PSAT，电力系统稳定器

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofpowerindustry,theinterconnectionscaleofthepowersystemismoreandmorelargeandthepowergridoperationhasincreasinglybecomeclosetoitsstabilitylimit.Inthiscase,low-frequencyoscillationiseasytoappearininterconnectedpowergridandhasbecomeanimportantfactoraffectingthesystemdynamicstabilityandlong-distancetransmissioncapacity.Aslongasthelow-frequencyoscillationhappens,itwillbeaseriousthreattothesafeofthegrid,andcausegreatdamage.Therefore,theanalysisandresearchoflowfrequencyoscillationhasbecomeahottopicofthestudyaboutpowersystemstabilityintheworld.

Thestudyoflow-frequencyoscillationbelongstothedynamicstabilityanalysisofpowersystem.Inthispaper,thebasicproblemsoflow-frequencyoscillationsuchasthedefinition,themechanism,researchmethodsandthemeasuresofsuppressionwillbesummarizedandanalyzed.BasedonPSAT,whichisoneofthetoolsofanalysisandcontrolofpowersysteminMatlab,theclassicfourmachineandtworegionalsystemstotheanalysisofsmallperturbationswillbeestablishedtoanalyzetheoscillationcharacteristicsofthissystem.Besides,theaffectionoftheload,generatorexcitation,andpowersystemstabilizer（PSS）tothelow-frequencyoscillationwillbeanalyzedfurther.

KEYWORDS:

Eigenvalueanalysis,low-frequencyoscillations,PSAT,powersystemstabilizer

2

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章绪论 1

1.1电力系统低频振荡综述及研究意义 1

1.1.1电力系统低频振荡综述 1

1.1.2电力系统低频振荡研究意义 1

1.2电力系统分析工具PSAT的简要介绍 2

1.3本文主要工作 2

第2章电力系统低频振荡概述 4

2.1低频振荡的研究背景 4

2.2低频振荡的产生原因 4

2.3低频振荡的定义及分类 4

2.3.1低频振荡的定义 4

2.3.2低频振荡的分类 5

2.4低频振荡的机理 5

2.4.1基于阻尼转矩的原理 5

2.4.2基于强迫振荡的原理 5

2.4.3基于强谐振的原理 6

2.4.4分岔理论 6

2.4.5混沌现象理论 6

2.5低频振荡的分析方法 6

2.5.1特征分析法 7

2.5.2时域仿真法 8

2.5.3基于正规形理论的方法 9

2.5.4基于量测的方法 9

2.6低频振荡的抑制措施 9

2.6.1一次系统策略 10

2.6.2二次系统策略 10

2.7本章小结 11

第3章PSAT在电力系统分析中的应用 12

3.1Matlab中PSAT的概述 12

3.2PSAT中主要功能模块介绍 12

3.2.1系统模型库及主界面 12

3.2.2潮流计算 13

3.2.3最优潮流 13

3.2.4小信号分析 14

3.2.5时域仿真分析 14

3.3本章小结 14

第4章基于PSAT的电力系统低频振荡分析 15

4.1模型的建立 15

4.2运用PSAT计算潮流解 17

4.3计算特征值以及各机组参与因子 17

4.4励磁装置对电力系统低频振荡的影响分析 19

4.4.1励磁系统对低频振荡影响原理 19

4.4.2PSAT对励磁分析结果 19

4.5加装PSS对电力系统低频振荡的影响 20

4.5.1PSS抑制低频振荡的原理 20

4.5.2PSAT对加装PSS分析结果 20

4.6本章小结 21

第5章结论与展望 22

参考文献 23

附录 26

致谢 39

华北电力大学本科毕业设计（论文）

第1章绪论

1.1电力系统低频振荡综述及研究意义

1.1.1电力系统低频振荡综述

电力系统低频振荡的问题是随着电网互联而产生的。

电力系统开始联网运行时，互联规模小，同步发电机之间紧密联系,阻尼绕组能够产生足够的阻尼,系统低频振荡少有发生[1-2]。

随着电力系统互联规模的逐渐扩大，以及高放大倍数快速励磁器装置的广泛采用，再加上经济性、环保性等诸多因素的影响，电力系统的运行越来越接近其稳定极限。

近年来，在各国许多电网中都出现了低频振荡的现象，低频振荡的问题也越来越受到国内外学者的关注。

电力系统中，发电机经过输电线路并列运行，当有扰动发生时会发生发电机转子角之间相对摇摆，并且在缺乏阻尼时引起持续振荡。

与之对应，输电线上的功率也会发生相应振荡。

因为其振荡频率很低，一般在0.2~2.5Hz，因此称为低频振荡（也称功率振荡或机电振荡）。

而随着电网互联规模的持续增大，低频振荡频率也相应降低直至0.1Hz或更低。

无论在国内还是国外，电力系统低频振荡均有发生，经常出现在长距离、重负荷的输电线路上[5]。

对低频振荡的分析和研究，长期以来，一直是各国学者研究的热点。

随着电网互联规模的迅速扩大化，该问题的研究变得日益重要，其研究范围也越来越广泛。

一般来说，根据振荡的范围大小及振荡频率的高低，可以将其分为两大类[6]：

局部振荡和区域间振荡。

在电力系统低频振荡研究领域，在对低频振荡的物理机理的研究中，各国不同专家和学者提出的观点也不尽相同，本文主要介绍以下几种：

欠阻尼机理、发电机电磁惯性引起的低频振荡、非奇异现象及混沌振荡理论机理等。

研究低频振荡的方法也多种多样，到目前为止最主要有特征分析法、时域仿真法、基于正规形理论的研究方法、基于量测的研究方法等。

本文从抑制低频振荡的一次侧措施和二次侧措施入手讨论，介绍了目前抑制低频振荡的措施主要有加装电力系统稳定器PSS、加装直流信号调制、应用FACTS装置及使用电力系统智能控制器等。

迄今为止，电力系统稳定器PSS依旧是抑制电力系统低频振荡可以采用的最简单、经济且有效的措施[7]。

1.1.2电力系统低频振荡研究意义

电力系统的动态稳定性是对电力系统的安全可靠及节能经济性进行评估的重要技术指标。

主要指电力系统在正常运行方式及条件下，当受到一定扰动干扰时，经历暂态调节过程后，可以恢复到系统某一稳态运行状态的能力[8]。

电力系统低频振荡的问题是动态稳定性分析中的重要部分。

低频振荡严重影响着系统的安全可靠运行，而且对继电保护装置的动作和行为可以产生很大的影响，由于表现形式为等幅或增幅的电力系统低频振荡一旦发生，将会严重威胁到电力系统的安全稳定运行，而且很有可能导致连锁反应事故，造成系统的稳定性受到破坏，使用户大面积停电。

因此对电力系统低频振荡的研究意义十分重要，现阶段已经成为电力系统稳定性分析中的重点问题之一。

1.2电力系统分析工具PSAT的简要介绍

仿真软件是电力系统科学研究工作必不可少的条件,目前国内外科研机构及电力企业中常用的仿真软件主要分为电磁暂态和机电暂态这两大类。

近20年来，Mathematica、Matlab等的高级语言由于使用方法简便以及功能非常强大，在各种领域的科学研究中都有着广泛的应用，Matlab凭借其面向矩阵的编程特点、强大的图形处理功能以及完善的图形仿真界面（Simulink）而成为了应用于电力系统仿真的中的最有效地数学工具。

迄今为止，它已经发展成为适用于多种学科的功能非常强大的大型软件[9-11]。

随着Matlab的功能的不断强大和其不断地发展进步，出现了一系列以Matlab为平台的电力系统分析与控制的软件包，比如PST，MatPower，VST，MatEMTP,SPS及PAT[12-14]等,这些软件包分别有其功能上的侧重点，而本文介绍和运用到的电力系统分析和控制的软件PSAT（PowerSystemAnalysisToolbox），该工具箱的主要功能有：

潮流计算、最优潮流、连续潮流、时域仿真、小扰动分析、用户人机界面及自定义模型等。

经过各方面使用的验证，PSAT软件的功能非常强大，可以用来计算分析成千个或更多节点规模的电力系统。

另外，由于PSAT软件的源代码完全公开，用户为了达到实现自己的研究目的，可以自己编写或修改相应的源代码，使用过程十分灵活方便。

同时，因为Matlab的计算功能十分强大、以及其中包含的丰富的信号控制、信号处理、以及模糊控制分析等工具箱，使得PSAT软件可以把电力系统传统的仿真计算与控制科学、信号处理等诸多方面的新思想有机地结合起来。

随着电力工业的快速发展，各种新装备的使用和出现的新问题急需解决。

基于Matlab的电力系统分析与控制工具包PSAT，凭借其丰富全面的元件模型库、成熟方便的仿真功能以及开放的源代码和灵活简单的自定义功能而成为了学者研究电力系统时一个十分理想的选择。

1.3本文主要工作

本文第二章第一部分主要对电力系统低频振荡的研究背景、定义、产生原因及研究现状等问题作以概述，第二部分阐述了国内外学者对低频振荡的研究结果，主要从振