電力系統(tǒng)暫態(tài)分析課程設(shè)計(jì).doc

目錄1 課題概述11.1課題要求11.2課題內(nèi)容11.3 課題目的22短路故障分析22.1 不對(duì)稱故障的分析22.2對(duì)稱分量法基本原理2 2.3 兩相短路故障分析42.4 短路電流計(jì)算步驟73方案設(shè)計(jì)93.1方案概述93.2 課題設(shè)計(jì)圖44兩相短路的仿真分析104.1 PSCAD簡(jiǎn)介104.2 兩相短路故障的仿真 105總結(jié)13參考文獻(xiàn)141課題概述1.1 課題要求（1）熟悉PSCAD軟件；（2）編寫短路計(jì)算流程圖；（3）建立系統(tǒng)三相接線圖的仿真過程； （4）得出仿真結(jié)果。1.2 課題內(nèi)容某3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)單線圖，如圖2所示。基準(zhǔn)功率為，不同電壓等級(jí)下的輸電線路典型參數(shù)（/km），如表1所示；發(fā)電機(jī)及負(fù)荷參數(shù)，如表2所示。注意雙繞組變壓器容量為100MVA，一次側(cè)星接，直接接地，二次側(cè)三角接；變壓器兩邊電壓等級(jí)不同，線路參數(shù)也應(yīng)當(dāng)不同。計(jì)算下列不對(duì)稱故障情況下的故障電流和電壓。節(jié)點(diǎn)buse6發(fā)生金屬性兩相短路故障。圖1.1 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)單線圖具體參數(shù)如下表1 不同電壓等級(jí)下的輸電線路典型參數(shù)（/km）電壓等級(jí)（kV）110220330500750正序電感/mH132.5127.4105.189.1785.35零序電感/mH397.5382.2315.3273.9267.5正序電阻/8.057.054.641.961.22零序電阻/35.232.326.218.2827.29正序電容/0.7210.861.1131.351.367零序電容/0.5860.6050.7630.920.93正序阻抗角/（）7680828687.4零序阻抗角/（）7075757872表2 發(fā)電機(jī)及負(fù)荷參數(shù)發(fā)電機(jī)及負(fù)荷電壓（kV）有功（MW）無(wú)功（MVar）正序電抗零序電抗16.5400226.10.20.0510.5300213.40.20.0513.8300-11.20.20.05220312.51252202257522025087.51.3 課題目的電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障造成的危害性是最大的。作為電力系統(tǒng)三大常規(guī)計(jì)算之一，分析短路故障的參數(shù)更為重要。目的如下：1.通過課程設(shè)計(jì), 使學(xué)生掌握電力系統(tǒng)三相短路計(jì)算的基本原理與方法；2.掌握并能熟練運(yùn)用PSCAD/MATLAB仿真軟件；3.采用PSCAD/MATLAB軟件，做出系統(tǒng)三相接線圖。2 短路故障分析電力系統(tǒng)故障表現(xiàn)各異，形式上又可分為短路故障、斷線故障（非全相運(yùn)行），按分析方法分為不對(duì)稱故障、對(duì)稱故障，對(duì)稱故障一般指三相短路故障，不對(duì)稱故障則包括不對(duì)稱短路(單相短路接地、兩相短路、兩相短路接地)和非全相運(yùn)行(單相斷路、兩相斷路) 2種。電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，伴隨短路所發(fā)生的基本現(xiàn)象是：電流劇烈增加，線端處發(fā)生三相短路時(shí)，電流的最大瞬時(shí)值可能高達(dá)額定電流的10-15倍，從絕對(duì)值講可達(dá)上萬(wàn)安培，甚至十幾萬(wàn)安培。在電流急劇增加的同時(shí)，系統(tǒng)中的電壓大幅度下降，例如系統(tǒng)發(fā)生三相短路時(shí)，短路點(diǎn)的電壓將降到零，短路點(diǎn)附近各點(diǎn)的電壓也將明顯降低。 2.1不對(duì)稱故障的分析電力系統(tǒng)中發(fā)生不對(duì)稱短路時(shí)，無(wú)論是單相接地短路、兩相短路還是兩相接地短路只是在短路點(diǎn)出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，而其它部分三相仍舊是對(duì)稱的。根據(jù)對(duì)稱分量法列a相各序電壓方程式為： 上述方程式包含了六個(gè)未知量，必須根據(jù)不對(duì)稱短路的具體邊界條件列出另外三個(gè)方程才能求解。2.2對(duì)稱分量法基本原理對(duì)稱分量法是一種將不對(duì)稱三相分量分解為三相對(duì)稱分量的方法，采用這種方法能比較清晰地對(duì)電力系統(tǒng)不對(duì)稱短路故障情況進(jìn)行分析。若以A相電流為基準(zhǔn)相，三相向量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系為： 式（2.1）式中: ，且有，；、分別為A相電流的正序、負(fù)序、零序分量，并且有： ， 式（2.2） 由上式可以作出三相量的對(duì)稱分量，見圖2.1。圖2.1正序、負(fù)序、零序電流的對(duì)稱分量圖將公式（2-3）代入公式（2-2），得 式（2.4）電力系統(tǒng)運(yùn)行情況雖然復(fù)雜，但是用對(duì)稱分量法，可以把不對(duì)稱短路故障分解為三相對(duì)稱分量來(lái)處理，把負(fù)載端的不對(duì)稱電壓和電流看成是三組（正序、負(fù)序、零序）對(duì)稱電壓和電流的疊加，由于發(fā)電機(jī)只有正序電勢(shì)，因此只有正序網(wǎng)絡(luò)存在發(fā)電機(jī)電勢(shì)，負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)只有負(fù)序阻抗和零阻抗，由此可以得其電動(dòng)勢(shì)平衡方程式： 式（2.5）其中為正序電勢(shì)，、分別為正序、負(fù)序、零序的電抗，、為A相電壓的正序、負(fù)序、零序分量8。2.3 兩相短路故障分析兩相短路是四種常見的短路類型之一如圖2.2圖2.2兩相短路電路圖邊界條件為： 用對(duì)稱分量法可表示為 復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)圖：圖2.3兩相短路的復(fù)合序網(wǎng)正負(fù)序電流為： 正負(fù)序電壓為： 短路點(diǎn)故障電流為 短路點(diǎn)三相電壓為 若在短路點(diǎn)b、c兩相直接接地，則，各序電流為（設(shè)各序阻抗為純電抗）。 正負(fù)序電壓為 各相電壓為 選取正序電流作為參考相量，負(fù)序電流與它的方向相反，正序電壓與負(fù)序電壓相等，都比超前，從而作出其電壓、電流相量圖，如圖（2.4）所示。(a) 電流相量圖； (b)電壓相量圖圖2.4兩相短路時(shí)短路點(diǎn)的電流、電壓相量圖2.4 短路電流計(jì)算步驟（1）繪制計(jì)算系統(tǒng)圖在計(jì)算用圖中應(yīng)包括與短路電流計(jì)算有關(guān)的全部電力元件（如系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等），以及它們之間的連接關(guān)系。在元件旁邊應(yīng)注明它們的技術(shù)數(shù)據(jù)，如額定電壓、額定容量、線路的長(zhǎng)度及線路型號(hào)等。另外，在計(jì)算圖上應(yīng)標(biāo)明短路點(diǎn)。為了便于計(jì)算，每個(gè)元件按順序編號(hào)。（2）計(jì)算各元件參數(shù)根據(jù)給定的電力系統(tǒng)，首先確定是用標(biāo)幺值的計(jì)算方法計(jì)算短路電流，還是用實(shí)際值計(jì)算的方法。一般在有兩個(gè)及兩個(gè)以上的電壓等級(jí)情況下用標(biāo)幺值的方法較實(shí)際值的方法計(jì)算簡(jiǎn)便。用實(shí)際值計(jì)算時(shí)，首先選定一個(gè)基準(zhǔn)值（即電壓等級(jí)），此基準(zhǔn)值應(yīng)選被計(jì)算短路電流短路點(diǎn)的電壓等級(jí)，然后將其他電壓等級(jí)所有的阻抗用變壓器變比原理?yè)Q算到基本級(jí)上來(lái)。用標(biāo)幺值計(jì)算時(shí)，首先選定一個(gè)基準(zhǔn)容量，此基準(zhǔn)容量的選擇應(yīng)上“便于計(jì)算”，使x值小數(shù)點(diǎn)前后的0最少。一般選取整數(shù)，如：系統(tǒng)大，取Sb=1000MVA;系統(tǒng)小，取Sb=100MVA。基準(zhǔn)電壓一般選取平均電壓：Ub=Uav比額定電壓高5%，Un(kV) 220 110 35 10 0.38 ;Uav(kV) 230 115 37 10.5 0.4 然后算出基準(zhǔn)電流值。（3）繪制等值網(wǎng)絡(luò)圖繪制電力系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)圖的目的是便于短路電流計(jì)算。圖中應(yīng)標(biāo)明各元件的序號(hào)及阻抗。（4）網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)是將等值網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)到最簡(jiǎn)單的形式，若有兩個(gè)及兩個(gè)以上的電源，則歸并成一個(gè)電源。有并聯(lián)的回路化簡(jiǎn)成串聯(lián)。采取多電源歸并成一個(gè)電源的方法，是因?yàn)槲覀儾扇×艘幌盗械募僭O(shè)條件，所以在計(jì)算中可以用電源的阻抗相并聯(lián)的方法。（5）進(jìn)行短路電流計(jì)算通過以上工作，把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)化簡(jiǎn)成只有一個(gè)等效元件的系統(tǒng)，等效元件的一端是綜合電動(dòng)勢(shì)，另一端是綜合阻抗和短路點(diǎn)，這樣就可以用最簡(jiǎn)單的歐姆定律來(lái)計(jì)算短路電路，即I=E/X；式中E-系統(tǒng)電源對(duì)短路點(diǎn)的綜合次暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)，在化簡(jiǎn)計(jì)算中取1；X-系統(tǒng)對(duì)短路點(diǎn)的綜合阻抗。必須注意：根據(jù)以上步驟，用實(shí)際值求得的短路電流，都是歸算到基本級(jí)的數(shù)值，要想得到非基本級(jí)的短路電流，必須根據(jù)變壓器的變比換算到要計(jì)算短路電流的那個(gè)電壓等級(jí)。用標(biāo)幺值方法計(jì)算求得的短路電流，要想得到實(shí)際值，還必須乘以相應(yīng)電壓等級(jí)的基準(zhǔn)電流值。3方案設(shè)計(jì)3.1方案概述考慮到本次課程設(shè)計(jì)是基于電力系統(tǒng)仿真軟件pscad，我們首先確定設(shè)計(jì)的大致框架，然后在對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括系統(tǒng)的輸出測(cè)量模塊，對(duì)故障母線和非故障母線上的短路電流短路電壓、有功與無(wú)功進(jìn)行測(cè)量，可以直觀的看到各個(gè)量的變化曲線，在對(duì)題目所要求的參數(shù)進(jìn)行修正，從而完成設(shè)計(jì)內(nèi)容。 3.2課題設(shè)計(jì)圖根據(jù)課題要求得到課題設(shè)計(jì)圖如圖3.1所示。圖3.1 課題設(shè)計(jì)圖4兩相短路的仿真分析4.1 pscad簡(jiǎn)介Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC的初版，是一種世界各國(guó)廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件， PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。操作環(huán)境為：UNIX OS， Windows95， 98， NT；Fortran 編輯器；瀏覽器和TCP/IP協(xié)議。隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，無(wú)論是理論研究還是現(xiàn)場(chǎng)工作,都廣泛的用到了PSCAD。程序EMTDC（Electro Magnetic Transient in DC System）是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)仿真分析軟件，它即可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能完成電力電子仿真及其非線性控制的多功能（Versatile Tool）工具。PSCAD（Power System Computer Aided Design）是EMTDC的前處理程序，用戶在面板上可以構(gòu)造電氣連接圖，輸入各元件的參數(shù)值，運(yùn)行時(shí)則通過FORTRAN編譯器進(jìn)行編譯、連接，運(yùn)行的結(jié)果可以隨著程序運(yùn)行的進(jìn)度在PLOT中實(shí)時(shí)生成曲線，以檢驗(yàn)運(yùn)算結(jié)果是否合理，并能與MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真，典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí)，電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律；另外EMTDC/PSCAD還可以廣泛的應(yīng)用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)諧波分析及其電力電子仿真。軟件還可以作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（Real Time Digital Simulator，RTDS）的前置端(Front End)。此外，EMTDC/PSCAD還具有強(qiáng)大的自定義功能，用戶可以根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)建具有特定功能的裝置。實(shí)時(shí)回放系統(tǒng)（RTP）是基于EMTDC/PSCAD軟件的測(cè)試系統(tǒng)，它可以結(jié)合EMTDC/PSCAD計(jì)算產(chǎn)生的結(jié)果（信號(hào)）來(lái)測(cè)試?yán)^電保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。4.2兩相短路故障的仿真4.2.1正常情況的仿真分析可以看到系統(tǒng)正常時(shí)其電壓電流的波形如下。(1)電壓波形圖4.1 正常時(shí)電壓圖（2）電流波形圖4.2 正常時(shí)電流波形圖4.2.2 兩相短路的仿真(1)電壓波形圖4.3 兩相短路時(shí)電壓波形圖(2)電流波形圖4.4 兩相短路時(shí)電流波形圖就整個(gè)仿真過程中而言，我們遇到了一些小小的問題，比如進(jìn)行編譯時(shí)提示有錯(cuò)誤，我們通過錯(cuò)誤提示找到問題所在，原來(lái)是測(cè)量裝置的信號(hào)標(biāo)簽沒有和圖對(duì)應(yīng)好，標(biāo)簽的命名也有一定要求，最后通過更改信號(hào)標(biāo)簽了，實(shí)現(xiàn)了仿真。5總結(jié)我組的任務(wù)是對(duì)3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)進(jìn)行短路電流計(jì)算。主要是進(jìn)行設(shè)計(jì)圖的設(shè)計(jì)。可以說(shuō)，首先接到這種題目，要用PSCAD去進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真，我實(shí)在是不知從何下手，通過去圖書館借了一些有關(guān)PSCAD的書及到網(wǎng)上下一些資料來(lái)完成這些初步工作的。接下來(lái)就是畫出一個(gè)設(shè)計(jì)圖，然后根據(jù)一些資料進(jìn)行修改。后來(lái)發(fā)現(xiàn)老是有錯(cuò)誤，無(wú)法仿真，好在后來(lái)老師發(fā)來(lái)的參考資料才弄出來(lái)。不過做出來(lái)的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)雖然能仿真出來(lái)但不清楚該怎么讀圖，好在看了一下參考書籍才弄清楚?？傊@次課程設(shè)計(jì)收獲蠻大的，對(duì)PSCAD軟件