電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究

1、摘要隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益龐大和復(fù)雜，出現(xiàn)的各種故障，會給發(fā)電廠以及用戶和電廠內(nèi)的多種動力設(shè)備的安全帶來威脅，并有可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故的擴(kuò)大，從技術(shù)和安全上考慮直接進(jìn)行電力試驗(yàn)可能性很小，迫切要求運(yùn)用電力仿真來解決這些問題，依據(jù)電網(wǎng)用電供電系統(tǒng)電路模型要求，因此，論文利用MATLAB的動態(tài)仿真軟件Simulink搭建了單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)的仿真模型，能夠滿足電網(wǎng)可能遇到的多種故障方面運(yùn)行的需要。論文以MATLAB R2009b電力系統(tǒng)工具箱為平臺，通過SimPowerSyetem 搭建了電力系統(tǒng)運(yùn)行中常見的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)得到了在該系統(tǒng)發(fā)生各種短路接地故障并故障切除的

2、仿真結(jié)果。本文做的主要工作有：（1）Simulink下單機(jī)無窮大仿真系統(tǒng)的搭建（2）系統(tǒng)故障仿真測試分析通過實(shí)例說明，若將該方法應(yīng)用到電力系統(tǒng)短路故障的診斷中，快速實(shí)現(xiàn)故障的自動診斷、檢測，對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定；MATLAB；單機(jī)無窮大； AbstractWith the rapid development of power industry, the scale of power system is increasingly large and complex, all kinds of fault, to power plants and

3、power plants and users in a variety of power equipment safety threat, and is likely to lead to the expansion of power system accident, from the technical and safety considering direct electricity experiment was carried out on the possibility is very small, urge electric power simulation are used to

4、solve these problems, according to the power supply system of power grid power circuit model, as a result, paper use MATLAB dynamic simulation software Simulink has set up a simulation model for the single - infinite power system, can satisfy the needs of the running of a fault may encounter a varie

5、ty of ways.Paper R2009b with MATLAB toolbox power system as a platform, through SimPowerSyetem set up power system in the operation of the common single - infinity system model, design the various kinds of short-circuit ground fault occurs in the system and simulation results of fault removed.The ma

6、in work is : (1) Building this simulation system of single - infinite under Simulink (2) Fault simulation test analysis of systemThrough examples, if this method to the power system fault diagnosis, fast fault detection and diagnosis, automatic for improving the stability of power system has importa

7、nt significance.keywords： Singleinfinite；SimPowerSyetem；Short circuit faults；Wavelet transform目錄緒論1第一章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述11.1 電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性11.2 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性1第二章 基于MATLAB的電力系統(tǒng)仿真32.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制32.2 MATLAB及SimPowerSystem簡介32.3 配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析42.4 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程5第三章 單機(jī)無窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析53.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析63.1.1 引起電力系統(tǒng)大擾動的原因63.1.2 定性分析6

8、3.1.3 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施83.2 單機(jī)無窮大系統(tǒng)原理9第四章Simulink下SimPowerSystem模型應(yīng)用124.1 仿真模型的搭建124.2 運(yùn)行效果仿真圖134.21 改變故障模塊中的短路類型134.22 改變系統(tǒng)中的元件參數(shù)(改變線路的電阻)174.3 加入電容補(bǔ)償器后的的仿真圖184.4 小結(jié)22第五章 結(jié)論和展望22參考文獻(xiàn)24致 謝25 緒論隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)發(fā)生故障的影響也越來越大，尤其大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)背景下的電力系統(tǒng)故障將會給經(jīng)濟(jì)、社會造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是電力生產(chǎn)的首要任務(wù)。電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)， 一方面，它必須時(shí)刻

9、保證可靠的電能質(zhì)量；另一方面，它又處于不斷的擾動之中，擾動發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、類型、嚴(yán)重程度均具有較大的隨機(jī)性。當(dāng)擾動發(fā)生后，一旦發(fā)生穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)可能會在幾秒內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重后果。對于系統(tǒng)某一特定的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，以及對于某一特定的擾動，如果在擾動后系統(tǒng)能達(dá)到一個可以接受的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則系統(tǒng)運(yùn)行處于暫態(tài)穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)等工作中都要進(jìn)行大量的暫態(tài)穩(wěn)定分析。通過暫態(tài)穩(wěn)定分析，可以看到各種穩(wěn)定措施的效果以及穩(wěn)定控制的性能。因此，通過時(shí)域仿真來驗(yàn)證電力系統(tǒng)在某一狀態(tài)時(shí)是否穩(wěn)定，具有重要的理論和實(shí)際意義。第一章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述1.1 電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到小干

10、擾后，不發(fā)生自發(fā)震蕩或非周期性失步，自動恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)幾乎時(shí)時(shí)刻刻都受到小的干擾。例如：系統(tǒng)中負(fù)荷的小變化；又如架空輸電線路因擺動引起的線間距離（影響線路電抗）的微小變化等等。因此，電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定問題實(shí)際就是確定系統(tǒng)的某個運(yùn)行穩(wěn)態(tài)能否保持的問題。1.2 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在某個運(yùn)行情況下突然受到較大擾動后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)或恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，一般是指短路故障、突然斷開線路或減小發(fā)電機(jī)出力等。如果受到大的干擾后仍能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，則電力系統(tǒng)在這種情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大的干擾后不能再建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)

11、行狀態(tài)，而是各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子間一直有相對運(yùn)動，相對角不斷的變化，因而系統(tǒng)的功率、電流和電壓都不斷震蕩，以致整個系統(tǒng)不再能繼續(xù)運(yùn)行下去，則稱為系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。引起電力系統(tǒng)大擾動的原因很多，歸納起來，主要有以下幾種。1、 引起電力系統(tǒng)大擾動的主要原因（1）負(fù)荷的突然變化。如切除或投入大容量的用戶引起較大的擾動。（2）切除或投入系統(tǒng)的主要元件。如切除或投入較大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器和較重要的線路引起的大的擾動。（3）電力系統(tǒng)的短路故障。它對電力系統(tǒng)的擾動最為嚴(yán)重。在短路故障中，其中以三相短路最為危險(xiǎn)，引起電力系統(tǒng)的擾動最大，于是系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性常常遭到破壞。但此種嚴(yán)重故障發(fā)生的次數(shù)

12、最少，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高壓電力系統(tǒng)中發(fā)生三相短路的次數(shù)一般占總短路次數(shù)的6%7%左右。兩相接地短路和兩相短路對于電力系統(tǒng)的擾動也較大，其中兩相接地短路的危害程度僅次于三相短路。但在一般的高壓系統(tǒng)中發(fā)生這兩種短路的次為23%24%左右，比三相短路發(fā)生的次數(shù)要多。單相短路在高壓系統(tǒng)中發(fā)生的次數(shù)最多，一般可占70%左右。但單相短路對系統(tǒng)的擾動在短路故障中是最小的，其中瞬時(shí)性雷擊單相短路又占單相短路的70%左右，它對系統(tǒng)的影響就更小了。二、暫態(tài)過程按時(shí)間分為下面三個階段（1）起始階段：指故障后約1s內(nèi)的時(shí)間段。在這期間系統(tǒng)中的保護(hù)和自動裝置有一系列的動作，例如切除故障線路和重合閘、切除發(fā)電機(jī)等。但是在這個時(shí)

13、間段中發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)還來不及起到明顯的作用。（2）中間階段：在起始階段后，大約持續(xù)5s左右的時(shí)間段。在這期間發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已發(fā)揮作用。（3）后期階段：中間階段以后的時(shí)間。這時(shí)動力設(shè)備中的過程影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程。另外，系統(tǒng)中還將由于頻率和電壓的下降，發(fā)生自動裝置切除部分負(fù)荷等操作。三、暫態(tài)穩(wěn)定的分析方法分析方法：不同于靜態(tài)穩(wěn)定問題的分析，不能做線性化處理，暫態(tài)穩(wěn)定問題研究的特點(diǎn)有： （1） 暫態(tài)穩(wěn)定性與否和原來運(yùn)行方式及干擾種類有關(guān)。 （2） 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定過程是一個電磁暫態(tài)過程和機(jī)電暫態(tài)過程匯合在一起的復(fù)雜的運(yùn)動過程，它們互相作用、互相影響。第二章 基于MATLAB的電力系統(tǒng)仿真 電

14、力系統(tǒng)在運(yùn)行中易受到多種因素的影響而發(fā)生故障，威脅系統(tǒng)的安全可靠性，因此迅速、準(zhǔn)確地探測出電纜故障并對其進(jìn)行分析，對提高供電可靠性、減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值1。目前，線路保護(hù)已經(jīng)進(jìn)入微機(jī)保護(hù)時(shí)代，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的信號處理仍以分析為主，同時(shí)考慮到電力運(yùn)行實(shí)際情況，在Matlab/Simulink平臺下更好的運(yùn)用仿真手段更突出了現(xiàn)實(shí)意義。2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制 電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾( 如短路故障, 突然增加或減少發(fā)電機(jī)出力、大量負(fù)荷, 突然斷開線路等) 后, 各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡

15、到新的或恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力, 通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的, 本文以單機(jī)無窮大系統(tǒng)為例, 主要利用matlb軟件對單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對線路發(fā)生接地短路故障在一定時(shí)間內(nèi)切除后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。通過仿真參數(shù)來證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。2.2 MATLAB及SimPowerSystem簡介 MATLAB是Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，由Mathworke公司開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的軟件，最早它主要用于科學(xué)計(jì)算。后來隨著MATLAB功能的

16、不斷增強(qiáng)和應(yīng)用的普及，很多領(lǐng)域的專家為MATLAB寫了專門的工具箱，用以拓展MATLAB的功能，這大大擴(kuò)大了MATLAB的應(yīng)用范圍。所以現(xiàn)在的MATLAB已不僅僅局限與現(xiàn)代控制系統(tǒng)分析和綜合應(yīng)用，它已是一種包羅眾多學(xué)科的功能強(qiáng)大的技術(shù)計(jì)算語言，是當(dāng)今世界上最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算軟件之一。它強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算與可視化功能，簡單易用，開放式可擴(kuò)展環(huán)境，特別是所附帶的30多種面向不同領(lǐng)域的工具箱支持，使得它在許多科學(xué)領(lǐng)域中成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，算法研究和應(yīng)用開發(fā)的基本工具和首選平臺2。 MATLAB環(huán)境下的Simulink 是用于對復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真的圖形化交互式平臺。運(yùn)行于Simulink下的P

17、SB（Power System Blockset）是針對電力系統(tǒng)的工具箱，從Matlab 6.0開始它被重新命名為SPS（SimPowerSystem）。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'研究中心的專家為主的MATLAB的開發(fā)的工具箱，主要用于電力系統(tǒng)電力，電子電路的仿真。隨著MATLAB的不斷升級，SimPowerSystem也得到了很大的發(fā)展。現(xiàn)在，從MATLAB13版的開始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作為現(xiàn)實(shí)模型產(chǎn)品族的成員，結(jié)合Simulink的使用，可以仿真電氣，機(jī)械以及控制系統(tǒng)。使用SimPowerSystem，不需要

18、學(xué)習(xí)復(fù)雜的軟件命令，編寫軟件代碼，用戶可以專注于物理模型本身，通過與實(shí)際電路圖非常相似的符號，表示復(fù)雜的電網(wǎng)，這有助于大大提高仿真的效率。2.3 配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析電力系統(tǒng)中壓配電網(wǎng)一般采用不直接接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，因其發(fā)生接地故障時(shí)，流過接地點(diǎn)的電流小，所以稱為小電流接地系統(tǒng)。此系統(tǒng)中接地故障最高，由于三個線電壓仍然對稱，不影響負(fù)荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，但接地后非故障相電壓會升高，長時(shí)間帶故障運(yùn)行會影響系統(tǒng)安全，因此需要對故障時(shí)刻和故障線路進(jìn)行檢測。另外故障初期接地點(diǎn)常常伴有很大的接地電阻，各次諧波電流分量很小這將影響故障檢測的靈敏度。因此，需要具有很強(qiáng)的處理微弱信號能力的數(shù)字

19、信號處理方法去分析非平穩(wěn)信號。對配電網(wǎng)接地短路故障的研究，主要有利用短路后的穩(wěn)態(tài)分量、諧波分量和暫態(tài)分量等幾種方法。利用故障后的穩(wěn)態(tài)分量進(jìn)行故障檢測，存在的問題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小常導(dǎo)致選線裝置不能正確動作而且該方法要求有一個持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過程因此在發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)便不再適用，因此利用能對突變的微弱的非平穩(wěn)故障信號進(jìn)行精確處理的小波分析理論,可以很好地分析電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程并提取出故障特征,。 電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾(如短路故障，突然增加或減少發(fā)電機(jī)出力、大量負(fù)荷，突然斷開線路等)后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或

20、恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力。通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的。 利用matlb軟件對單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對線路發(fā)生接地短路故障在一定時(shí)間內(nèi)切除后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。通過仿真參數(shù)來證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。2.4 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程 由于電力系統(tǒng)的動態(tài)仿真研究將不能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬得以實(shí)現(xiàn)。因此在判定一個電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性時(shí)，都可以首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行動態(tài)仿真研究，它的突出優(yōu)點(diǎn)是可行、簡便、經(jīng)濟(jì)。Matlab電力系統(tǒng)工具箱包含的模塊有：Electrical

21、Sources(電源庫)、Elements(元件庫)、PowerElectronics(電力電子元件庫)、Machines(電機(jī)庫)、Connectors(連接器庫)、Measurements(測量儀器庫)、Extra Library(附加元件庫)、Demos(示例庫)、Powergui(圖形用戶界面graphical user interface)等， 為了研究電力系統(tǒng)的特性，搭建的系統(tǒng)應(yīng)最大限度的再現(xiàn)實(shí)際中的電力系統(tǒng)。利用模塊庫中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，對各環(huán)節(jié)元件作了一定的理想化。對各元件的參數(shù)也作了一定的取舍與簡化，隨著模塊庫的不斷更新與完善，利用已有模塊搭建的系統(tǒng)基本能模擬實(shí)際電力系統(tǒng)

22、的特性成為對電力系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、仿真的一個有力工具。第三章 單機(jī)無窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題是指電力系統(tǒng)運(yùn)行中受到擾動后能否保持發(fā)電機(jī)間同步運(yùn)行的問題，根據(jù)擾動大小所確定的穩(wěn)態(tài)問題的性質(zhì)，把它分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。所謂電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性，一般是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行中受到微小擾動后，獨(dú)立地恢復(fù)到它原來的運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個運(yùn)行情況下突然受到大的干擾后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，是相對于小干擾而言的。如果系統(tǒng)受到大的干擾后仍能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，則系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大的干擾后

23、不能建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，而是各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子間一直有相對運(yùn)動，相對角不斷變化，因而系統(tǒng)的功率電流和電壓都不斷振蕩，以至整個系統(tǒng)不能再繼續(xù)運(yùn)行下去，則稱為系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。3.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析3.1.1 引起電力系統(tǒng)大擾動的原因主要有以下幾種： （1）負(fù)荷的突然變化，如投入或切除大容量的用戶等； （2）切除或投入系統(tǒng)的主要原件，如發(fā)電機(jī)，變壓器及線路等； （3）發(fā)生短路故障。其中短路故障的擾動最為厲害，常以此作為檢驗(yàn)系統(tǒng)是否具有暫態(tài)穩(wěn)定的依據(jù)。而且短路故障中，單相接地短路故障最多。在發(fā)生短路的情況下，電力系統(tǒng)從一種狀態(tài)激烈變化到另一種狀態(tài)，產(chǎn)生復(fù)雜的暫態(tài)現(xiàn)象。在三相系統(tǒng)

24、中，可能發(fā)生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路等。當(dāng)動態(tài)電路從某一穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，一些物理量（如電容電壓，電感電流等）并不會突變，而是需要一定時(shí)間。在這期間，電路將呈現(xiàn)出不同于穩(wěn)態(tài)的特別現(xiàn)象，即電路的過渡過程或暫態(tài)現(xiàn)象。分析電路的暫態(tài)現(xiàn)象時(shí)，可建立電壓電流的微分方程，并按初始來求解。3.1.2 定性分析在正常運(yùn)行情況下，若原動機(jī)輸入的機(jī)械功率為Pm，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率就與原動機(jī)輸入的機(jī)械功率相平衡，發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)由P1和Pm線的交點(diǎn)確定，即為a點(diǎn)，與此對應(yīng)的功率角為，見圖3.2中虛線所示為不計(jì)阻尼作用的曲線，實(shí)線所示為計(jì)阻尼作用的曲線。 圖3.1 電力系

25、統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定 圖3.2電力系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定在發(fā)生短路瞬間，由于不考慮定子回路的非周期分量，則周期分量的功率是可以突變的，于是發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)有PI突然將為PII。又由于發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動的慣性所致，功率角不可能突變，仍為。那么運(yùn)行點(diǎn)由a點(diǎn)躍降到短路時(shí)功-角特性曲線PII上的b點(diǎn)。達(dá)b點(diǎn)后，輸入的機(jī)械功率Pm大于輸出的電磁功率PIIb，不平衡凈加速功率大于零。依轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程式，于是轉(zhuǎn)子開始加速，即，功率角開始增大，運(yùn)行點(diǎn)將沿功-角特性曲線PII移動，設(shè)經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)功率角增大至c時(shí)，此時(shí)運(yùn)行在c點(diǎn)，速度達(dá)到最大。若在c點(diǎn)事切除線路故障，在切除線路故障的瞬間，仍由于不考慮定子回路電流的非周期分量及機(jī)組

26、轉(zhuǎn)子的機(jī)械慣性，為c，運(yùn)行點(diǎn)從PII上的c點(diǎn)突升到PIII上的e點(diǎn)，此時(shí)速度仍為。在達(dá)到e點(diǎn)后，機(jī)械功率Pm<PIIIe（電磁功率），轉(zhuǎn)子開始減速。由于及機(jī)組轉(zhuǎn)子的慣性作用，則功率角還在增大，運(yùn)行點(diǎn)沿PIII由e點(diǎn)向f點(diǎn)移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)f點(diǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），功率角不再繼續(xù)增大，這時(shí)的功率角為最大功率角。但在f點(diǎn)，Pm<PIIIf，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)減速，功率角開始減小，運(yùn)行點(diǎn)仍將沿功-角特性曲線PIII從f點(diǎn)向e、k點(diǎn)移動。在k點(diǎn)時(shí)有Pm=，減速停止，則速度達(dá)最小為。但由于轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性作用，功率角將繼續(xù)減小，當(dāng)過k點(diǎn)時(shí)Pm<PIII，在不平衡功率為正值的作用下，轉(zhuǎn)子開始加速，最后達(dá)

27、到同步轉(zhuǎn)帶時(shí)為止，功率角不再減小，此時(shí)功率角為最小值。然后又開始第二次振蕩，功率角由小到大，運(yùn)行點(diǎn)沿功-角特性PIII越過k點(diǎn)又達(dá)f點(diǎn)。如果振蕩過程中沒有任何阻尼作用，這種振蕩將一直振蕩下去。但事實(shí)上振蕩過程中總有一定的阻尼作用，振蕩逐步衰減，系統(tǒng)將停留在一個新的運(yùn)行點(diǎn)k繼續(xù)同步運(yùn)行，即為系統(tǒng)在大的擾動后可保持暫態(tài)穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性由圖3.1所示。當(dāng)短路故障切除得遲些，c更大時(shí)，在故障切除后，運(yùn)行點(diǎn)沿功率PIII不斷向功率角增大的方向移動過程中，雖然轉(zhuǎn)子在不斷減速，但運(yùn)行點(diǎn)到達(dá)曲線PIII上的點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速仍大于同步轉(zhuǎn)速。于是運(yùn)行點(diǎn)就要越過點(diǎn)，過了點(diǎn)后，情況發(fā)生逆轉(zhuǎn)。由于Pm>

28、PIII，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子又開始加速，而且加速度越來越大，功率轉(zhuǎn)角無限增大，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間將失去同步，系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定。其情況如圖3.2所示。MATLAB提供了常微分方程初值問題的數(shù)值解法，對于穩(wěn)態(tài)一般用快速而準(zhǔn)確的ode45函數(shù)，對于暫態(tài)一般用ode23函數(shù)。也可采用自適應(yīng)變不長的求解方法，即當(dāng)解的變化較快時(shí)，步長會自動的變小，從而提高計(jì)算精度。3.1.3 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施1） 快速切除故障2） 采用自動重合閘裝置：對應(yīng)兩種情況：若系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)故障，則可以通過自動化重合閘恢復(fù)到原來狀態(tài)（電磁功率最大）；若為永久性故障，會使系統(tǒng)再次重合到故障上，對系統(tǒng)沖擊較大。3） 強(qiáng)行勵磁：提高電磁功率

29、，以增加減速面積。4） 串聯(lián)電容器的強(qiáng)行補(bǔ)償 指故障時(shí)對健全線路強(qiáng)制提高補(bǔ)償度的措施。補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ喝珉p回路運(yùn)行，兩組電容器組均投入。切除一條輸電線后，線路感抗從Xl/2Xl，Xl為健全線路的電抗，由于電抗的下降，使切除故障線路后的電磁功率下降，加速面積增大，為減少加速面積，應(yīng)通過減少健全線路的電抗來實(shí)現(xiàn)，即使在它上面串聯(lián)電容器，同時(shí)切除一組，使其容抗從Xc/2Xc。5） 采用電氣制動指當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障后迅速接入電阻以消耗發(fā)電機(jī)的有功功率（增大電磁功率），從而減少功率差額。因?yàn)橹苿与娮柙诠收纤矔r(shí)投入，因而使故障后P-曲線PII向上向左偏移。欠制動：投入后減少的加速面積不足；過制動：故障發(fā)生后，由

30、于制動電阻的投入，加速面積很小，因而沒有失步；但是切除故障后，由于制動電阻同時(shí)被切除，因而PIII曲線不受制動電阻的影響。當(dāng)在PII曲線較低位置切除故障時(shí)，仍可能出現(xiàn)與PT-PIII較大數(shù)值的較大的減速面積，因而仍可能在第二周波失穩(wěn)。 6） 變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地不對稱接地短路故障時(shí)，產(chǎn)生零序電流。變壓器中性點(diǎn)通過小電阻接地，則零序電流在中性點(diǎn)電阻上產(chǎn)生功率損耗，這部分功率消耗了一部分發(fā)電機(jī)的電磁功率，因而減小了轉(zhuǎn)子的不平衡功率，有利于系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。7） 減少原電機(jī)輸出的機(jī)械功率由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動切除故障后，減小作用在轉(zhuǎn)子上的剩余功率，增大減速面積。減小原動機(jī)輸出功率的措施有，以下兩種措施對應(yīng)的

31、均為在切除故障的同時(shí)采取的措施。*采用快速的自動調(diào)速系統(tǒng)或快速關(guān)閉進(jìn)汽門，電磁功率不變，但是由于調(diào)速系統(tǒng)的作用，使機(jī)械功率相應(yīng)減少，從而增大減速面積。*切除連鎖切機(jī)，在切除發(fā)電機(jī)組后，電磁功率下降，同時(shí)對應(yīng)的機(jī)械功率下降，一般認(rèn)為下降的機(jī)械功率較電磁功率多，因而減速面積增大。；3.2 單機(jī)無窮大系統(tǒng)原理電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定分析中，常采用的模型是單機(jī)對無窮大系統(tǒng)，單機(jī)無窮大系統(tǒng)認(rèn)為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，是工程上最常用的手段，也是電力系統(tǒng)模擬仿真最簡單、最基本的的運(yùn)行方式7，即對現(xiàn)實(shí)進(jìn)行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結(jié)論，簡化計(jì)算過程。 圖3.1 無輸電線的單機(jī)無窮大系統(tǒng)原理圖 假定聯(lián)絡(luò)

32、阻抗為純電感，則由發(fā)電機(jī)向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的P為： 式中包括發(fā)電機(jī)阻抗在內(nèi)的發(fā)電機(jī)電動勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗； 功角；發(fā)電機(jī)電勢； 系統(tǒng)母線電壓。利用matlab來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主要針對的是在0.1s切除故障和0.55s切除故障中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的情況的比較。改變故障模塊中的短路類型，就可以仿真系統(tǒng)在發(fā)生各種短路時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定性；同樣改變系統(tǒng)中元件參數(shù)(如線路電阻、并聯(lián)電抗等)就可以研究各種參數(shù)對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。仿真圖如下： 圖3.2 單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)仿真原理圖利用matlab來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主要針對的是在系統(tǒng)中加入電容補(bǔ)償器對系統(tǒng)有何改善，在0.1s切除故障和0.55

33、s切除故障中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的情況的比較。改變故障模塊中的短路類型，就可以仿真系統(tǒng)在發(fā)生各種短路時(shí)的暫態(tài)穩(wěn)定性。圖3.3 改善的單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)仿真原理圖串聯(lián)電容補(bǔ)償器就是在線路上串聯(lián)電容器以補(bǔ)償線路的電抗。采用串聯(lián)電容補(bǔ)償器是提高交流輸電線路輸送能力，控制并行線路之間的功率分配和增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種方法第四章Simulink下SimPowerSystem模型應(yīng)用 Simulink由于其能用最小的代價(jià)來模擬真實(shí)動態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行，依托數(shù)百種預(yù)定義系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進(jìn)有效地積分算法和直觀的圖形化工具，依托強(qiáng)健的交互式仿真能力，可以方便調(diào)整模型參數(shù)設(shè)置，而電力系統(tǒng)SimPowerSystem由于使

34、用標(biāo)準(zhǔn)的電氣符號、各種模型模塊，高精度的仿真結(jié)果，優(yōu)化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分發(fā)揮了SPS在電力系統(tǒng)仿真的靈活仿真優(yōu)勢。4.1 仿真模型的搭建 利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來。對原理分析的基礎(chǔ)上，利用SIMULINK軟件仿真能對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行更為方便的調(diào)整，可以更為直觀地得到系統(tǒng)仿真的結(jié)果，從而加深對電力系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方法的理解。本次仿真選出需要用到如下模塊：

35、 （1）Powerlib電力系統(tǒng)工具箱： 1）Electrical Sources中的Three-Phase Source（三相電源）模塊2）Elements 中的Three-Phase Parallel RLC Load（三相負(fù)載RLC并聯(lián)）模塊和以及 Three-Phase Breaker （三相斷路器）模塊，Three-Phase Fault （三相故障整流器）模塊，Three-Phase Series PLC Load（三相PLC并聯(lián)負(fù)載）模塊，Three-Phase Transformer（Two Windings）（三相變壓器繞組）模塊，Three-PhasePI Section

36、line(三相分布傳輸線路)模塊。 3）Machines里Synchronous Machine pu Standad（標(biāo)么標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī)）模塊，Excitation System（勵磁系統(tǒng)）模塊，Hydraulic Turbine and Governor（水輪機(jī)及調(diào)節(jié)器）模塊 4）powergui 模塊 （2）Simulink常用工具箱：Simulink 模塊集Commonly Used Blocks （常用模塊）下的 Constant（常量)模塊，Bus Selector（信號總線選擇器），Terminator(信號終結(jié)模塊)，Scope(示波器模塊)，Ground（接地模塊）。 4.2運(yùn)

37、行效果仿真圖4.21 改變故障模塊中的短路類型（1） 單相短路接地故障圖4.21 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.22 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（2）兩相短路接地故障圖4.23 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.24 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（3）兩相短路故障圖4.25 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.26 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（4）三相短路故障 圖4.27 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖 圖4.28 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲

38、線圖圖4.211 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖圖4.211 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖結(jié)論分析：在故障0.1s后切除故障線路時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而逐漸減?。ㄔ?.99-1.01之間變化），趨于穩(wěn)定值，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當(dāng)故障后0.55s切除故障線路是（切除時(shí)間大于極限切除時(shí)間），發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而增大，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。短路故障的類型和發(fā)生及切除時(shí)間可由三相短路模塊(Three-Phase Fault)進(jìn)行設(shè)置。動態(tài)仿真時(shí)選擇ode23tb，并采用略去直流分量和其他復(fù)雜濾波分量的Phasors法，可顯著地加快仿真速度。4.2

39、2 改變系統(tǒng)中的元件參數(shù)(改變線路的電阻) 圖4.221 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.222 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.223 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖圖4.224 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖4.3 加入電容補(bǔ)償器后的的仿真圖（1）兩相短路故障圖4.31 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.32 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（2）三相短路故障圖4.33 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.34 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

40、變化曲線圖（3）單相短路接地故障圖4.35 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.36 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖（4）兩相短路接地故障圖4.37 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.38 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖圖4.39 故障 0.1s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖圖4.310 故障 0.55s后切除線路，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移角的變化曲線圖結(jié)論分析：在加入電容補(bǔ)償器后系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生了變化，不論是0.1s還是0.55s的時(shí)間內(nèi)切除故障，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而增大。系統(tǒng)不穩(wěn)定。4.4 小結(jié)當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)

41、，希望能快速對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析以此來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文運(yùn)用Mtlab來對單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定的仿真，針對的是在不同時(shí)間內(nèi)對不同的故障進(jìn)行圖形的比較和在改善系統(tǒng)時(shí)在不同時(shí)間內(nèi)不同故障進(jìn)行圖形的比較。未改善的系統(tǒng)，在0.1s內(nèi)切除故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增大而逐漸減小，趨于穩(wěn)定值，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當(dāng)0.55s后切除故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而增大，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。而改善的系統(tǒng)無論是在0.1s還是0.55s切除故障，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加而增大，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。MATLAB用來對電力系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，達(dá)到對電力系統(tǒng)在各種情形下的動態(tài)過程進(jìn)行研究并選擇系統(tǒng)的最佳運(yùn)行方式等目的。

42、第五章 結(jié)論和展望 隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，復(fù)雜的電力控制系統(tǒng)在技術(shù)和安全對電網(wǎng)的要求越來越高，其可能遇到的多種情況正在考驗(yàn)著電力運(yùn)行的可持續(xù)性和穩(wěn)定性，期間自動化技術(shù)的進(jìn)步正在彌補(bǔ)這這種巨大落差，更好的對電網(wǎng)系統(tǒng)各種故障的檢測和分析成為了當(dāng)前熱門的研究課題，更具有非常實(shí)用的現(xiàn)實(shí)意義。本論文通過對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究領(lǐng)域故障判斷分析，以MATLAB/Simulink為電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用平臺，基于MATLAB語言的電力系統(tǒng)工具箱，非常方便地搭建了電力系統(tǒng)各種模型，并且將這些模型保存起來，最終建立了較復(fù)雜的系統(tǒng)仿真模型。運(yùn)用小波變換對故障信號進(jìn)行特征提取，完成了對故障檢測點(diǎn)的實(shí)時(shí)分析和研究，對電力系統(tǒng)運(yùn)行中易出現(xiàn)的故障問題進(jìn)行調(diào)試和分析，通過仿真運(yùn)算驗(yàn)證了方法的正確和可行性，總之，利用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能和編程技術(shù)，提高仿真計(jì)算的靈活性和效率，為仿真電力系統(tǒng)，分析電力系統(tǒng)提供了一種新的手段。 本次電力系統(tǒng)仿真主要有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）部署成本低，建模效率高，能有效地降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，并且最大限度的保留了仿真的完整度，通過優(yōu)化的算法，達(dá)到了很高的精度，并且為更加復(fù)雜的電力系統(tǒng)提供了研究參考。 2）易用性強(qiáng)，界面友好，操作使用非常方便。可以任