電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析課程設(shè)計(jì)

1、1 緒論電力工業(yè)發(fā)展初期，電能是直接在用戶附近的發(fā)電站（或稱發(fā)電廠）中生產(chǎn)的，各發(fā)電站孤立運(yùn)行。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市的發(fā)展，電能的需要量迅速增加，而熱能資源和水能資源豐富的地區(qū)又往往遠(yuǎn)離用電比較集中的城市和工礦區(qū)，為了解決這個矛盾，就需要在動力資源豐富的地區(qū)建立大型發(fā)電站，然后將電能遠(yuǎn)距離輸送給電力用戶。同時，為了提高供電的可靠性以及資源利用的綜合經(jīng)濟(jì)性，又把許多分散的各種形式的發(fā)電站，通過送電線路和變電所聯(lián)系起來。這種由發(fā)電機(jī)、升壓和降壓變電所，送電線路以及用電設(shè)備有機(jī)連接起來的整體，即稱為電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)有兩種基本的運(yùn)行狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)。電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，發(fā)電廠中原動機(jī)的輸入功率同輸

2、出功率相平衡，系統(tǒng)的頻率和電壓都是穩(wěn)定的。然而，這種運(yùn)動中的穩(wěn)態(tài)，并不是絕對不變的。當(dāng)系統(tǒng)受到某種干擾時，上述功率的平衡即被打破，運(yùn)動狀態(tài)也將隨之而變。由于系統(tǒng)中包含有許多慣性元件，運(yùn)動狀態(tài)的變化不能瞬時完成，而必須經(jīng)歷一個過渡狀態(tài)，這種過渡狀態(tài)稱為暫態(tài)。由于實(shí)際的干擾總是有大有小，因此電力系統(tǒng)在經(jīng)受干擾以后，其過渡的結(jié)局便有兩種可能性：一種情況是，系統(tǒng)從原來的穩(wěn)態(tài)過渡到另一種新的穩(wěn)態(tài)，其運(yùn)行參數(shù)（電壓和頻率）相對于正常值的偏差能夠保持在一定的允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)仍能正常工作，正常運(yùn)行中的電力系統(tǒng)，實(shí)際上就是經(jīng)常處于這種較小的變動的過程中。另一種情況是，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生各種故障的時候，系統(tǒng)的運(yùn)行將經(jīng)

3、歷劇烈的變化，所趨于的狀態(tài)，或者使其運(yùn)行參數(shù)大大偏離正常值，以致電能質(zhì)量嚴(yán)重變壞。短路故障計(jì)算 主要研究電力系統(tǒng)中發(fā)生故障（包括短路、斷線和非正常操作）時，故障電流、電壓及其在電力網(wǎng)中的分布。短路電流計(jì)算是故障分析的的主要內(nèi)容。短路電流計(jì)算的目的，是確定短路故障的嚴(yán)重程度，選擇電氣設(shè)備參數(shù)。整定繼電保護(hù)，分析系統(tǒng)中負(fù)序及零序電流的分布，從而確定其對電氣設(shè)備和系統(tǒng)的影響。2 課題內(nèi)容2.1 課題說明及要求電力系統(tǒng)的短路計(jì)算是電力系統(tǒng)最基本的計(jì)算，也是最重要的計(jì)算。本次課程設(shè)計(jì)主要是為了掌握電力系統(tǒng)短路計(jì)算的基本原理和熟練運(yùn)用PSCAD仿真軟件，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。課程設(shè)計(jì)的具體要求如下：

4、（1）熟悉PSCAD軟件；（2）了解短路計(jì)算的基本方法；（3）建立系統(tǒng)接線圖的仿真過程；（4）得出仿真結(jié)果。2.2 課題相關(guān)技術(shù)參數(shù)測試系統(tǒng)由三個控制區(qū)域組成，區(qū)域1 是一種典型供電系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為5700MVA 、最大負(fù)荷為5000MW ，大部分裝機(jī)容量距離負(fù)荷相對較近，即接于母線3 容量為4400MVA 的發(fā)電廠。另外，1300MVA 是離負(fù)荷較遠(yuǎn)的核電機(jī)組，通過長距離500kV 線路向負(fù)荷送電。區(qū)域2 代表附近地區(qū)的總裝機(jī)容量和總負(fù)荷，此系統(tǒng)總裝機(jī)容量為60000MVA ，最大負(fù)荷為40000MW 。區(qū)域2通過2 條500kV 線路與區(qū)域1 相連，即如圖2.1中所示的線路A 和線路B。

5、區(qū)域3 是一個大規(guī)模相鄰系統(tǒng)，裝機(jī)容量為70000MVA ，最大負(fù)荷為50000MW ，此區(qū)域也通過2 條500kV 線路與區(qū)域1 相連。此次進(jìn)行短路計(jì)算是母線7 發(fā)生短路。圖2.1 測試系統(tǒng)3 短路計(jì)算3.1 短路計(jì)算的原因及分類所謂短路,指的是由于電力系統(tǒng)相與相之間或相與地之間的絕緣破壞后,形成了非正常的低阻抗通路。短路產(chǎn)生的原因來自于外部和內(nèi)部。外部原因:雷電、風(fēng)暴、環(huán)境污染和動物進(jìn)入造成的絕緣破壞,如雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器動作,大風(fēng)造成架空斷線或?qū)Ь€覆冰引起電桿倒塌,如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘,線路或設(shè)備檢修后未拆除接地線就加電壓,如挖溝損傷電流,鳥獸(包括蛇,鼠等)跨接在裸露的載流部

6、分等;內(nèi)部原因:絕緣材料的老化破裂,如絕緣材料的自然老化,設(shè)計(jì)、安裝及維護(hù)不良等所造成的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路等。按短路后的電路狀態(tài)區(qū)分,短路的形式有四種:三相短路,單相接地,兩相短路,兩相接地短路。其中三相短路后電路保持三相對稱狀態(tài),稱為對稱短路;其余的三種短路形式均稱為不對稱短路。按短路因素的持續(xù)時間、停電后短路狀態(tài)是否自動消除,將短路分為瞬時性短路和持續(xù)性短路兩種。例如,因動物進(jìn)入帶電體間引起的短路,當(dāng)動物被擊落或燒毀后,短路因素消失,停電后可立即恢復(fù)供電,因此稱為瞬時性短路。電氣設(shè)備絕緣破壞,輸電線倒桿引起的短路則是持續(xù)性短路。3.2 短路電流的危害短路電流可達(dá)幾十到幾百千安,因此造成很大

7、的危害。包括兩個階段的危害:短路過程中的危害和短路結(jié)束后的危害。短路過程中的危害:短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加,短路持續(xù)時間較長時,設(shè)備可能過熱以致?lián)p壞(短路電流大量發(fā)熱,對電氣設(shè)備產(chǎn)生熱破壞,稱為熱穩(wěn)固性破壞);短路點(diǎn)附近支路中出現(xiàn)比正常值大許多倍的電流,在導(dǎo)體間產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力,可能使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞(短路電流產(chǎn)生很大的電動力,對電氣設(shè)備造成機(jī)械破壞,稱為動穩(wěn)固性破壞);短路點(diǎn)附近電網(wǎng)電壓嚴(yán)重下降,影響負(fù)荷供電,并破壞了功率送端與功率受端之間的能量傳輸,導(dǎo)致送端旋轉(zhuǎn)機(jī)組減速,使電力系統(tǒng)兩部分頻率不相等,稱為失步;不對稱短路后三相電流不對稱,產(chǎn)生負(fù)序電流引起旋轉(zhuǎn)電動機(jī)和轉(zhuǎn)子表層發(fā)熱,單相

8、接地和兩相接地,還產(chǎn)生零序電流,對外界造成很大的干擾磁場,影響通信。短路結(jié)束后的危害:電力系統(tǒng)的自動保護(hù)裝置(稱為繼電保護(hù))切除故障電路部分后,可能遺留下兩個大問題:(1)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而又持續(xù)時間較長,可能使電力系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)組失去同步,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定,存在是否能重新回到同步狀態(tài)的問題,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解。(2)切除故障后可能造成電力系統(tǒng)分成多個部分,稱為電力系統(tǒng)“解列”,解列后的系統(tǒng)一般不能保證功率平衡,發(fā)電功率小于負(fù)荷功率的電網(wǎng)部分存在頻率崩潰的危險。電力系統(tǒng)的安全自動裝置(例如低頻減載,低壓減載等)的作用就是力圖減小上述危害。3.3 短路電流的限制措施限制短路電流的措施有電力

9、系統(tǒng)可采取的限流措施,發(fā)電廠和變電所中可采取的限流措施,終端變電所中可采取的限流措施。電力系統(tǒng)可采取的限流措施:提高電力系統(tǒng)的電壓等級;直流輸電; 在電力系統(tǒng)主網(wǎng)加強(qiáng)聯(lián)系后,將次級電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行;在允許的范圍內(nèi),增大系統(tǒng)的零序阻抗,例如采用不帶第三繞組或第三繞組為Y接線的全星形自耦變壓器,減少變壓器的接地點(diǎn)等。發(fā)電廠和變電所中可采取的限流措施:發(fā)電廠中,在發(fā)電機(jī)電壓母線分段回路中安裝電抗器;變壓器分裂運(yùn)行;變電所中,在變壓器回路中裝設(shè)分裂電抗器或電抗器;采用低壓側(cè)為分裂繞組的變壓器;出線上裝設(shè)電抗器。終端變電所中可采取的限流措施:變壓器分列運(yùn)行;采用高阻抗變壓器;在變壓器回路中裝設(shè)電抗器;采用小

10、容量變壓器。以上是限制電流的措施,但目前在電力系統(tǒng)中,用得較多的限制短路電流的方法有以下幾種:合理選擇電氣主接線形式和運(yùn)行方式;采用分裂低壓繞組變壓器;加裝限流電抗器;采用微機(jī)保護(hù)及綜合自動化裝置等。限流的原理是增大短路點(diǎn)到電源點(diǎn)之間的等效電抗,但是正常工作時的電壓損耗有可能因采取限流措施而增大。3.3.1 合理選擇電氣主接線形式和運(yùn)行方式接線中減少并聯(lián)支路或增加串聯(lián)支路;如雙回線分開運(yùn)行或兩臺變壓器并列運(yùn)行。3.3.2 采用分裂低壓繞組變壓器分裂變壓器高壓繞組由兩部分并聯(lián)的不分裂的繞組組成,低壓練級由分裂成兩個支路的容量相等的分裂繞組組成,分裂繞組的各個支路間沒有電的聯(lián)系。分裂變壓器具有短路

11、陰抗大,正常電抗小的優(yōu)點(diǎn)。分裂低壓繞組變壓器正常工作時,每個低壓繞組流過相同的電流,即1/2,電抗值只相當(dāng)于兩分裂繞組短路電抗的1/4。當(dāng)一個分裂繞組的出線發(fā)生短路時,來自另一臺發(fā)電機(jī)的短路電流或來自系統(tǒng)的短路電流都將遇到很大電抗的限制。采用分裂低壓繞組變壓器后,可能不另加裝電抗器就會使短路電流降至設(shè)備的允許值。3.3.3 加裝限流電抗器線路電抗器,裝在引出線斷路器的后面(負(fù)荷側(cè)),則電抗器以前的斷路器和隔離開關(guān)可以選擇輕型的電器,并且可以提高母線殘余電壓,但正常工作時的電壓損耗增大,若出線數(shù)目較多,電抗器也多,以至于裝置比較復(fù)雜。母線電抗器可以限制從本段母線流向短路母線的電流,從而提高本段母

12、線的殘余電壓。電抗器除滿足限制短路電流外,還應(yīng)滿足熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的要求。分裂電抗器的限流作用和分裂變壓器低壓繞組的限流作用相似,但分裂電抗器的兩臂不僅有互感耦合,而且在電氣上也是連通的。它的結(jié)構(gòu)和普通大型電抗器相似,只是中間有抽頭作為公共端。為了充分限制短路電路和維持母線有較高的殘余電壓,采用分裂電抗器。當(dāng)分裂電抗器和單臂自感電抗與普通電抗器的電抗值相等時,兩者短路時的限流作用一樣,但正常運(yùn)行時分裂電抗器的電壓損失只有普通電抗器的一半;分裂電抗器可比普通電抗器多供一倍的出線。分裂電抗器的兩個分支負(fù)荷應(yīng)盡量接近,否則可能出現(xiàn)過電壓,盡量避免安裝出線電抗器,因其投資大、配電復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高。3.3

13、.4 采用微機(jī)保護(hù)及綜合自動化裝置從短路電流分析可知,發(fā)生短路故障后約0.01s時間出現(xiàn)最大短路沖擊電流,采用微機(jī)保護(hù)僅需0.005s就能斷開故障回路,使導(dǎo)體和設(shè)備避免承受最大短路電流的沖擊,從而達(dá)到限制短路電流的目的。4 仿真軟件介紹PSCAD是世界各國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)時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。PSCAD/EMTDC在時間域描述和求解完整的電力系統(tǒng)及其控制的微分方程(包括電磁和機(jī)電兩個系統(tǒng))。這一類的模擬工具不

14、同于潮流和暫態(tài)視定的模擬工具。后者是用穩(wěn)態(tài)解去描述電路(即電磁過程)。但是在解電機(jī)的機(jī)械動態(tài)(即轉(zhuǎn)動慣量)微分方程。PSCAD/EMTDC的結(jié)果是作為時間的即時值被求解。但通過內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器和測量功能(象實(shí)有效值表計(jì)，或者快速育里葉變換頻譜分析等)。這些結(jié)果能被轉(zhuǎn)換為矢量的幅值和相角。    實(shí)際系統(tǒng)的測量能夠通過很多途徑來完成。由于短路和穩(wěn)定的程序是通過穩(wěn)定方程來代表，它們只能基頻段幅值和相位。因此PSCAD的模擬結(jié)果能夠產(chǎn)生電力系統(tǒng)所有頻率的相應(yīng)，限制僅在于用戶自己選擇的時間步長。這種時間步長可以在毫秒到秒之間變化。所以PSCAD是電力專業(yè)十分有用的仿

15、真軟件，我們組的課題系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)較多，傳統(tǒng)的手工計(jì)算顯然不切實(shí)際，于是利用PSCAD仿真運(yùn)行出結(jié)果就成了本次課程設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。利用PSCAD對系統(tǒng)進(jìn)行的仿真可以快速準(zhǔn)確得出各母線上的短路參數(shù)及系統(tǒng)的其他運(yùn)行狀態(tài)，輸出顯示快速、明了。5 系統(tǒng)調(diào)試及仿真結(jié)果系統(tǒng)PSCAD仿真圖如下圖5.1所示：圖5.1 系統(tǒng)仿真圖總 結(jié)在這次課程設(shè)計(jì)中，我強(qiáng)烈感覺到自己在很多方面的不足，對別人的依賴性比較強(qiáng)。我想我會在以后的學(xué)習(xí)中不斷去發(fā)現(xiàn)自己的不足，并一一改正，希望在以后的工作中不要犯同樣的錯誤。 在這次課程設(shè)計(jì)中，我們盡量按照老師的要求做，但在具體的操作過程中，還是出現(xiàn)了很多的問題。搞完這個課程設(shè)計(jì)讓我

16、感覺電力系統(tǒng)分析是一門很有用的課程。因?yàn)槲覍λ膶W(xué)到的知識比較少。在很多時候我很多東西都不了解。并且走了很多的彎路。而且我感覺自己的知識不夠連貫。好些時候都出現(xiàn)了卡殼的情況。這次課程設(shè)計(jì)后，我一定要重新對電力系統(tǒng)分析這門課程做進(jìn)一步的了解。對在此過程中遺留下的問題做好好的研究。爭取早點(diǎn)對電力系統(tǒng)分析這門課程有個全方位的了解。為在以后的畢業(yè)課程設(shè)計(jì)中多些方案。也為我以后走上工作崗位，提升自己的專業(yè)技能，打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。 還有就是在十幾天的課程設(shè)計(jì)中，使我養(yǎng)成了很好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，和對學(xué)習(xí)知識的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，同時也養(yǎng)成了積極查閱相關(guān)資料的好習(xí)慣，好習(xí)慣的養(yǎng)成是來之不易的，我相信在以后的學(xué)習(xí)和工作中，我將

17、繼續(xù)保持這些良好的習(xí)慣，并積極努力的學(xué)習(xí)。讓自己更上一層樓。同時在此也感謝一直指導(dǎo)我的老師，此次課程設(shè)計(jì)的完成與老師的指導(dǎo)師分不開的，終在我們的一起努力下，完成了這門課程設(shè)計(jì)。在此對指導(dǎo)老師致以衷心的感謝。還要感謝邵陽學(xué)院圖書館為我提供豐富的參考資料，也感謝班上同學(xué)給了我很多寶貴的意見和參考，使我獲益很多。參考文獻(xiàn)：1 何仰贊、溫增銀.電力系統(tǒng)分析M. 華中科技大學(xué)出版社2010.32 西安交通大學(xué)等.電力系統(tǒng)計(jì)算M.北京：水利電力出版社，1993.12 3 陳 衍.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析M.北京：水利電力出版社，2004.1 4 于永源，楊綺雯. 電力系統(tǒng)分析（第二版）M. 北京：中國電力出版社，2004.3附錄 系統(tǒng)輸出波形圖圖6.1 三相短路電壓波形圖6.2 三相短路電流波形圖6.3 A相接地短路電壓波形圖6.4 A相接地短路電流波形圖6.5 AB相短路接地電壓波形圖6.6 AB相短路接地電流波形圖6.7 AB相