電力系統(tǒng)動(dòng)模分析與仿真

《電力系統(tǒng)動(dòng)模分析與仿真》

課程編號(hào)：12000166黃鑫1224402862013.6.27主要內(nèi)容電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)電力系統(tǒng)的研究方法模擬理論的基本概念相似定理確立相似判據(jù)的方法主要內(nèi)容電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制電壓互感器和電流互感器的模擬電流互感器飽和特性分析電流互感器飽和特性仿真研究結(jié)語(yǔ)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)

——電力系統(tǒng)的研究方法研究途徑：理論分析、科學(xué)實(shí)踐科學(xué)實(shí)踐方法：原型操作、模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)方法：數(shù)字仿真、物理模擬數(shù)字仿真特點(diǎn)：明確電力系統(tǒng)以及各元件數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行計(jì)算分析，求得結(jié)果不足：受認(rèn)識(shí)限制，一些新問(wèn)題不能或不完全能用數(shù)學(xué)方程式表示。因此需要物理模擬電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)

——電力系統(tǒng)的研究方法物理模擬特點(diǎn)：根據(jù)相似原理，把實(shí)際電力系統(tǒng)按一定模擬比例縮小，保留物理特性且參數(shù)標(biāo)幺值一致的電力系統(tǒng)復(fù)制品。因此能夠直接觀察到各種現(xiàn)象的物理過(guò)程，獲得明確的物理概念。分類：電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬（動(dòng)模）、電力系統(tǒng)靜態(tài)模擬（靜模）不足：待研究系統(tǒng)的規(guī)模不能過(guò)大，參數(shù)調(diào)整有限制，運(yùn)行前模擬參數(shù)調(diào)整復(fù)雜電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)

——模擬理論的基本概念概念：研究各種自然現(xiàn)象必須滿足什么條件的學(xué)科研究方法：類比于幾何相似，現(xiàn)象參數(shù)存在比例關(guān)系和相同物理性質(zhì)，即可物理相似分類：絕對(duì)相似，局部模擬，近似模擬相似準(zhǔn)則：如果兩個(gè)現(xiàn)象相似，則這兩者的無(wú)量綱形式的方程組和單值條件應(yīng)該相同，具有相同的無(wú)量綱形式解。出現(xiàn)在這兩者的無(wú)量綱形式的方程組及單值條件中的所有無(wú)量綱組合數(shù)對(duì)應(yīng)相等。這些無(wú)量綱組合數(shù)成為相似準(zhǔn)則電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)

——相似定理相似第一定理：彼此相似的物理現(xiàn)象必須服從同樣的客觀規(guī)律，若該規(guī)律能用方程表示，則物理方程式必須完全相同，而且對(duì)應(yīng)的相似準(zhǔn)則必定數(shù)值相等。這就是相似第一定理。值得指出：一個(gè)物理現(xiàn)象中在不同的時(shí)刻和不同的空間位置相似準(zhǔn)則具有不同的數(shù)值，而彼此相似的物理現(xiàn)象在對(duì)應(yīng)時(shí)間和對(duì)應(yīng)點(diǎn)則有數(shù)值相等的相似準(zhǔn)則，因此，相似準(zhǔn)則不是常數(shù)。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)

——相似定理相似第二定理：凡同一類物理現(xiàn)象，當(dāng)單值條件相似且由單值條件中的物理量組成的相似準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)相等時(shí)，則這些現(xiàn)象必定相似。這是判斷兩個(gè)物理現(xiàn)象是否相似的充分必要條件。第一個(gè)必要條件：兩個(gè)物理現(xiàn)象相似，必定是同一類物理現(xiàn)象。因此，描述物理現(xiàn)象的微分方程組必定相同第二個(gè)必要條件：因?yàn)榉耐晃⒎址匠探M的同類現(xiàn)象有許多，單值條件可以將研究對(duì)象從無(wú)數(shù)多現(xiàn)象中單一地區(qū)分出來(lái)，數(shù)學(xué)上則是使微分方程組有唯一解的定解條件。第三個(gè)必要條件：?jiǎn)沃禇l件中的物理量所組成的相似準(zhǔn)則相等是現(xiàn)象相似的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)

——確立相似判據(jù)的方法分類：量綱分析法、分析關(guān)系方程式法量綱分析法：一個(gè)物理量的量綱是由像質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間、電荷量、溫度一類的基礎(chǔ)物理量綱結(jié)合而成，物理量的量綱可以用來(lái)分析或檢核幾個(gè)物理量之間的關(guān)系。重點(diǎn)：物理定律必需跟其計(jì)量物理量的單位無(wú)關(guān)。任何有意義的方程式，其左手邊與右手邊的量綱必需相同。檢查有否遵循這規(guī)則是做量綱分析最基本的步驟電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬基礎(chǔ)

——確立相似判據(jù)的方法如果系統(tǒng)的微分方程可以列出，則以采用分析關(guān)系方程式的方法比較簡(jiǎn)便方法分類：1、比例系數(shù)分析法；2、積分類似法；3、標(biāo)幺值方程等效法電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬背景：在動(dòng)模上進(jìn)行各種試驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)各種參量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果準(zhǔn)確與否，直接影響試驗(yàn)的結(jié)果，不準(zhǔn)確的測(cè)量，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論分類：動(dòng)模的測(cè)量主要對(duì)各種電氣參數(shù)進(jìn)行，分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種：穩(wěn)態(tài)情況，可采用儀表進(jìn)行測(cè)量；暫態(tài)情況：必須用錄波儀進(jìn)行錄波（一般采用故障錄波儀）注意：測(cè)量回路的負(fù)荷阻抗電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬互感器分類：1、電磁型互感器；2、光電互感器；3、電流電壓組合式電子互感器；4、數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)1、電磁型互感器 互感器不僅不僅是一種電氣設(shè)備，而且是一種鐵磁設(shè)備，當(dāng)互感器接入模型系統(tǒng)后，必然對(duì)模型系統(tǒng)造成或多或少的影響，主要是影響模型系統(tǒng)的參數(shù)。因此對(duì)互感器的選擇和使用，除了要考慮他們的準(zhǔn)確度（一般選用0.5級(jí)）等級(jí)和容許的負(fù)荷外，還應(yīng)考慮對(duì)電路的影響電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬對(duì)于電壓互感器，在動(dòng)模運(yùn)用中要考慮的問(wèn)題主要有：模型系統(tǒng)的電壓，常需要根據(jù)原型系統(tǒng)的情況，試驗(yàn)的性質(zhì)、內(nèi)容、要求以及動(dòng)模的設(shè)備等情況來(lái)改變。由于上述問(wèn)題常常出現(xiàn)模型系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行電壓是非標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，此時(shí)應(yīng)采取的辦法：（1）如果電壓不高，可以利用小容量的自耦調(diào)壓器來(lái)代替電壓互感器，缺點(diǎn)：誤差較大，原邊和副邊之間沒有隔離，每個(gè)調(diào)壓器的空載電流也很不一致；（2）采用特制的多繞組電壓互感器，分為兩種情況：其一是副繞組匝數(shù)固定；其二是原繞組匝數(shù)一定電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬2、光電互感器電力系統(tǒng)中，互感器主要用于測(cè)量和保護(hù)，傳統(tǒng)的互感器分電磁感應(yīng)式和電容式兩種。光學(xué)電流互感器與光學(xué)電壓互感器類似與傳統(tǒng)互感器相比較：電磁感應(yīng)式電壓互感器：容量小，電壓等級(jí)高時(shí)絕緣困難，造價(jià)高；電容式電壓互感器：暫態(tài)相應(yīng)較差，電容和非線性補(bǔ)償電感、變壓器電感串聯(lián)，設(shè)備本身又發(fā)生鐵磁諧振的可能；都存在輸出不能和計(jì)算機(jī)相連，容量有限，頻帶較窄等缺陷電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬光學(xué)電壓互感器，利用光學(xué)材料敏感電壓，利用光纖傳輸信號(hào)，無(wú)鐵芯和電感，不存在鐵磁諧振和鐵芯飽和，有優(yōu)良的絕緣性和較強(qiáng)的抗干擾能力，體積小、重量輕、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、數(shù)字輸出、容量不受限制、便于與計(jì)算機(jī)相連。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬電流電壓組合式電子互感器，適用于10kV電壓等級(jí)的一次電流和電壓采集。其輸出量值為小信號(hào)模擬量，根據(jù)需要，可直接輸出數(shù)字量。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性分析電流互感器(CT)是電力系統(tǒng)中一種重要的測(cè)量設(shè)備，其運(yùn)行特性影響著測(cè)量的準(zhǔn)確性和保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性.利用MATLAB軟件中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)和Simulink工具，為應(yīng)用在高壓并聯(lián)電抗器支路中作為測(cè)量的電流互感器建立一個(gè)系統(tǒng)仿真模型，對(duì)電流互感器的飽和特性進(jìn)行仿真，其主要是獲得電流互感器在含有非周期分量電流作用下和二次側(cè)開路時(shí)的飽和特性曲線電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性分析電流互感器的的運(yùn)行特性與其一次電流的大小和性質(zhì)密切相關(guān)，當(dāng)一次電流為基波電流且在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，電流互感器處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，且二次電流與一次電流呈線性關(guān)系；如果一次電流中含有非周期分量(如短路電流)，電流互感器的鐵心將會(huì)飽和。為模擬電流互感器的穩(wěn)態(tài)和飽和狀態(tài)這兩種運(yùn)行狀態(tài)，在此通過(guò)控制斷路器(CB)的合閘時(shí)刻，而在電路中產(chǎn)生不同的電流。其原理簡(jiǎn)述如下：電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性分析在電力系統(tǒng)中，廣泛運(yùn)用并聯(lián)電抗器來(lái)吸收高壓輸電線路的充電功率并聯(lián)電抗器作用：補(bǔ)償輸電線路的容性電流，提高功率因數(shù)，抑制過(guò)高的工頻過(guò)電壓和過(guò)電流。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性分析如右圖所示的電路，當(dāng)斷路器合閘后，電路方程為：解這個(gè)微分方程，并根據(jù)初始條件(t=0時(shí)，i=0，且電感電路電流不能突變)，得：電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性分析Z——電路中每相阻抗——電路時(shí)間常數(shù)——電流與電壓之間的相角，電路電流由周期分量和非周期分量?jī)蓚€(gè)分量構(gòu)成，并且非周期分量的大小與電源電壓初相角有關(guān)，即可通過(guò)控制斷路器的合閘時(shí)刻來(lái)改變電壓初相角，從而改變電路電流中的非周期分量成分。當(dāng)a=0時(shí)，非周期分量最大；當(dāng)a=90時(shí)，非周期分量近似為零電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究一、正常運(yùn)行狀態(tài)將斷路器設(shè)置在t=1.25T(25ms)時(shí)閉合，此時(shí)電源電壓為峰值，即電壓初相角a=90，電路電流的非周期分量近似為零。開始仿真，觀察CT一次電流和二次電流，其波形如下圖所示。電流與電壓均為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，幅值相位均相同電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究二、電流存在非中期分量時(shí)首先考慮CT鐵心不存在剩磁的情況。將斷路器設(shè)置在t=l(20ms)時(shí)閉合，此時(shí)電源電壓瞬時(shí)值過(guò)零，即電壓初相角a=0，電路電流中產(chǎn)生最大的非周期分量。開始仿真，其波形如下圖所示。觀察CT輸出電壓隨著一次電流的變化。2個(gè)周期后，一次電流中的非周期分量引起CT飽和，所以CT二次電壓出現(xiàn)失真，峰-峰值不相同電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究CT二次側(cè)開路情況下的飽和特性：重新將斷路器設(shè)置在t=1.25T(25ms)時(shí)閉合，此時(shí)一次電流中不含非周期含量。將CT二次側(cè)的開關(guān)設(shè)置在t=0.1s時(shí)斷開，造成CT二次側(cè)開路。開始仿真，其波形如下圖所示?？梢钥闯?，巨大的

變化率在CT二次側(cè)引起很高的過(guò)電壓，其峰值達(dá)到10的5次方電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的測(cè)量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究預(yù)防飽和失真的方法：在保護(hù)裝置功能改進(jìn)的同時(shí),各互感器廠家也在研究飽和現(xiàn)象,從互感器本身入手,努力來(lái)提高產(chǎn)品的抗飽和能力。此外,通過(guò)電網(wǎng)運(yùn)行方式的控制,如電網(wǎng)分列運(yùn)行有利于降低系統(tǒng)短路電流,減輕飽和程度;從設(shè)備選型方面考慮,放大電流互感器變比,增大二次繞組的匝數(shù)等，可有效抑制飽