《電力系統(tǒng)動態(tài)模擬》課件

《電力系統(tǒng)動態(tài)模擬》課程介紹本課程深入探討電力系統(tǒng)動態(tài)模擬的概念、方法和應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生將掌握電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析和預(yù)測的專業(yè)技能。電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識回顧1電力系統(tǒng)組成電力系統(tǒng)由發(fā)電廠、輸電線路、變電站、配電線路和用戶組成，它們之間相互連接，形成一個完整的電力網(wǎng)絡(luò)。2電力系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)電廠將能量轉(zhuǎn)換為電能，輸電線路將電能輸送到用戶，變電站將電壓進(jìn)行調(diào)整，配電線路將電能分配給用戶。3電力系統(tǒng)控制電力系統(tǒng)需要控制發(fā)電、輸電、配電等環(huán)節(jié)，確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。4電力系統(tǒng)安全安全運(yùn)行是電力系統(tǒng)的首要任務(wù)，包括防止短路、過載、電壓波動等故障。電力系統(tǒng)基本概念電力網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)由發(fā)電廠、輸電線路、變電站和配電網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)將電力從發(fā)電廠傳輸?shù)接脩?。發(fā)電廠發(fā)電廠將各種能源轉(zhuǎn)化為電能，例如火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電等。變電站變電站用于改變電壓等級，將高壓電力轉(zhuǎn)換為低壓電力，以滿足不同用戶的需求。配電網(wǎng)絡(luò)配電網(wǎng)絡(luò)將電力從變電站傳輸?shù)阶罱K用戶，例如住宅、工廠和商業(yè)場所。電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分類正常運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足電力負(fù)荷需求，設(shè)備運(yùn)行正常。故障運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生短路、斷路或其他故障，系統(tǒng)運(yùn)行受到影響。緊急運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生嚴(yán)重故障，威脅系統(tǒng)安全，需要緊急處理。停運(yùn)狀態(tài)系統(tǒng)完全停止運(yùn)行，進(jìn)行檢修或維護(hù)。電力系統(tǒng)建模原理系統(tǒng)簡化對電力系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，例如忽略一些次要的元件或特性。抽象模型使用?shù)學(xué)方程或圖表等抽象模型來描述電力系統(tǒng)的行為。模型參數(shù)模型參數(shù)需要根據(jù)實際電力系統(tǒng)的情況進(jìn)行選擇和調(diào)整。驗證與修正通過實際測量或仿真結(jié)果對模型進(jìn)行驗證，并根據(jù)需要進(jìn)行修正。電力系統(tǒng)動態(tài)建模方法等值建模將復(fù)雜的電力系統(tǒng)簡化為等效模型，例如等效電抗、等效阻抗和等效電源等。簡化建模忽略一些次要因素，例如線路電容和電力電子設(shè)備的細(xì)節(jié)，簡化模型。線性化建模將非線性系統(tǒng)簡化為線性模型，以便進(jìn)行線性分析和計算。狀態(tài)空間建模使用狀態(tài)變量和輸入變量來描述系統(tǒng)動態(tài)特性，建立狀態(tài)方程和輸出方程。線性化電力系統(tǒng)動態(tài)模型線性化方法線性化方法是一種將非線性系統(tǒng)近似為線性系統(tǒng)的常用方法。它通過在工作點(diǎn)附近進(jìn)行泰勒展開，保留一階項，忽略高階項，將非線性模型轉(zhuǎn)化為線性模型。在電力系統(tǒng)動態(tài)建模中，線性化方法被廣泛應(yīng)用于簡化模型分析，降低計算復(fù)雜度。線性化模型優(yōu)勢線性化模型具有以下優(yōu)勢：易于分析計算效率高便于控制系統(tǒng)設(shè)計線性化模型在電力系統(tǒng)動態(tài)分析中發(fā)揮著重要作用。電力系統(tǒng)狀態(tài)方程的建立電力系統(tǒng)狀態(tài)方程是描述系統(tǒng)動態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型。狀態(tài)方程是由系統(tǒng)微分方程和代數(shù)方程組成的，它們反映了系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時間的變化規(guī)律。1定義系統(tǒng)狀態(tài)變量選擇描述系統(tǒng)狀態(tài)的關(guān)鍵變量，例如電壓、電流、轉(zhuǎn)速等2建立微分方程根據(jù)系統(tǒng)物理特性和控制方程，推導(dǎo)出狀態(tài)變量的微分方程3構(gòu)建代數(shù)方程根據(jù)系統(tǒng)的約束條件和控制規(guī)律，建立狀態(tài)變量之間的代數(shù)關(guān)系電力系統(tǒng)狀態(tài)量的選取系統(tǒng)狀態(tài)變量電力系統(tǒng)狀態(tài)變量是指描述電力系統(tǒng)動態(tài)行為的變量。例如，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子角度、勵磁電流等。狀態(tài)量的選擇選擇狀態(tài)量要考慮其對系統(tǒng)動態(tài)行為的影響程度、可測量性和計算成本等因素。狀態(tài)量的選擇直接影響著動態(tài)模型的精度和復(fù)雜度。電力系統(tǒng)輸入量的確定11.擾動信號擾動信號模擬外部環(huán)境對電力系統(tǒng)的干擾，例如負(fù)載變化、線路故障或發(fā)電機(jī)組故障等。22.控制信號控制信號代表著電力系統(tǒng)控制設(shè)備的輸出，例如自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)、功率系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)和勵磁系統(tǒng)等。33.初始條件初始條件決定了電力系統(tǒng)在仿真開始時的運(yùn)行狀態(tài)，包括電壓、電流、頻率和功角等。電力系統(tǒng)輸出量的定義電力系統(tǒng)輸出量電力系統(tǒng)輸出量是指電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中輸出的物理量。電力系統(tǒng)輸出量用于描述系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括電壓、電流、功率等。例如：發(fā)電機(jī)輸出功率、輸電線路上的電流。動態(tài)模擬在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬中，輸出量是用來評估系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的重要指標(biāo)。通過對輸出量的分析，可以了解系統(tǒng)在不同擾動下的響應(yīng)情況，并制定相應(yīng)的控制策略。重要性電力系統(tǒng)輸出量的準(zhǔn)確定義是電力系統(tǒng)動態(tài)模擬的基礎(chǔ)。只有明確定義了輸出量，才能進(jìn)行有效的動態(tài)仿真和分析。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概念平衡電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到擾動后，能夠恢復(fù)到一個新的平衡狀態(tài)的能力。頻率電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到擾動后，能夠保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。電壓電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到擾動后，能夠保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。穩(wěn)定性電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類暫態(tài)穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到擾動后，能否恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，或在有限的時間內(nèi)不超過允許的范圍。頻率穩(wěn)定性指系統(tǒng)在受到擾動后，頻率能否在合理的范圍內(nèi)波動，并最終恢復(fù)到額定值。電壓穩(wěn)定性指系統(tǒng)在受到擾動后，電壓能否在合理的范圍內(nèi)波動，并最終恢復(fù)到額定值。電力系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定性分析1線性化模型使用線性化模型簡化系統(tǒng)分析。2特征值分析通過特征值分析確定系統(tǒng)穩(wěn)定性。3穩(wěn)定性判據(jù)運(yùn)用穩(wěn)定性判據(jù)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性。4時域仿真使用時域仿真驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性。小擾動穩(wěn)定性分析是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的重要組成部分，它主要關(guān)注電力系統(tǒng)在受到小擾動時能否保持穩(wěn)定運(yùn)行。電力系統(tǒng)大擾動穩(wěn)定性分析1系統(tǒng)故障分析電力系統(tǒng)在遭受短路故障、線路跳閘等重大事件后，系統(tǒng)能否恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。2非線性特性大擾動下，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)高度非線性，對系統(tǒng)穩(wěn)定性分析提出了挑戰(zhàn)。3穩(wěn)定性分析常用的方法包括時域仿真、能量函數(shù)法、直接法等，以判斷系統(tǒng)是否會發(fā)生失穩(wěn)或解體。電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)指標(biāo)定義意義暫態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)評估系統(tǒng)在擾動后恢復(fù)穩(wěn)定性的能力反映系統(tǒng)對大擾動時的抗干擾能力振蕩穩(wěn)定性指標(biāo)衡量系統(tǒng)在擾動后振蕩衰減的速率反映系統(tǒng)在小擾動后的穩(wěn)定性電壓穩(wěn)定性指標(biāo)評估系統(tǒng)在負(fù)載變化后電壓保持穩(wěn)定的能力反映系統(tǒng)對負(fù)載變化的敏感度電力系統(tǒng)阻尼控制器設(shè)計阻尼控制器作用電力系統(tǒng)阻尼控制器主要用于提高系統(tǒng)阻尼，抑制低頻振蕩，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。主要通過增加系統(tǒng)阻尼來改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)對擾動的抑制能力。阻尼控制器類型常見的阻尼控制器類型包括：PSS（功率系統(tǒng)穩(wěn)定器）、SVC（靜止無功補(bǔ)償器）、TCSC（可控串聯(lián)電容器）等。這些控制器通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁、無功功率或線路阻抗等參數(shù)來實現(xiàn)對系統(tǒng)阻尼的調(diào)節(jié)。電力系統(tǒng)功率系統(tǒng)穩(wěn)定器設(shè)計提高系統(tǒng)穩(wěn)定性功率系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)是電力系統(tǒng)中重要的控制設(shè)備，用于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)發(fā)生振蕩。改善動態(tài)特性PSS通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)，改善系統(tǒng)動態(tài)特性，抑制系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。多種設(shè)計方法PSS的設(shè)計方法多種多樣，包括傳統(tǒng)的設(shè)計方法和基于現(xiàn)代控制理論的設(shè)計方法，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求選擇合適的方案。電力系統(tǒng)自動電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計11.工作原理自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，它根據(jù)電力系統(tǒng)電壓的變化，自動調(diào)整發(fā)電機(jī)勵磁電流，從而控制發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定。22.控制目標(biāo)AVR的控制目標(biāo)是保持發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定，并滿足電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量的要求。33.設(shè)計方法AVR的設(shè)計通常采用經(jīng)典控制理論，例如PID控制，以及現(xiàn)代控制理論，例如狀態(tài)空間法。44.仿真驗證AVR的設(shè)計完成后，需要進(jìn)行仿真驗證，以確保其能夠有效地控制發(fā)電機(jī)電壓。電力系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)設(shè)計勵磁系統(tǒng)概述勵磁系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它負(fù)責(zé)控制發(fā)電機(jī)勵磁電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓和輸出功率。勵磁系統(tǒng)類型常見的勵磁系統(tǒng)類型包括靜態(tài)勵磁系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)勵磁系統(tǒng)和混合勵磁系統(tǒng)，每種類型都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場景。勵磁系統(tǒng)設(shè)計勵磁系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮發(fā)電機(jī)類型、運(yùn)行方式、電壓控制要求、穩(wěn)定性要求等因素，以確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。電力系統(tǒng)動態(tài)仿真算法歐拉法歐拉法是最簡單的顯式積分算法，其原理是根據(jù)當(dāng)前時刻的值，推算出下一時刻的值，然后迭代計算直到到達(dá)仿真結(jié)束時間。龍格庫塔法龍格庫塔法比歐拉法更精確，它使用多個中間節(jié)點(diǎn)來計算下一時刻的值，從而提高計算精度，但計算量也相應(yīng)增加。隱式方法隱式方法是將當(dāng)前時刻的值與下一時刻的值聯(lián)系在一起，需要求解非線性方程組，但計算精度更高，可以處理比較復(fù)雜的系統(tǒng)。電力系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件電力系統(tǒng)仿真軟件例如，PSCAD、MATLAB/Simulink、EMTP等。功能電力系統(tǒng)模型建立仿真運(yùn)行結(jié)果分析報告生成圖形界面用戶友好，方便操作。數(shù)據(jù)可視化直觀展示仿真結(jié)果，便于分析。電力系統(tǒng)動態(tài)仿真實例1本例演示了單機(jī)無窮大系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障后的動態(tài)過程。短路故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)端，并持續(xù)一定時間后被清除。仿真結(jié)果顯示，短路故障發(fā)生后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電壓下降，電流上升。故障清除后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電壓逐漸恢復(fù)正常，電流也逐漸下降。通過該實例可以分析電力系統(tǒng)在發(fā)生故障時的動態(tài)響應(yīng)特性，了解發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)和電力系統(tǒng)保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)作用，為電力系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行提供參考。電力系統(tǒng)動態(tài)仿真實例2本例介紹使用動態(tài)仿真軟件對一個典型電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，研究不同故障場景下系統(tǒng)電壓、電流、功率等參數(shù)的變化情況。通過仿真結(jié)果，分析系統(tǒng)穩(wěn)定性、故障影響范圍、控制策略有效性等關(guān)鍵問題，為實際電力系統(tǒng)運(yùn)行提供可靠的理論依據(jù)和參考。電力系統(tǒng)動態(tài)仿真實例3本示例模擬大型風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響。采用實際的風(fēng)電場參數(shù)和電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究風(fēng)電場并網(wǎng)對系統(tǒng)頻率、電壓、功率等指標(biāo)的影響。通過仿真分析，評估風(fēng)電場并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性的變化。電力系統(tǒng)動態(tài)仿真中的建模假設(shè)簡化模型為了簡化仿真過程，電力系統(tǒng)模型通常會進(jìn)行簡化，例如忽略一些次要元件和參數(shù)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行假設(shè)動態(tài)仿真通?；诜€(wěn)態(tài)運(yùn)行條件進(jìn)行，這意味著系統(tǒng)在仿真開始之前已處于穩(wěn)定狀態(tài)。線性化假設(shè)為了簡化計算，電力系統(tǒng)模型可能會被線性化，這在一定范圍內(nèi)是有效的。時域仿真動態(tài)仿真通常在時域內(nèi)進(jìn)行，這意味著系統(tǒng)狀態(tài)隨時間變化。電力系統(tǒng)動態(tài)仿真結(jié)果分析電壓頻率動態(tài)仿真結(jié)果分析包括電壓、頻率、電流等關(guān)鍵指標(biāo)，以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性、控制性能等方面的評估。通過分析仿真結(jié)果，可以識別電力系統(tǒng)運(yùn)行中的問題，例如電壓跌落、頻率波動等，并根據(jù)分析結(jié)果制定優(yōu)化方案，例如調(diào)整控制參數(shù)、加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)等。電力系統(tǒng)動態(tài)仿真應(yīng)用前景電力系統(tǒng)規(guī)劃動態(tài)仿真幫助評估不同電力系統(tǒng)配置的性能和可靠性，優(yōu)化電力系統(tǒng)設(shè)計，提高供電效率。電力系統(tǒng)運(yùn)行實時仿真模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行情況，幫助預(yù)測突發(fā)事件的影響，提前制定應(yīng)急預(yù)