电力控制系统稳定性分析及仿真Word格式.docx
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1.1课题背景
随着我国电力工业不断发展实现全国电网互联是一个大的发展方向,由于电力体制改革的不断推进,加快了全国联网进程。
目前,我国电网结构己经开始从局部联网逐步向大区域乃至全国联网的方向前进。
但随着用电负荷容量、数量以及电力系统电网规模的不断扩大,它必然会对电力系统各个运行环节带来很多的新的技术问题,其中最重要的问题之一就是电力系统的安全稳定运行,解决好该问题是电力部门所要面临的难题之一。
随着电力行业的不断发展以及技术经济需要,全国互联大电网已逐步形成,并且已经显示出其巨大的优势,它可以合理的开发和利用资源,提高供电安全性,节省投资和运行费用。
但电力系统所要经受的各种扰动严重影响着系统的安全运行。
在电力系统的生产运行、规划设计等方面都要考虑这些扰动的影响,否则很有可能会因为互联系统的连锁反应引起大面积停电的重大系统事故。
1.2课题内容
电力系统的稳定性问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后,能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过度到一个新的稳定运行状态的问题。
假如可以,那么系统在此运行状态下是稳定的。
相反,如果系统不能回到原始运行状态或者不能过渡到一个新的稳定状态,则表明系统在此运行状态下没有一个稳态值,而是随着时间不断增大或震荡,系统不能保持稳定。
电力系统稳定情况和系统原来的运行方式以及干扰的方式相关,换句话说,对同一个系统两组不同的运行方式和干扰类型会对其造成不同的稳定性影响[1]。
电力系统稳定性主要包括静态稳定、暂态稳定以及动态稳定。
静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生非周期性失步,自动恢复到初始运行状态的能力;
暂态稳定是指电力系统受到大扰动后,各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。
通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角稳定;
动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后,在自动调节和控制装置的作用下,保持长过程的运行稳定性的能力[2]。
本文主要讨论研究静态稳定性和暂态稳定性。
1.3课题意义
考虑到电力系统失稳后可能带来的一系列严重后果,因此有必要对电力系统稳定性进行研究。
通过研究我们不仅可以得到预防电力系统失稳的措施,而且还可以得到当系统失稳后所应采取的措施。
2简单电力系统的静态稳定性及其仿真分析
电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后,不发生自发振荡或非周期性失步,自动恢复到初始运行状态的能力。
一些小的干扰不断影响着电力系统的正常运行。
例如:
所接负荷的微小变动;
架空线因各种原因造成的线间距离(影响线路阻抗)的小量变动等等。
所以,电力系统的静态稳定问题实际上就是确定系统在某个运行状态能否稳定运行的问题。
根据电力系统稳定问题的物理特征,静态稳定问题主要包括功角稳定和电压稳定两方面。
由于物理问题本质不同,相应元件的数学模型、分析方法、稳定判据及控制对策均有所不同,需分别研究。
本章采用单机无穷大系统的模型,对电力系统的静态稳定性中的功角稳定进行仿真分析[3]。
2.1电力系统静态稳定性简介
图2-1画出的是一简单电力系统模型和等值电路,首段是发电机,其经过变压器T1和双回线路供电给无穷大系统。
其中=+++。
发电机发送电磁功率是
如果不计发电机励磁调节器的影响,也就是假定发电机的空载电动势不变,那么发电机的功—角特性曲线为图2-2画出的正弦曲线[4]。
图2-1简单电力系统及其等值电路
a)正常运行方式及其等值电路b)故障情况及其等值电路c)故障切除后及其等值电路
如果忽略原动机调速器的影响,那么原动机发出的机械功率不改变。
假定在某一正常运行状态下,发电机向无限大系统输送的功率为,由于忽略了电阻损耗以及机组的摩擦、风阻等损耗,和原动机机械功率是相等的。
由图2-2可见,当输送功率为时,系统可能会运行在a点或b点(也就是存在两个值,其中==)。
由于很多微小扰动不断影响着系统,通过以下的分析能够得出,只有a点才能保持静态稳定,而b点不是保持稳定运行实际运行点,即静态不稳定的。
先分析a点的运行情况。
假若某个短暂的轻微波动影响了系统,使功角出现很小的一个增量,那么我们就得到发电机输出的电磁功率与图中的a’相对应。
这时,由于原动机的机械功率保持不变,仍为,因此,相对于原动机的机械功率,发电机输出的电磁功率较大,即转子过剩转矩为负值。
由于存在这个过剩转矩,使得发电机转速减小,所以功角也逐渐降低。
经过衰减振荡后,发电机重新回到初始稳定点a,如图2-3a所示。
如果在a点运行时受扰动产生一个负值的角度增量,运行点由原来的a点变为a”点,此时,相比于输入的机械功率,发电机输出的电磁功率较小,由于发电机受到正的不平衡转矩的作用,使得发电机转子加速,并将增大功角,发电机重新回到初始运行点a。
也就是说系统在a点可以保持稳态运行。
在b点运行时的特性则完全不同。
假设在扰动的作用下增加了,则可以得到发电机运行点将转移至b’点,此时电磁功率小于机械功率。
在不平衡转矩的作用下发电机速度会增加,所以功角会继续增大。
而由于的加大,发电机输出的的电磁功率会越来越小。
所以这样会导致功角越来越大,不能再重新返回运行点b,图2-3b画出了越来越大的不稳定现象。
越来越大说明发电机与无穷大系统已经发生了非周期性的失步现象,会造成电流I、电压U和功率P波动现象,系统难以稳定运行,造成系统崩溃。
如果小扰动使有个负的增量,情况又不同,电磁功率将增加到与b”点相对应的值,大于机械功率,因而转子减速,将减小,一直减小到小于,转子又获得加速,此时系统会出现很多次的震荡,在a点建立新的运行点,不再回到b点。
因此,对于b点而言,由于扰动的作用,运行点要么是在a点重新平衡,要么是产生非周期性是步,所以系统无法在b点稳定运行。
图2-2静态稳定的概念
图2-3小干扰后功角的变化
a)在a点运行b)在b点运行
2.2简单电力系统的静态稳定性仿真
2.2.1Simulink模型构建及参数设置
以图2-1画出的单机无穷大系统为例,建立该系统的的Simulink仿真模型,搭建结果图2-4[5]。
图2-4单机无穷大系统静态稳定性仿真模型
在仿真图中,发电机采用p.u.标准同步电机模块,对于系统中的变压器,都使用“Three-phasetransformer(TwoWindings)”模型,无需改动参数,即使用给定参数。
无穷大系统采用“Three-phasesource”模型,自定义参数如图2-5所示。
为简化仿真,输电线路采用“ThreePhaseSeriesRLCBranch”模块。
构建发电机励磁系统模块,由图2-6画出。
图中包含了“Excitation”模块和“PowerSystemStabilizer(PSS)”模块,其中,“Excitation”模块从发电机中引入机端电压交、直轴两分量信号,经过内部传递函数公式,与模块中的机端参考电压信号进行比较,并输出励磁电压信号,将信号输送回电力系统中。
PSS是励磁系统的一个子模块,它的输出作为一种励磁输入信号,它的投入或退出是通过“ManualSwitch”开关控制的。
因为该部分将电力系统稳定器的作用排除在外,因此在图2-6中的“ManualSwitch”与noPss接通。
利用时间模块、开关模块控制发电机机械功率的变化来模拟系统的小干扰信号,模块组合如图2-7所示。
图中开关模块(Switch)和时间(Timer)设置如图2-8所示。
干扰信号的大小由图中的常数模块来设置,干扰产生的时刻由时间模块来设置。
图2-5无穷大系统电源模块的参数设置
图2-6发电机励磁系统模块结构
图2-7小干扰信号的模块组合
2.2.2保持电势’=’=常数,励磁系统的综合放大系数为5.7857仿真分析
对发电机励磁系统进行参数的设置时,采用如图2-8所示的数据,其中调节器的增益值应为5.7857,励磁器增益为0.01,时间为0.2s;
衰减增益为0.04,时间常数为0.05s;
励磁电压的最大值和最小值分别为5和0pu;
励磁电压和出口电压的初始值由潮流计算自动设置。
图2-8同步发电机励磁调节系统参数设置
在仿真开始前,要利用powergui模块对电机进行初始化设置。
单击powergui模块,仿真类型选择“相量算法”;
打开“潮流计算和电机初始化”窗口,设定同步发电机为PV节点,机端电压为10.5KV,有功功率设为260MW,这是由于仿真时没有考虑变压器和线路的电阻,因此在确定发电机输出功率时只需考虑发电机输送到系统的有功功率为250MW和两个并联5MW小负荷的输出功率(此时发电机有功功率标幺值为0.7376pu)。
初始化后,同步发电机模块、励磁调节模块中的Init.Cond.项将会自动设置。
选择Ode23tb算法,将仿真时长设定为50s。
在仿真过程中可能会出现失步现象,为了防止该种情况发生时仿真继续进行,需要设定仿真的提前终止判据,如图2-4。
假如各台发电机间相角幅值超过,那么就认定为系统发生失去同步现象,同时终止仿真过程,在这种情况下该方法是可行的。
当以250MVA作为基准值时,系统的静态极限功率为1.957pu,换算成以发电机的额定容量为基准时的功率极限为1.3879pu。
改变加在发电及机械输入功率Pm端口的模拟小干扰信号,通过仿真可得,当机械输入功率达到1.3976pu时发电机失去静态稳定性。
在发电机有功功率为0.7376pu时,取小干扰信号模拟系统的阶跃为0.6pu,运行仿真可得发电机功角、转速随时间变化的曲线如图2-9所示。
从图中可以看出,这个时候系统的静态稳定性能够保持。
图2-9发电机有功功率为0.7376pu阶跃为0.6pu时发电机功角、转速随时间变化曲线
图2-10发电机有功功率为0.7376pu阶跃为0.67pu时发电机功角、转速随时间变化曲线
取小干扰信号模拟系统的阶跃为0.67pu(扰动信号超过了发电机的功率极限),经过仿真就可以得到发电机功角、转速随着时间变化的曲线如图2-10所示。
从图中可以看出,系统立即就无法继续保持静态稳定性了。
2.3提高系统静态稳定性的措施
从对系统的静态稳定性的分析可以看出,发电机能够向系统输送的功率极限越高则越能够提高静态稳定性。
从本章所采用的单机无穷大系统来分析,想要增加发电机的功率极限可以减小发电机与系统之间的互联电抗,系统之间联系越紧密,其静态稳定性就越高,不过,电抗的减小会使得短路时的电流较大。
增强发电机与系统之间的电的关联,也就是缩小“电气距离”,即降低系统组成部分的阻抗,主要是电抗。
在下述列举的各种增强静态稳定性的措施中,其实质都是减小了系统的等效电抗[6]。
2.3.1采用自动调节励磁装置
如果把比例式励磁调节器安在发电机上,那么对于发电机来说,其功率特性所对应的’(或E’)为常数,也即将发电机的等效电抗减小了,从同步电抗变化为暂态电抗’。
此外若将电力系统稳定器安在发电机上就能使发电机端电压不变,这等效的将发电机的电抗设定为零。
所以,
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- 电力 控制系统 稳定性 分析 仿真