基于matlab的单机无穷大模型的暂态稳定性分析毕业论文.docx
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基于matlab的单机无穷大模型的暂态稳定性分析毕业论文
基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析
论文作者姓名:
作者学号:
所在学院:
信息与电气工程学院
所学专业:
电气工程及其自动化
导师姓名职称:
论文完成时间:
2012年5月28日
湖南科技大学
潇湘学院毕业设计(论文)
题目
基于Matlab的电力系统暂态稳定性分析
作者
学院
信息与电气工程
专业
电气工程及其自动化
学号
指导教师
二〇一二年五月三十一日
湖南科技大学
电气工程及其自动化系教研室
教研室主任:
(签名)2012年月日
学生姓名学号:
专业:
电气工程及其自动化
1设计(论文)题目及专题:
基于MATLAB的电力系统暂态稳定性分析
2学生设计(论文)时间:
自2012年2月20日开始至2012年6月8日止
3设计(论文)所用资源和参考资料:
王晶,翁国庆.张有兵.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用.西安电子科技大学出版社,2008年9月.
吴天明谢小竹彭彬.MALAB电力系统设计与分析。
国防工业出版社,2004年1月。
陈跃.电气工程专业毕业设计指南电力系统分册。
中国水利水电出版社,2003年8月。
等
4设计(论文)应完成的主要内容:
(1)Simulink下单机—无穷大仿真系统的搭建
(2)系统故障仿真测试分析
通过实例说明,若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中,快速实现故障的自动诊断、检测,对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。
5提交设计(论文)形式(设计说明与图纸或论文等)及要求:
全部设计过程以论文的形式说明清楚,严格按照湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计(论文)格式要求撰写。
要求论文中包括电力系统暂态稳定性的基本介绍、以单机—无穷大系统为典型案例,用matlab搭建模型图,并通过参数的设定,分别得到电力系统在发生单相和三相短路时,其机端电压、电机相角和转速的实时仿真,并比较,在PSS投入和切除,以及迅速切除故障和延缓切除故障的仿真结果,得出结论。
6发题时间:
2012年2月20日
指导教师:
(签名)
学生:
(签名)
湖南科技大学
潇湘学院毕业设计(论文)指导人评语
[主要对学生毕业设计(论文)的工作态度,研究内容与方法,工作量,文献应用,创新性,实用性,科学性,文本(图纸)规范程度,存在的不足等进行综合评价]
指导人:
(签名)
年月日
指导人评定成绩:
湖南科技大学
潇湘学院毕业设计(论文)评阅人评语
[主要对学生毕业设计(论文)的文本格式、图纸规范程度,工作量,研究内容与方法,实用性与科学性,结论和存在的不足等进行综合评价]
评阅人:
(签名)
年月日
评阅人评定成绩:
湖南科技大学
潇湘学院毕业设计(论文)答辩记录
日期:
学生:
学号:
班级:
题目:
提交毕业设计(论文)答辩委员会下列材料:
1设计(论文)说明书共页
2设计(论文)图纸共页
3指导人、评阅人评语共页
毕业设计(论文)答辩委员会评语:
[主要对学生毕业设计(论文)的研究思路,设计(论文)质量,文本图纸规范程度和对设计(论文)的介绍,回答问题情况等进行综合评价]
答辩委员会主任:
(签名)
委员:
(签名)
(签名)
(签名)
(签名)
答辩成绩:
总评成绩:
摘要
随着电力工业的迅速发展,电力系统的规模日益庞大和复杂,出现的各种故障,会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁,并有可能导致电力系统事故的扩大,从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小,迫切要求运用电力仿真来解决这些问题依据电网用电供电系统电路模型要求,因此,论文利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了单机—无穷大电力系统的仿真模型,能够满足电网在其可能遇到的多种故障方面运行的需要。
论文以MATLABR2009a电力系统工具箱为平台,通过SimPowerSyetem搭建了电力系统运行中常见的单机—无穷大系统模型,设计得到了在该系统发生各种短路接地故障并故障切除的仿真结果。
本文做的主要工作有:
(1)Simulink下单机—无穷大仿真系统的搭建
(2)系统故障仿真测试分析
通过实例说明,若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中,快速实现故障的自动诊断、检测,对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。
关键词电力系统;暂态稳定;MATLAB;单机—无穷大;
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofelectricpowerindustry,electricpowersystem,asanincreasinglylargescaleandcomplicatedpowersystemfault,Theuserwillgivepowerplantsandpowerequipmentofthesecuritythreats,andmayhavecausedtheaccidentofpowersystem,technologyandsafetyconsiderationsfromdirectlypowertestpossibility,urgedusingelectricsimulationtosolvetheseproblemsbasedongridpowersupplysystem,Therefore,paperdependonthemodelofdynamicsimulationbyMATLABbuildsoftwareSimulinkinfinitepowersystemofsingle-simulationmodel,thegridinvariousfaultmaymeettheneedsoftherunningofaspects.
ThepaperbaseonplatformversionofMatlabR2009a,AccordingtoSimPowerSyetemtoolboxtobuildpoweroperationofcommonsingle—infinitesystemmodel,theexperimentinthesystemwasobtainedbyvariouscircuitbreakerautomaticallyearthingfaultsandfaultisolationofsimulationresultstrip.
Themainworkis:
(1)Buildingthissimulationsystemofsingle-infiniteunderSimulink
(2)Faultsimulationtestanalysisofsystem
Throughexamples,ifthismethodtothepowersystemfaultdiagnosis,fastfaultdetectionanddiagnosis,automaticforimprovingthestabilityofpowersystemhasimportantsignificance.
keywords:
Single—infinite;SimPowerSyetem;Shortcircuitfaults;Wavelettransform
第四章Simulink下SimPowerSystem模型应用..................................12
4.1仿真系统模型步骤.......................................................................................12
4.2仿真模型的搭建...........................................................................................13
4.2.1模型详细参数设置........................................................................15
4.3各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真...............................................27
4.4结论..............................................................................................................36
参考文献....................................................................................................38
致谢.............................................................................................................39
第一章电力系统稳定性概述
1.1电力系统的静态稳定性
电力系统的静态稳定性指的是正常运行的电力系统承受微小的、瞬时出现但又立即消失的扰动后,恢复到它原有运行状况的能力;或者,这种扰动虽不消失,但可用原有的运行状况近似的表示新运行状况的可能性。
这也是电力系统在微小扰动下的稳定性,而这种扰动可以理解为任意不等于零的无限小扰动。
正因为如此,任意描述电力系统运行状态的非线性方程式,都可以在原始运行点附近线性化。
换言之,电力系统静态稳定性涉及的数学问题将是解线性化了的机电暂态过程方程式组的问题。
1.2电力系统的暂态稳定性
电力系统暂态稳定性是指研究电力系统受到较大扰动后各发电机能否继续保持同步运行的问题。
引起电力系统大扰动的原因很多,归纳起来,主要有一下几种。
一、引起电力系统大扰动的主要原因
(1)负荷的突然变化。
如切除或投入大容量的用户引起较大的扰动。
(2)切除或投入系统的主要元件。
如切除或投入较大容量的发电机、变压器和较重要的线路引起的大的扰动。
(3)电力系统的短路故障。
它对电力系统的扰动最为严重。
在短路故障中,其中以三相短路最为危险,引起电力系统的扰动最大,于是系统的暂态稳定性常常遭到破坏。
但此种严重故障发生的次数最少,据统计,在高压电力系统中发生三相短路的次数一般占总短路次数的6%~7%左右。
两相接地短路和两相短路对于电力系统的扰动也较大,其中两相接地短路的危害程度仅次于三相短路。
但在一般的高压系统中发生这两种短路的次数为23%~24%左右,比三相短路发生的次数要多。
单相短路在高压系统中发生的次数最多,一般可占70%左右。
但单相短路对系统的扰动在短路故障中是最小的,其中瞬时性雷击单相短路又占单相短路的70%左右,它对系统的影响就更小了。
因此,电力系统如能经受住三相短路的扰动,则该系统的暂态稳定性是不成问题的,但以三相短路作为暂态稳定的条件是很不经济的。
因此我国电力系统目前是以不对称短路作为暂态稳定研究的基础,逐步把暂态稳定提高到三相短路上来。
当电力系统受到大扰动时,表征系统运行状态下的各种电磁变量,如线路的电流、节点电压、发电机输出功率等都要发生急剧的变化。
但是原动机的调速系统具有相当大的惯性,它必须经过一段时间后,才能改变原动机的功率。
这样作用在发电机转子轴上输出的电磁功率与输入的机械功率之间的平衡遭到破坏,使发电机转子轴上作用一个不平衡转矩。
在这个转矩作用下,发电机组转子开始改变其速度,使发电机的功率角改变,从而使发电机组各转子产生相对运动,即发电机组间产生了摇摆或振荡。
发电机组转子相对角度的变化,发过来又将影响电力系统中电流、电压及发电机输出功率的变化。
所以,由大的扰动引起的电力系统暂态过程是一个有电磁暂态过程和发电机组转子机械运动暂态过程交织在一起的复杂过程,即机电暂态过程。
精确地电力系统中所以电磁变量和机械运动变量在暂态过程中的变化,是非常复杂和困难的,从解决实际工程问题来说,往往是不必要的。
而暂态稳定性分析计算的目的在于确定电力系统给定的大扰动下各发电机组能否继续保持同步运行,因此我们只需要确定表征发电机是否同步的发电机组转子运动特性便可以了。
抓住这个要点后,我们就可以对暂态过程中各种复杂的现象进行具体的分析,找出其中对机组转子运动起主要影响主要作用的因素,在分析计算中加以考虑,而对于影响不大的因素加以忽略或作近似考虑。
这样做,不仅大大的简化了分析计算工作,而且也更便于获得有关研究对象的更加明确清晰的概念。
事实上,在忽略某些次要因素后,计算所得的结果与实际结果很接近,其误差在允许范围内。
第二章基于MATLAB的电力系统仿真
电力电缆在运行中易受到多种因素的影响而发生故障,威胁系统的安全可靠性,因此迅速、准确地探测出电缆故障并对其进行分析,对提高供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值[1]。
目前,线路保护已经进入微机保护时代,电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主,同时考虑到电力运行实际情况,在Matlab/Simulink平台下更好的运用仿真手段更突出了现实意义。
2.1电力系统稳定运行的控制
电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。
暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰(如短路故障,突然增加或减少发电机出力、大量负荷,突然断开线路等)后,各同步发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,通常指第一或第二振荡周期不失步。
提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的,本文以单机—无穷大系统为例,主要对电力系统稳定器、快速切除故障、故障限流器、单相自动重合闸等措施在提高电力系统暂态稳定性方面的作用运用MATLAB的电力系统仿真模块集SimPowerSystemsBlockset(以下简称PSB)进行仿真分析。
2.2MATLAB及SimPowerSystem简介
MATLAB是MatrixLaboratory(矩阵实验室)的缩写,由Mathworke公司开发的一套功能强大的软件,最早它主要用于科学计算。
后来随着MATLAB功能的不断增强和应用的普及,很多领域的专家为MATLAB写了专门的工具箱,用以拓展MATLAB的功能,这大大扩大了MATLAB的应用范围。
所以现在的MATLAB已不仅仅局限与现代控制系统分析和综合应用,它已是一种包罗众多学科的功能强大的技术计算语言,是当今世界上最优秀的数值计算软件之一。
它强大的科学运算与可视化功能,简单易用,开放式可扩展环境,特别是所附带的30多种面向不同领域的工具箱支持,使得它在许多科学领域中成为计算机辅助设计和分析,算法研究和应用开发的基本工具和首选平台[2]。
MATLAB环境下的Simulink是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。
运行于Simulink下的PSB(PowerSystemBlockset)是针对电力系统的工具箱,从Matlab6.0开始它被重新命名为SPS(SimPowerSystem)。
SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'研究中心的专家为主的MATLAB的开发的工具箱,主要用于电力系统电力,电子电路的仿真。
随着MATLAB的不断升级,SimPowerSystem也得到了很大的发展。
现在,从MATLAB13版的开始,SimPowerSystem和SimMechanies一起作为现实模型产品族的成员,结合Simulink的使用,可以仿真电气,机械以及控制系统。
使用SimPowerSystem,不需要学习复杂的软件命令,编写软件代码,用户可以专注于物理模型本身,通过与实际电路图非常相似的符号,表示复杂的电网,这有助于大大提高仿真的效率。
2.3配电网的故障现状及分析
电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈接地方式,因其发生接地故障时,流过接地点的电流小,所以称为小电流接地系统。
此系统中接地故障最高,由于三个线电压仍然对称,不影响负荷连续供电,故不必立即跳闸,但接地后非故障相电压会升高,长时间带故障运行会影响系统安全,因此需要对故障时刻和故障线路进行检测。
另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻,各次谐波电流分量很小这将影响故障检测的灵敏度。
因此,需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法去分析非平稳信号。
对配电网接地短路故障的研究,主要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂态分量等几种方法。
利用故障后的稳态分量进行故障检测,存在的问题是接地稳态分量太小常导致选线装置不能正确动作而且该方法要求有一个持续的稳态短路过程因此在发生间歇性电弧接地时便不再适用,因此利用能对突变的微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论,可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征,。
电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。
暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰(如短路故障,突然增加或减少发电机出力、大量负荷,突然断开线路等)后,各同步发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。
通常指第一或第二振荡周期不失步。
提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的。
论文以单机—无穷大系统为例。
主要对电力系统稳定器、快速切除故障、单相自动重合闸等措施在提高电力系统暂态稳定性方面的作用运用MATLAB的电力系统仿真模块集SimPowerSystemsBIockset(以下简称SPS)进行仿真分析。
2.4暂态稳定仿真流程
由于电力系统的动态仿真研究将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现。
因此在判定一个电力系统设计的可行性时,都可以首先在计算机上进行动态仿真研究,它的突出优点是可行、简便、经济。
Matlab电力系统工具箱包含的模块有:
ElectricalSources(电源库)、Elements(元件库)、PowerElectronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、ExtraLibrary(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面graphicaluserinterface)等,
为了研究电力系统的特性,搭建的系统应最大限度的再现实际中的电力系统。
利用模块库中封装好的模块搭建系统,对各环节元件作了一定的理想化。
对各元件的参数也作了一定的取舍与简化,随着模块库的不断更新与完善,利用已有模块搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性.成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。
SPS仿真电力系统流程图:
启动Matlab/Simulink
在simulink下新建.model文件。
把相关的电力系统模块拖入到.model文件中
设置好相关元器件的参数,并搭建模型
在simulink/simulinkparameters对话框中设定合适的变步长积分方法
开始仿真,系统会检查出错误和警告,若有,则一一解决
得出结果,并对本次仿真分析,得出结论
图2.1SPS仿真电力系统流程图
第3章单机—无穷大暂态稳定仿真分析
电力系统稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动后能否保持发电机间同步运行的问题,根据扰动大小所确定的稳态问题的性质,把它分为静态稳定和暂态稳定。
所谓电力系统静态稳定性,一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后,独立地恢复到它原来的运行状态的能力。
电力系统的暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后,能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。
这里所谓的大干扰,是相对于小干扰而言的。
如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行,则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。
反之,如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态,而是各发电机组转子间一直有相对运动,相对角不断变化,因而系统的功率电流和电压都不断振荡,以至整个系统不能再继续运行下去,则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。
3.1电力系统暂态稳定性分析
3.1.1引起电力系统大扰动的原因
主要有以下几种:
(1)负荷的突然变化,如投入或切除大容量的用户等;
(2)切除或投入系统的主要原件,如发电机,变压器及线路等;
(3)发生短路故障。
其中短路故障的扰动最为厉害,常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。
而且短路故障中,单相接地短路故障最多。
在发生短路的情况下,电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态,产生复杂的暂态现象。
在三相系统中,可能发生的短路有:
三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。
当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时,一些物理量(如电容电压,电感电流等)并不会突变,而是需要一定时间。
在这期间,电路将呈现出不同于稳态的特别现象,即电路的过渡过程或暂态现象。
分析电路的暂态现象时,可建立电压电流的微分方程,并按初始来求解。
3.1.2定性分析
在正常运行情况下,若原动机输入的机械功率为Pm,发电机输出的电磁功率就与原动机输入的机械功率相平衡,发电机的工作点应由P1和Pm线的交点确定,即为a点,与此对应的功率角为
,见图3.2中虚线所示为不计阻尼作用的曲线,实线所示为计阻尼作用的曲线。
图3.1电力系统暂态稳定图3.2电力系统暂态不稳定
在发生短路瞬间,由于不考虑定子回路的非周期分量,则周期分量的功率是可以突变的,于是发电机运行点有PI突然将为PII。
又由于发电机组转子机械运动的惯性所致,功率角
不可能突变,仍为
。
那么运行点由a点跃降到短路时功-角特性曲线PII上的b点。
达b点后,输入的机械功率Pm大于输出的电磁功率PIIb,不平衡净加速功率大于零。
依转子运动方程式,于是转子开始加速,即
,功率角
开始增大,
,运行点将沿功-角特性曲线PII移动,设经过一段时间,当功率角增大至
c时,此时运行在c点,速度达到最大
。
若在c点事切除线路故障,在切除线路故障的瞬间,仍由于不考虑定子回路电流的非周期分量及机组转子的机械惯性,
为
c,运行点从PII上的c点突升到PIII上的e点,此时速度仍为
。
在达到e点后,机械功率Pm 由于 及机组转子的惯性作用,则功率角 还在增大,运行点沿PIII由e点向f点移动,当到达f点时,其转速 (同步转速),功率角 不再继续增大,这时的功率角为最大功率角 。 但在f点,Pm 开始减小,运行点仍将沿功-角特性曲线PIII从f点向e、k点移动。 在k点时有Pm= ,减速停止,则速度达最小为 。 但由于转子机械惯性作用,功率角 将继续减小,当过k点时Pm
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