电力系统分析概要PPT课件

1、第15章 电力网络的数学模型第1页/共45页本章提示l节点导纳矩阵的特点、形成原理；l节点阻抗矩阵的特点、形成原理。第2页/共45页15.1 电力网络的基本方程式电力网络可以用节点方程式或回路方程式表示出来。电力系统的基础网络方程式一般都用节点方程式表示。 15.1 简化的有源电力网络接线图第3页/共45页网络方程组可以表示为nnnknknnnnnkknnkkUYUYUYUYIUYUYUYUYIUYUYUYUYI2211222221212112121111或者写成 YU 1 YZ其中 njjijiUYI1简单写成(i =1,2,n)上式可化为上式可化为 UZI 第4页/共45页15.2 15.

2、2 节点导纳矩阵及其算法15.2.1 节点导纳矩阵15.2.2 节点导纳矩阵的计算方法第5页/共45页15.2.1 节点导纳矩阵1.1.自导纳 定义：节点i的自导纳Yii 是当节点i以外的所有节点都接地，而在节点i加上单位大小的电压( =1单位电压)时， 由节点i流向网络的电流就等于i节点的自导纳。iUYiiYii就等于与节点i i连接的所有支路导纳的和iiiiIYU0,jUji第6页/共45页图15.2 电力网络接线图图15.215.2中节点2 2的自导纳Y Y2222为 = = + + =0.25-j0.25(s)22Y22UI61j31j41j第7页/共45页2.2.互导纳 定义：节点j

3、 j以外的节点全接地, ,而在节点j j加以单位电压时，由节点i i流向j j的电流加上负号就是互导纳YijYij Y Yijij 是连接节点j j和节点i i支路的导纳再加上负号而得ii jjIYU0,kUkj 第8页/共45页图15.3 电力网络接线图在图15.215.2中节点1,21,2间的互导纳Y Y1212为 =- =j0.1677(s)12Y61j如图15.3 15.3 ，节点i,ji,j间有阻抗分别为 和 的两条并联输电线时，互导纳为 ZZ =- (1/ +1/ )jiYZZ 第9页/共45页例:15.1 :15.1 求图15.415.4的系统的导纳矩阵( (所给数字是标么阻抗)

4、 )图15.4导纳矩阵是对称矩阵；导纳矩阵是对称矩阵；导纳矩阵是稀疏矩阵；导纳矩阵是稀疏矩阵；导纳矩阵能从系统网络接线图直观地求出。导纳矩阵能从系统网络接线图直观地求出。导钠阵的特点第10页/共45页解: :节点i i的自导纳为 = + + =0.9346-j4.261611Y0 .301j40. 008. 01j50. 012. 01j互导纳为Y =- =-0.4808+j2.40381240. 008. 01j对其它节点进行同样的计算，则依次得到3333. 33333. 3003333. 35429. 70421. 13529. 288252. 08911. 14539. 003529.

5、25882. 07274. 40690. 14038. 24808. 008911. 14539. 040138. 240808. 02616. 49346. 0jjjjjjjjjjjjY第11页/共45页3.非标准变比变压器非标准变比变压器是指变压器的线圈匝数比不等于标准变比。122210UKIZUIKI 由上式解出21,II21221211UZUZKIUZKUZKI 或者21222111)()() 1(UZKUUZKIUUZKUZKKI第12页/共45页在图(c)(c)中，由节点1 1，即变压器的接入端来看自导纳Y11Y11为YKYKKKYY211) 1(变压器接入端的对侧来看的自导纳 为

6、22YYYKKYY)1 (22 节点1 1、2 2间的互导纳Y12Y12为12 =-KYY第13页/共45页先不考虑非标准变比( (认为K=1)K=1)求导纳矩阵；再把接入非标准变比变压器的节点的自导纳加上(K -(K -1)Y 1)Y ，其中Y Y是从变压器相连结的另一端节点来看变压器的漏抗与两节点输电线的阻抗之和的倒数；由接入非标准变比变压器的对端节点来看自导纳不变；变压器两节点间的互导纳加上-(K-1)Y -(K-1)Y 。第14页/共45页例15.2 15.2 利用例15.115.1的结果计算图15.6(a)15.6(a)的节点导纳矩阵。图图15.6 例例15.2的图的图第15页/共4

7、5页解:将3、4节点间用 形等值电路表示，如图 15.6(b)，则导纳矩阵的变化项只是Y 、Y (= Y )，其修改量分别为3333. 36666. 300666. 32429. 80421. 13529. 25882. 08911. 14539. 003529. 25882. 07274. 40690. 14038. 24808. 008911. 14539. 04038. 24808. 02616. 49346. 0jjjjjjjjjjjjY所以导纳矩阵为 333443 Y =(K -1)Y=(1.1 -1) =-j0.7000332230. 01j Y =-(K-1)Y=-(1.1-1)

8、 =j0.33333430. 01j第16页/共45页4.4.系统变更时的修正(1)(1)增加新的节点和新的支路 如图(a)(a)所示，新节点编号为j j，节点i i、j j间支路阻抗为z z。特点：导纳矩阵Y Y的阶次增加一阶，除节点i i以外的原有节点和新增节点间互导纳为零，节点i i的自导纳由 变成 ，还要新增加互导纳 、节点j j的自导纳为Y Yjj jj 。 iiYzYii1zYij1第17页/共45页（2 2）在原有节点i i和j j 间增加阻抗为 z z的新支路特点：导纳矩阵Y Y阶次不变，节点的自导纳YiiYii、YjjYjj和互导纳YijYij分别变化为（3 3）在上式中把前

9、面的互导纳Yij Yij 置零，就是附加的新支路如图（c c）zYYzYYzYYijijjjjjiiii111 图图15.7 系统变更的几种情系统变更的几种情况况第18页/共45页既不接负荷也不接发电机的节点，这样的节点称为浮动节点（或称浮节点）。这样的节点既可以作为节点注入电流为零节点来处理，也可以不作为节点来处理，而归并到图15.1的输电系统Net中。如果不作为节点来处理，则节点导纳矩阵可降低阶次。zKKYYYYzKKYYijijjjjjiiii1)(1)(22（4 4）变压器变比由K K变成 KK时第19页/共45页15.2.2 节点导纳矩阵的计算方法导纳矩阵的阶数等于电力系统网络的节点

10、数；导纳矩阵各行非对角元素中非零元素的个数等于对应节点所连的不接地支路数；导纳矩阵的对角元素即，各节点的自导纳等于相应节点所连支路的导纳之和。导纳矩阵非对角元素Y Yijij 等于节点i i与节点j j之间的导纳的负数。第20页/共45页15.2.3 15.2.3 形成节点导纳矩阵的原始数据及程序框图 网络接线由节点及连结两个节点的支路确定，只要输入了各支路两端的节点号，就相当于输入了系统的接线图。一条支路一般需要输入六个数据, ,即i,j,z,bc,t,iti,j,z,bc,t,it，在程序中用矩阵B B来进行输入( (其中矩阵的行数为支路数，列数为上述六个数据) ) 。矩阵X X是由各节点

11、的节点号与该节点的接地阻抗构成。第21页/共45页 形成节点导纳矩阵的程序框形成节点导纳矩阵的程序框图图第22页/共45页例15.3 15.3 用节点导纳矩阵的程序求图15.915.9所示网络的节点导纳矩阵。 图15.9第23页/共45页解：输入数据：请输入节点数:n=5请输入支路数:nl=5请输入由支路参数形成的矩阵:B=1 2 0.03i 0 1.05 0; 2 3 0.08+0.3i 0.5i 1 0; 3 4 0.015i 0 1.05 1; 2 5 0.1+0.35i 0 1 0; 3 5 0.04+0.25i 0.5i 1 0请输入由节点号及其对地阻抗形成的矩阵:X=1 0;2 0

12、;3 0;4 0;5 0第24页/共45页结果：导纳矩阵Y=0 -33.3333i 0 +31.7460i 0 0 0 0+31.7460i 1.5846 -35.7379i -0.8299 + 3.1120i 0 -0.7547 + 2.6415i0 -0.8299 + 3.1120i 1.4539 -66.9808i 0 +63.4921i -0.6240 + 3.9002i0 0 0 +63.4921i 0 -66.6667i 0 0 -0.7547 + 2.6415i -0.6240 + 3.9002i 0 1.3787 - 6.2917i第25页/共45页15.3 节点阻抗矩阵及其算

13、法15.3.1 节点阻抗矩阵15.3.2 自阻抗和互阻抗15.3.3 阻抗矩阵的计算方法第26页/共45页15.3.1 节点阻抗矩阵将式（15.6）展开写成nnnnnnnnnnUIZIZIZUIZIZIZUIZIZIZ22112222212111212111 或缩写为： = （i=1, 2, 3, n）iUjnjijIZ1 式中系数矩阵为节点阻抗矩阵nnnnnnZZZZZZZZZZ212222111211 第27页/共45页自阻抗和互相抗之间的关系，可以形象地用图来表示，把总阻抗看成是Z Ziiii ，而互阻抗Z Zijij则是其中抽出的一部分。图图15.10 自阻抗和互阻抗的关系自阻抗和互阻

14、抗的关系15.3.2 自阻抗和互阻抗ikIIUZikIIUZkijjikiiii, 0, 0在节点i i上注入一单位电流，而其他各节点均开路( (即注入电流为零) )时，节点i i上的电压即是，而节点j ( j=1,2,n ,ji)j ( j=1,2,n ,ji)上的电压即是节点j j和节点i i之间的。第28页/共45页阻抗矩阵是对称矩阵；阻抗矩阵是满矩阵；迭代计算时收敛性能较好；阻抗矩阵不能从系统网络接线图直观地求出，因此必须寻找其他求阻抗矩阵的方法。第29页/共45页15.3.3 阻抗矩阵的计算方法：一种是用导纳矩阵求逆，间接求出阻抗矩阵；另一种是用支路追加法，直接形成节点阻抗矩阵。1.

15、支路追加法 ：矩阵形成的规律性很强， 易于理解和记忆，且编程方便。 ：追加接地树支，追 加树支，追加接地连支，追加连支。 如图，节点的电压、电流关系为： 321333231232221131211321IIIZZZZZZZZZUUU 原始网络原始网络第30页/共45页（1 1）追加接地树支(0,4)(0,4)4321UUUUzZZZZZZZZZ0000003332312322211312114321IIII=结论：原有矩阵的各元素均不变，新增的行、列元素均为零，只有新增的对角元素为z。：原网络矩阵增加一阶，新增了一个方程 ，其中z是新增支路的阻抗。44I zU第31页/共45页（2 2） 追加

16、树支(2,4)(2,4)追加树支 ：矩阵增加一阶，节点2 2的注入电流变为 ，且新增了一个方程： 42II424IzUU111 1122413 311 112 213 312 4()UZ IZIIZ IZ IZ IZ IZ I221 1222423 321 122 223 322 4()UZ IZIIZ IZ IZ IZ IZ I331 1322433 331 132 233 332 4()UZ IZIIZ IZ IZ IZ IZ I42421 122 223 3224()UUzIZ IZ IZ IZz I第32页/共45页写成矩阵形式为4321UUUUzZZZZZZZZZZ223332312

17、322211312110000004321IIII=结论：原有矩阵的各元素均不变，新增的行、列元素分别等于树支所接的原网络节点2所对应的行、列元素，新对角元素等于树支所结的节点2的对角元素加上新增支路的阻抗值。第33页/共45页 追加接地连支：矩阵的阶次不变。对原网络来说， 节点2的注入电流变为 其它节点注入电流不变。III22则各节点电压方程变为：3132121111)(IZIIZIZUIZIZIZIZ123132121113232221212)(IZIIZIZUIZIZIZIZ223232221213332321313)(IZIIZIZUIZIZIZIZ32333232131I zU20I

18、zZIZIZIZ)(22323222121第34页/共45页写成矩阵形式为 0321UUUzZZZZZZZZZZZZZZZZ22232221323332312223222112131211IIII321= 结论：矩阵可暂时增加一阶，原矩阵元素不变，暂时增加的行、列元素分别等于该追加连支的非零节点所对应的行、列元素的负值；新对角元素等于该点的自阻抗加上连支阻抗z。形成了暂时增加一阶的节点阻抗矩阵以后，用高斯消去法消去矩阵的暂增行与列，原矩阵的元素 为：ijZ4422ZZZZZjiijij(i,j=1,2,3) 第35页/共45页追加连支：矩阵阶次不变，设连支电流由节点3流向 节点2 ，节点2的注

19、入电流变为 ( )，节点3的注入电流变为 ( )。则节点电压方程的矩阵形式为：II2II3 0321UUU)()( )( )(32233322332332223121333233323123222322211312131211zZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZIIII321=第36页/共45页 矩阵可暂时增加一阶，原矩阵的元素不变，暂时增加的行、列元素分别等于该追加连支的两个节点所对应的行元素之差和列元素之差；新增对角元为这两个节点的自阻抗之和减去相互间的互阻抗之和再加上该连支阻抗。 形成了暂时增加一阶的节点阻抗矩阵之后，用高斯消去法消去暂增行、列，即得追加连支的节点阻抗矩阵

20、。第37页/共45页对于变压器支路，若变压器变比等于1，则与一般支路的处理方法相同；若变压器变比不等于1时，如果采用变压器的形等值电路当成三条支路进行追加，显然是增加了运算量。下面讨论一种不用变压器型等值电路，直接追加变压器支路的方法。：追加变压器树支，追加变压器连支。（1）追加变压器树支追加变压器树支节点2的注入电流为( +k )2I4I11111 1122413 3()UZ IZIKIZ I221 1222423 3()UZ IZIKIZ I331 1322433 3()UZ IZIKIZ I第38页/共45页整理后有:4321UUUU )(222232221323332312223222

21、112131211zZKKZKZKZKZZZZKZZZZKZZZZ4321IIII=另外还有 =K( +Kz )4U2U4I =K(Z + Z ( +K ) + Z )+Kz 4U211I222I4I233I4I结论：追加变压器树支和追加普通树支支路相似，只是在新增行、列的元素，分别乘以变比K K，新对角元乘以变比K K 2第39页/共45页 追加变压器连支 （2）追加变压器连支 节点2的注入电流变为( )，节点3的注入电流变为( )，则:IKI2II3另有: 即:32()Uk UzKI2230KUUzK I111 1122133()()UZ IZIKIZII221 1222233()()UZ IZIKIZII331 1322333()()UZ IZIKIZII第40页/共45页把 、 代入整理后得2U3U2221311223222333322332332()()()()0KZZIKZZIKZZIK Z