时域仿真法暂态稳定分析知识分享

1、8 时域仿真法暂态稳定分析8.1 引 言电力系统暂态稳定分析的主要目的是检查系统在大扰动下( 如故障、切机、切负荷、重合闸操作等情况 ) ，各发电机组间能否保持同步运行，如果能保持同步运行，并具有可以接 受的电压和频率水平， 则称此电力系统在这一大扰动下是暂态稳定的。 在电力系统规划、 设 计、运行等工作中都要进行大量的暂态稳定分析， 因为系统一旦失去暂态稳定就可能造成大 面积停电， 给国民经济带来巨大损失。 通过暂态稳定分析还可以研究和考察各种稳定措施的 效果以及稳定控制的性能，因此有很大的意义。当电力系统受到大扰动时， 发电机的输入机械功率和输出电磁功率失去平衡， 引起转子 的速度及角度的

2、变化， 各机组间发生相对摇摆， 其结果可能有两种不同情况。 一种情况是这 种摇摆最后平息下来， 系统中各发电机仍能保持同步运行， 过渡到气个新的运行状态， 则认 为系统在此扰动下是暂态稳定的。 另一种情况是这种摇摆最终使一些发电机之间的相对角度 不断增大， 也就是说发电机之间失去了同步， 此时系统的功率及电压发生强烈的振荡， 对于 这种情况， 我们称系统失去了暂态稳定。 这时，应将失步的发电机切除并采取其他紧急措施。 除此以外， 系统在大扰动下还可能出现电压急剧降低而无法恢复的情况， 这是另一类失去暂 态稳定的形式， 也应采取紧急措施恢复电压， 恢复系统正常运行。 这两大类暂态稳定问题分 别称

3、为功角型和电压型暂态稳定问题， 并且常互相影响， 互相关联。 为了防止在大扰动下系 统失去暂态稳定， 在电力系统中需要根据预想的典型大扰动， 分析系统在这些典型扰动下的 暂态稳定性， 这就是电力系统暂态稳定分析的基本任务， 其中最大量的分析是功角稳定问题。现代电力系统一方面采用了先进技术和装置来改善系统的暂态稳定性， 如快速高顶值倍 数的励磁系统、快关汽门、制动电阻、静止无功补偿装置、高压直流输电技术等等；但另一 方面又出现了一些对暂态稳定不利的因素， 例如：大型机组参数恶化， 其相应的暂态电抗 Xd 增大和惯性时间常数 TJ 相对减少；超高压长距离重负荷输电线路的投入；同杆并架线路的 增加等

4、等。 此外， 有些措施对第一摇摆稳定有利， 但对系统后续摇摆中的阻尼性能及相应的 系统稳定性带来不利影响，因此要注意稳定措施的全局规划及协调。电力系统暂态稳定分析目前主要有两种方法， 即时域仿真 (time simulation) 法，又称逐步 积分(step by step)法，以及直接法 (direct method)，又称暂态能量函数法 (transient energy function method) 。时域仿真法将电力系统各元件模型根据元件间拓扑关系形成全系统模型，这是一组联立的微分方程组和代数方程组， 然后以稳态工况或潮流解为初值， 求扰动下的数值解， 即逐步 求得系统状态量和代

5、数量随时间的变化曲线， 并根据发电机转子摇摆曲线来判别系统在大扰 动下能否保持同步运行，即暂态稳定性。时域仿真法由于直观， 可适应有几百台机、 几千条线路、 几千条母线的大系统， 可适应 各种不同的元件模型和系统故障及操作，因而得到广泛应用。本章介绍时域仿真法暂态稳定分析，而直接法暂态稳定分析在下一章中介绍。8.2 简化模型时域仿真法暂态稳定分析本节采用简化的元件模型来介绍时域仿真法暂态稳定分析的基本原理、步骤，并提出采用复杂元件模型时会出现的问题。电力系统基本上是由发电机、励磁系统、原动机及调速器以及网络和负荷组成的。其相互联系示于图8-1。其中发电机分为二部分，即转子运动方程部分和电磁回路

6、方程部分。转 子运动方程反映了当发电机输入机械功率Pm和输出电功率 Pe不平衡时引起发电机转速和转子角3的变化。发电机转速信号送入调速系统和参考速度比较，其偏差作为调速器的控制输入量，以控制原动机的输出机械功率Pm。发电机转子角 3则用于进行发电机 dq坐标下电量和网络xy同步坐标下电量间的接口。发电机的电磁回路方程即发电机定子、转子绕组 在dq坐标下的电压方程，它以励磁系统输出励磁电压 Ef （文献中常用Efd）为输入量，发 电机端电压和电流经坐标变换，可跟同步坐标下网络方程接口，并联立求解。所解得的机端电压Ut反馈回励磁系统，励磁系统将机端电压和参考电压U ref比较，以控制发电机励磁电压

7、Ef。而发电机的输出电磁功率 Pe将影响转子运动的功率平衡及转子速度和角度的变化。 网络一般表示为节点导纳阵形式，网络除和发电机相连外，还和负荷相连。图8-1中只画出了实际网络和一台发电机、一个负荷之间的联系。实际的电网有许多发电机和负荷，通过网络互相联系和互相影响，造成了电力系统暂态稳定分析的复杂性。图8-1电力系统基本组成部分及相互联系示意图暂态稳定分析由于主要研究发电机转子摇摆特性，主要和网络中的工频分量有关， 故发电机可忽略定子暂态而采用实用模型， 而网络采用准稳态模型， 负荷则采用第4章所介绍的 静态模型或（和）计及机械暂态或机电暂态的动态模型。为了突出电力系统暂态稳定分析的基本原理

8、和步骤，本节对发电机采用经典二阶模型，忽略凸极效应，并设暂态电抗Xd后的暂态电动势E幅值恒定，从而忽略励磁系统的动态，以简化分析。应当指出，E恒定已计及了励磁系统的一定作用，即认为励磁系统足够强，从而能保证Xd后的暂态电动势 E恒定。另外，本节中忽略调速器和原动机动态作用，即认为机械功率Pm为定常值。在上述模型及相应假定下，发电机忽略定子绕组内阻时的定子电压标幺值方程为U G E j X d 1 G（ 8-1 ）式中，UG, Ig为发电机端电压及流出的电流，均为同步坐标下的复数量；E E 为暂态电动势，E =const.。式（8-1）是同步坐标下的复数线性代数方程。发电机的转子运动方程为（标幺

9、值，下同）:式中TjddtdtPmPe1(8-2)巳 Re(UG |G)Pm=c on st.当将式（8-1）、式（8-2）和网络方程联立求解时，可解出 Ug,Ig,，&对于负荷，设采用最简单的线性负荷模型，从而对于三相对称负荷有Ul ZlIl 或 IIYlUl（ 8-3）式中，ZL, Yl分别为负荷等值阻抗和导纳；UL, lL分别为负荷电压及其吸收的电流。若设网络节点导纳阵方程为YU l（ 8-4）式中，U和I分别为节点电压和各节点注入网络的电流。对于发电机节点，l相应元为lG ；对于负荷节点，I相应元为l L ;对于网络节点，I相应元为零。式（8-1）式（8-4）构成了系统的基本方

10、程。这是一组联立的微分方程组和代数方程组。暂态稳定时域仿真分析的核心是当tn时刻的变量值已知时，如何求出 tn 1时刻的变量值，以便由to时的变量初值（一般是潮流计算得的稳态工况下变量值 ），逐步计算出t1,t2, 时刻的变量值，并在系统有操作或发生故障时作适当处理。下面先介绍上述简化模型下，tn tn 1时段的计算方法。对于式（8-1）式（8-4）的简化模型 电力系统，可将负荷阻抗并入导纳阵，这只要修正负荷接点对应的导纳阵对角元，从而负荷接点转化为网络节点，式（8-4）中相应节点的注入电流化为零。同时将各发电机方程（8-1）改写为导纳方程形式，即EUGYgEjXddef1 GjXdYgUgI

11、gYgUg(8-5)1式中，Yg ,为发电机暂态导纳，式（8-5）的等值电路如图8-2所示。显然可把Yg并jXd入网络导纳阵，即修正发电机节点相对应的导纳阵对角元，则联立求解发电机和网络方程的问题就转化为在发电机节点有注入电流lG YG E时，网络方程（已将Yg和Yl并入导纳阵）的求解问题。网络方程的求解本质上是求解一组复数线性代数方程，可用高斯消去法。由于系统无操作时，导纳阵不变，故可预先对导纳阵作三角分解，存储因子表，然后每一时步根Ig时，由据各节点注入的电流求解各节点电压。在计算每一时步各发电机的等值注入电流tn时刻的于E的相角3随时间而变，需由转子运动方程计算确定，故实用中可根据Pm,

12、n，Pe,n，n，n，先用某种微分方程的数值求解法来估算tn 1时刻的n 1和n 1，如设h tn 1 tn，由式(8-2)取n 1nnhnh(Pm,n Pe,n)/Tjn 1nnn1 1 h(8-6)2式(8-6)又称作是微分方程(8-2)在切切1时段上的差分代数方程，从而可得Eni E则各发电机tn 1时刻等值电流源I G,n 1可求，可进而求解网络方程得 U n 1，然后可根据式(8-5)*计算发电机端电流lG ,并计算发电机的电磁功率PeRe(U G I g)。这样计算得的tn 1时刻的变量精度可能较差，必要时可进行校正和迭代计算，以改善精度。图8-2经典模型发电机等值电路图简化模型的

13、电力系统暂态稳定分析的步骤和流程框图见图8-3。下面对其作简要说明。(1) 暂态稳定分析首先输入原始数据，这包括系统元件的模型、参数、网络拓扑信息、扰动过程信息、稳定分析要求(如计算步长、仿真总时间、失稳判据等)、打印输出要求，另外还应输入暂态分析的初始稳态工况，一般为潮流计算结果。此即流程框图中框。(2) 然后根据潮流及原始数据计算各代数变量和状态变量的初值，及E和Pm的稳态值，采用简化模型时E和Pm在暂态过程中保持不变。此即流程框图中框。对于负荷节点，潮流中已计算得负荷有功功率Plo、无功功率Qlo、及负荷母线电压Ulo，则由2PlojQ L0 yl U L0(8-7)可计算负荷等值导纳Y

14、l。对于发电机节点，潮流中已计算得发电机发出的有功Pgo、无功功率Qgo及端电压Ugo，则由*PgojQgo U go I G0(8-8)计算I go ，再由式(8-1)计算Eo E o U go j X d I go ，得E及o，电磁功率*Fe0Re(U go I go)Fm0， E和Pm0在暂态中保持不变。此外01 (p.u)，至此系统暂态分析的初值计算毕。(3) 根据网络元件参数及网络拓扑关系形成网络稳态工况下节点导纳阵，也可直接从潮1流输出中读入。将负荷等值导纳Yl及发电机内部暂态导纳 Yg并入导纳阵，对导纳jXd阵作因子表计算。此即流程框图框。(4) 将时钟指针tn置零，根据扰动过程

15、参数，判别当前有无扰动发生。若有扰动则需要根据扰动参数修改导纳阵及微分方程，并设tn时刻状态量不突变，据扰动后系统代数方程计算tn时刻的代数量，作为tn tn 1时步的初值，此即流程框图中框和；若tn时刻无扰动则直接转入框。此流程框图另作文件处理图8-3简化模型暂态稳定分析流程框图(5) 作tn tn 1时段计算，求取tn 1时刻的状态量和代数量，前面对此已作介绍，不予 重复。此即框的工作。(6) 若本时步末要求打印输出结果，则转框作相应处理，否则判别是否要停机：包括由于仿真总时间到而要求停机及据失步判据已判明系统失步不必继续计算而停机。若要停机则作相应结尾处理而停机，否则表明系统还应继续仿真

16、下去，则更新时标，转去下一步计算。此即流程框图中框一的工作。下面对实际的暂态稳定分析中的主要问题作一初步讨论，以便在后续章节中加以解决。(1) 发电机凸极效应和采用高阶模型时的问题当计及发电机凸极效应时，Xd Xq，因此定子电压方程不能表示为与经典模型相似的同步坐标下的复数方程(8-1)，而需分别建立定子d绕组、q绕组的电压方程，并在联网时作特殊处理，这包括凸极效应处理和dq-xy坐标变换。此外发电机采用三阶及三阶以上实用模型时，要计及励磁系统动态，需将发电机和励磁系统微分方程联立作数值计算。当进一步计及原动机和调速器动态时，还要加入其相应的微分方程一起作数值计算。(2) 负荷采用非线性静态模

17、型或动态模型时的问题当负荷采用非线性静态模型时， 在联网计算中需要求解非线性代数方程组，从而增加了分析计算的复杂性。 实用计算时，要对负荷和网络的接口作特殊处理， 以便计算各时段的网络潮流。 当负荷采用动态模型时， 联网 计算需将其微分方程差分化，化为相应计算时步的差分代数方程，再和网络方程联立求解，动态负荷和网络接口时也要作适当处理。(3) 微分方程求数值解的数值稳定性问题暂态稳定分析要求求解联立的微分方程组和代数方程组，对于tntn 1时步计算通常将微分方程根据某种数值积分准则或根据泰勒级数化为差分代数方程，从而由tn及过去时刻的系统变量求取tn 1时刻的状态量和代数量。若采用不同的数值积

18、分方法 (如改进尤拉法、龙格-库塔法、隐式梯形积分法等等)，则数值积分 误差的传递规律，或者说数值稳定性将不同， 有些方法在一定条件下会使分析结果严重畸变。 此外，采用不同的数值积分方法还会影响计算的处理过程以及计算的精度和时间。(4) 微分方程和代数方程交替求解时的“交接误差”问题在求解系统的微分方程组和代数方程组时，有些算法对微分方程和代数方程交替求解，即对于系统方程组(8-9)f(y,z) 0 dy g(y,z)dt式中，y为状态矢量；z为代数矢量；f、g为适当维数的函数。若设 tn时刻的yn和zn已解出，并据式(8-9)的第二式，用某种数值积分法估计状态量y在tn 1时刻的值yn0)i

19、，再将ynoi代入式(8-9)的第一式通过求解代数方程计算znoi，这样求得的ynoi和znoi一般不能严格满足 式(8-9)的第二式。为改善精度，可进一步根据yn,Zn，yn0)i，zn0)i和式(8-9)第二式，作y.i的校正计算，得校正后的yn 1，然后再代入式(8-9)第一式计算与校正后的yn 1相对应的Zn 1，如此迭代直到计算收敛。显然这种计算方法对代数方程和微分方程交替求解，计算结果不能同时满足式(8-9)中的两组方程，从而造成所谓的“交接误差”，若多次迭代又会增加机时。为了消除“交接误差”，可把式(8-9)中的代数方程和差分化的系统微分方程联立求解， 但求解过程较复杂，因为一般

20、要求解一组非线性代数方程组。(5) 故障及操作的处理问题当系统发生故障或操作(切机、切负荷、切除线路等等)时，系统节点导纳阵和微分方程组要作相应的修正。由于系统状态量在过程中不发生突变， 而代数量则在操作瞬间要发生突变，故还要根据操作后的系统代数方程求解突变后的代数 量。还应指出，在发生不对称操作和故障时，还要根据序网理论和故障分析理论作相应处理， 在复杂故障时，处理更为复杂。下面几节将分别介绍上述问题的实际处理方法，然后再在此基础上介绍采用复杂元件模型时系统暂态稳定分析的典型计算方法和步骤。8.3发电机节点的处理和机网接口计算发电机节点的处理和机网接口计算与发电机采用的模型有关，也和联网计算

21、采用的方法有关。目前的发电机节点处理方法大体上可分为以下4类。(1) 发电机采用经典模型时的处理方法。这一类处理方法已在上一节简化模型暂态稳定1分析中作了介绍，即化为图8-2所示发电机等值导纳Yg 和发电机等值电流源jXdIg YgE相并联的形式。将 Yg并入导纳阵，无操作时导纳阵不变，而每时步据发电机转子角3更新发电机注入网络的等值电流源lG ,即可求解网络方程，计算节点电压。(2) 考虑凸极效应的直接解法。其实质是将网络复数线性代数方程实、虚部分开，增阶化为xy同步坐标下的实数线性代数方程，并将发电机方程由dq坐标化为xy坐标，再和网络方程联立求解，最终是在实数域内求解线性代数方程。这种解

22、法对负荷非线性适应能力差，且发电机方程由dq坐标据转子角 3转化为xy坐标，引起导纳阵中发电机节点相应的对角 (2 X 2)子块由于3变化而为非定常元素，每一时步要重新计算因子表，机时多且内存要增加 一倍，目前在实用的暂态稳定分析程序中已不再采用此法，但这种方法物理概念清楚，不需迭代，求解网络方程为求解实线性代数方程组，也有一定优点。后面将对之作简单介绍。(3) 考虑凸极效应的迭代解法。该方法特点是力求在复数域中求解线性代数方程来实现网络方程求解，并要求导纳阵元素在无操作时保持定常，而不随发电机转子角 3而变化，从而克服了直接解法的缺点。 但发电机的凸极效应及转子角变化对机网接口计算的影响，都

23、要tn 1时刻的节点电压值有关。通过修正发电机注入网络的电流源来计及，而电流源计算还同由于tn 1时刻的节点电压正待计算，而不预知，因此tn 1时刻相应的电流源也不能预先准确计算，故要通过迭代，逐步逼近准确值，这就是迭代解法的本质。迭代解法相对于直接解法 有节省内存、因子表定常、计算速度快、便于适应非线性负荷模型等特点，但计算中每时步 计算需要迭代，并有迭代误差。迭代解法在一些实用暂态稳定分析程序中仍在使用，并常和改进欧拉法求解微分方程相结合。后面将对此方法作进一步介绍。(4) 考虑凸极效应的牛顿法。牛顿法是求解非线性代数方程组的优良方法，有良好的收 敛性能，已广泛用于电力系统潮流计算。当发电

24、机计及凸极效应，负荷计及非线性，系统中 元件微分方程化为差分代数方程后，全网的代数方程联立， 实质上是要求解一组非线性代数方程，故也可采用牛顿法求解。 相对于直接解法和迭代解法，用牛顿法进行机网接口计算编程复杂，因为要计算雅可比矩阵元素，而雅可比矩阵元素随时间而变化，故计算机时也较多。但其最大优点是对非线性元件模型的适应性好，可将微分方程的差分代数方程和系统代数方程联立求解，无“交接误差”，故计算精度高、累计误差小，因而在暂态稳定分析中广泛应 用。它常和隐式梯形积分法求解微分方程相结合，后面将对隐式梯形积分法作进一步介绍。8.3.1考虑凸极效应的直接解法当发电机计及暂态凸极效应，即Xd Xq时

25、，发电机定子方程就不能用式(8-1)的简单复数关系来表示，必须对d轴、q轴等值绕组分别列方程。当发电机采用四阶(或三阶)实用模型时，定子电压方程为(三阶模型时，下列方程中 Ed 0,Xq为Xq)Ud EdUq EqXqIq raId X d I d ra I q(8-10)当发电机采用五阶、六阶实用模型时，定子电压方程为U dEdXqlqra I dU qEqXd I dra I q(8-11)由于式(8-10)和式(8-11)有相同形式，故下面将以发电机三阶、四阶实用模型为例, (8-10)讨论机网接口计算问题。将式(8-10)写成导纳阵形式1I dGX qEdI qXdraEq即用式为了和

26、网络方程接口，需将sincoscossin ，则UdUd12 ' 'raXdXqraXdXq EdraEq(8-12)dq坐标化为xy同步坐标，对式(8-12)二边右乘坐标变换阵xyTf dq，从而式(8-12)化为lxIy1ra2XdXqraXdXqTra1 ExUxEyUydef GxBxExByGyEyUxU( 8-13)U y式中ExdddXq) (XdXq) (XdEy显然式(8-13)中导纳阵 GxByEd sin Eq cos Ed cos Eq sin 1Xq)si n2Xq)sin 2/2Xq)cos2 12(8-14)/2Xd)cos2 /2Bxx是转子角

27、的函数，且Gx Gy,BxyBy，不具备B形式，无法直接将式G(8-13)化为复数方程，然后与网络方程联立，在复数域中求解。为了便于机网接口，直接解法中先把n个节点的网络复数线性代数方程 YU I增阶化 为2n维的实线性代数方程。1x1GnB11G1iB1iGmB1nUx1Iy1B11G11B1iG1iB1nG1nUy1IxiGi1Bi1GiiBiiGinBinUxiIyiBi1Gi1BHGiiBinGinUyiI xnGn1Bn1GniBniGnnBnnUxnI ynBn1Gn1BniGniBnnGnnUyn式中，Gj jBjYj为Y阵中i行j列元素，I xijI yiIi 和 UxijU

28、yiUi分别为1 ,U中第i个兀素。为不失一般性，设式(8-13)所描写的发电机接于网络第i个节点，则式(8-13)中Ix和即为式(8-15)中b和IyiUxiUyi，将式(8-13)代入式(8-15)中第i个节点方程，消去IxiIyiI y并将i节点方程整理为xi def GxBxExn G“ijBi- ijUxjGiiGxBiBxUxiyiByGyEyj1BijjiGi- ijUyjBiiByGiiGyUyi(8-16)显然，当根据系统微分方程预估本计算时步末的Ed, Eq,等状态量的值后，则可根据式(8-14)计算Gx，Gy, Bx，By及Ex，Ey ；然后根据式(8-16)可计算发电机

29、注入网络的等值电流IxiIyi;再用发电机2X 2等值导纳阵GxByBxGy根据式(8-16)修正网络导纳阵i节点相应G-B-.的2X 2子块 ii ii ，并将式(8-16)代替式(8-15)中的第i号节点方程，对各个发电机BiiGii节点均作相似处理后，便可求解网络方程。这种机网接口求解方法称为直接解法，其主要优点是物理概念清楚，不需迭代。网络方程求解为求解一组实线性代数方程。其主要问题是增阶处理使内存要增加一倍；Gx, Bx,Gy, By非定常，从而网络方程系数矩阵经修正后也非定常，因此每一时步要作三角分解， 计算量较大；另外，这种方法对非线性负荷适应性略差。因此，这种解法目前逐步为下面介 绍的方法所取代。8.3.2考虑凸极效应的迭代解法设发电机采用36阶实用模型，与直接解法相似以式(8-10)为基础进行讨论，将之化为式(8-13)和式(8-14)表达的导纳参数形式。观察式(8-14)可知，Gx, Bx,Gy, By中的定常部分具有 G B形式，其中G 厂上 ,B 淫 "。故可用复数形式 G+jBB Gr： XdXq2( r： XdXq)