高等电力系统分析暂态部分大作业

1、高等电力系统分析暂态部分大作业题目8:综述基于暂态能量函数法的暂态稳定分析模型，包括单机无穷大系统和多机系统。求解电力系统暂态稳定问题的方法主要有两种：一是时域仿真法(timedomain simulation method),又称逐步积分法(step by step)。对微分方程采 用数值积分(或称逐步积分法，简称SBS去)与代数方程联立求解，按时间对受扰 系统中各种变量的变化进行跟踪仿真，即逐步求得系统状态变量和代数量随时间 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。二是基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定理论的直接法，主要是 以求取系统能

2、量函数，通过在故障阶段结束时 (故障清除时刻)的系统暂态能量Vc,与临界能量乂,相比较，直接评定系统的暂态稳定性，估算稳定域边界临界 能量以判断稳定性的各种方法。李雅普诺夫直接法 (简称直接法)指出：“对于一 个自由的(无外力作用的)动态系统，若系统的总能量VV(X) 0,X为系统状 态向量随时间的变化率恒为负，则系统总能量不断减少直至最终达到一个最小 值，即平衡状态，则此系统是稳定的。”1、单机无穷大系统的直接法暂稳分析发电机采用经典二阶模型，简单系统的静态稳定分析通常做如下假定：(1)简单系统、简单网络：定子绕组方程可用功角特性表示。(2)不考虑调速器和原动机方程，发电机机械功率恒定凡Pm

3、=CT数。(3)不考虑励磁调节系统，凡Eq，!S定单机一无穷大系统暂态稳定分析接线图如下:图1单机一无穷大系统暂态稳定分析系统接线图图2单机一无穷大系统暂态稳定分析功率特性曲线将直接法用于单机一无穷大系统，首先要建立单机无穷大系统的数学模型。设系统结构简图如图1,发电机采用经典二阶模型，设发电机暂态电抗 Xd后的 内电动势E，为恒定值，并设机械功率Pe为恒定值，则系统的标么值数学模型为：Md- Pm pe dt(1.1)d dt 其中发电机的电磁功率表示为：Pe EUsin(1.2)式中：转子角速度和同步速的偏差，稳态时值为零；发电机转子角；M发电机机械功率；Pe电磁功率;E/ 发电机内电动势

4、复数相量；U/ 00无穷大母线参考电压相量；工E/ 及U/ 00两量间的等值电抗，这里设两电动势间的等值电阻近似 为零。以下为各种运行情况下的功率特性分析:(一)、正常运行情况jXjx d'jX L图3正常运行情况下的等值电路此时，系统的总电抗:1XdXt1 2Xl Xt2(1.3)则电磁功率特性为:PiE0 sinXiPmi sin(1.4)（二）、故障情况jx d'jX图4故障情况下的等值电路发生短路时，根据正序等效定则，在正常等值电路中的短路点接入附加电抗凡，就得到故障情况下的等值电路，如图 的转移电抗为：（2-4）所示。此时，发电机与系统问1Xd Xt1-XlX JXX

5、T2-Xd Xt11日 Xt2(1.5)发电机的功率特性为:PcEVOsinXcPmc sin(1.6)由于Xi Xii ,因此，短路时的功率特性比正常运行时的要低，如图 2（三）、故障切除后故障切除后的等值电路，如图5所示jx d'WjX L图5故障切除后的等值电路此时，系统的总电抗:功率特性为:Xffl =Xd XT1 XLXT2(1.7)Pm-0-0 sinPm sinX(1.8)一般情况下，Xi Xiii Xii ,因此Pm介于也P和PH之间。发电机单机一无穷大系统的机械运动方程描述如下：二 2Tj d2w0 dt2dtPmPe(1.9)写为状态方程:0 k Tj(PmR)TJ

6、(0)小Pm TJR)Pe)TJ(0 D(00)0)(1.10)令岂二不），0（1.10）化为 %,00,为简化书写，以后将写为，则式（1.9）、得d dt d dt吟 Pm PePmPm sinTj(1.11)(1.12)表示转子与同步旋转参考轴之间的相对速度。由上式可以导出:d PmPm sin(1.13)对于两机系统, 转子运动方程，系统故障及故障切除后的功角曲线如图 1-2所示，图中°为故障前系统的稳定平衡点，c为系统故障切除点，对于故障切除后的系统，S为系统故障切除后新的稳定平衡点，其稳定平衡点为S点，不稳定平衡点为U点，相应的转子 角为u ,在这两点均有发电机机械功率和电

7、磁功率平衡。用直接法作暂态分析时，先定义系统的暂态能量函数，下面根据式 (1.6)来 确定系统故障切除后的暂态能量函数 V,故障切除后系统的暂态能量函数 V由动 能和势能决定。(1.14)d1T Pm Pm sin通常设系统动能为Vk , VkTJ d1TJ 2显然稳态时Vk0 ,对于故障切2除时系统的动能可通过对式(1.6)的加速度方程两边对占积分而求得，即根据d 1 2及口 ，有 V( , )TJ -ddPm % sin d ,定义系统2 dtdt s的势能Vp为故障切除后系统的稳定平衡点S为参考点的减速面积，它反映了系统吸收转子动能的性能，则故障切除后的势能为：Vps(PemsinPm)

8、dPem (CosCOS s) Pm(s) (1.15)系统在故障切除后的总暂态能量V Vk Vp p12V(，) 2TJ 2 Pm(s) PUcoscos s)(1.16)至此不考虑发电机阻尼系数的暂态能量函数得以确定。2、两机系统的直接法d 1 dt d 1 dtd 2 dtd 2dt2 -Pm1E1 G11E1 E2 G12 cos 12 B12 sin 12/TJ12 -Pm2E2G22 E1E2 G12 cos 12B12 sin 12/ TJ 2当采用经典模型时，可以分别列出故障切除后各台发电机的式中：Ei,E2分别为发电机1和2暂态电抗后的电势；12为两发电机转子问的相对角度，即

9、1212 ； Gii,G22,Gi2和B12分别为发电机内电势节点自电导、互电导和互电纳。由上列方程不难导出式中PmeqPMeqd 12丁d 12-dT1212PmeqPMeq sin 12a12/TJeq(2.2)TJeq 和 a12 仅取决于 TJ 1,TJ2 , Pm1, Pm2 , E1 , E2，G11 ,G22 , G12 和 B12因此他们都是常数。现在，令 12 a12和12,则式（2.2）便与式（1.12）具有相同的形式。换言之，两机系统实际上可以转化为等值的单机一无穷大系统，只是应该注意，现在 中包含了一项为2,但这无关紧要，因为a2在故障切除以后的所有时间内都保持恒定，只

10、要在决定矿时将故障切除瞬间的12 a12便可。实际上，在单机无穷大系统中，如果考虑元件的电阻，则相应的方程式便与式（2.2）的情况相I这样，前面对单机一无穷大系统所介绍的各种概念、原理、方法和结果便完 全可以推广到两机系统。其存在的主要问题是： 求解电力系统稳定域的复杂性； 解析暂态能量函数式的困难性； 识别临界机群的有效性。题目13:独立简单分布式能源系统工作模式及暂态过程分析。独立能源系 统由小型水电站、风力电站、太阳能电站组成；从稳定性的角度论述其合理的 发电容量组成及可能的暂态过程，并分析提高其稳定性的措施有哪些？网络结 构如下：分布式能源系统直接安装在用户端，通过在现场对能源实现梯级

11、利用，减少 中间输送环节损耗，实现资源利用最大化。分布式能源系统直接为附近的用户供 电，发电设施规模一般较小，目前主要有小燃气轮机发电、小燃气内燃机发电、 风力发电、小水电、燃料电池发电以及太阳能光伏发电等形式。分布式能源系统发电在我国主要有独立运行模式和与公用电网联网运行模式两种。独立运行模式主要用于大电网覆盖不到的边远地区、农牧区，由分布式能源系统单独供电。我国在近、中期应高度重视独立运行模式的发展，这对于解决“三 农”问题有重要意义。联网运行模式主要用于电网中负荷快速增长区域和重要的 负荷区域，分布式能源系统电源接入公用电网的配电网或者负荷安装处，与公用电网一起向负荷供电。为了保证用户的

12、供电可靠性，采用联网运行模式是分布式 能源系统未来发展的主要形式。下面结合某一地区的具体情况，介绍并分析以风光水互补的独立的分布式能 源系统。1 ）气象数据（取自密云镇气象站）密云镇位于北纬40° 23',东径116° 52 ',海拔71.8 m,常年平均风速3.35 m/s ,年平均降水量638.8 mm,年辐射量5508.5 MJ/m2。2 ）负荷数据根据实际调研估算，当地夏季日平均负荷为605 W日用电量14.525 kWh; 其他季节日平均负荷为 397W日用电量9.525 kW h。典型日负荷曲线如图1 所示。2 5IK)71/ 注 W1:00 3

13、:00 5:00 7:00 9:00 I1M 13:00 15® 17:00 19:00 2UM 3:00我利图】密云镇典型日负荷曲线3 ）算法初始设定条件蒙特卡罗模拟次数为1000,目标函数和约束条件的置信水平均取 90% ,遗 传算法种群规模为30 ,最大遗传代数为100。设定农户对配置的要求分别有以下 3种，投资5万元以内缺电率最低；缺 电率10犯内投资最少；资源利用率 90%以上综合指标最优。通过计算选得最优方案为：风力发电机：100*4/W水力发电机：200/W太阳能电池：400/W蓄电池：150/Ah缺电率：9.06%资源利用率：90.16%算法详见参考资料1逆变器的选择

14、：取用电负载功率的 3倍为逆变器功率，容量选用2 kW0工作模式从系统稳定角度，结合供电可靠性、灵活性和经济性要求，对该独立运行的 分布系统工作模式分析如下：1、工作模式一风力资源和光资源在不同的季节、天气条件下分布不同，具有一定的互补性， 充分利用风能和光能资源的互补性进行发电， 可减少采用单一资源的电力供应不 足或不平衡 分析用户的用电负荷的特征，通过风能发电和光能发电合理配置， 可最大限度地符合用电负荷的特征，实现长时间供用电平衡，这样既减少了蓄电 池和抽水蓄能的容量 降低系统的成本，又缩短了储能设备工作时间，延长了设 备寿命，提高了经济效益。2、工作模式二利用蓄电池充放电电压等值于太阳

15、能发电 风力发电整流后的电压这一特性， 此工作模式用蓄电池与能量交换直流平台直接相连，减少了整流逆变设备投资。当太阳能、风能发电的总量大于负荷用电，并且太阳能发电有较多余量时，直接对蓄电池进行充电，把多余的太阳能以化学能的形式储存下来; 当太阳能、风能发电的总量小于负荷用电，并且负荷用电突然变化，变化量又较大时，可利用蓄电池补充亏损的电能，系统仍然可以稳定运行，对用户不间断供电，可保证供电的可靠性。3、工作模式三当太阳能、风能发电总量与负荷用电不平衡，而能量交换平台监测到负荷波动较小时，可以启动抽水蓄能装置开闸放水，利用水轮机发电来填补负荷的波动，由于水轮机发电电压、频率稳定，可以直接供给负荷

16、用电; 也可以通过整流汇总到能量交换平台再对负荷进行供电，保证了电能的质量和连续性。4、工作模式四当太阳能、风能发电的总量大于负荷用电，并且风能发电有较多余量时，通过微机控制系统可使风力发电输出的交流电直接带动抽水蓄能装置，把下游的水抽到上游水库，把多余的风能以水势能的形式储存下来该过程不经过整流逆变环节，既减轻了线路负荷减少了线路损耗，又削弱了电压的波动，同时可以提高风机的切出风速，有效地提高了风能利用的效率。另外， 该系统还有多种工作模式，例如抽水蓄能电站的水泵由负荷侧供电而启动抽水，作为负荷使能量均衡；当逆变器发生故障时，可以使线路导通，实现风能 - 电能 - 水能 -电能转化过程，在故

17、障状态下仍能保证供电的可靠性。多种工作模式相互配合灵活切换实现了能量的充分利用，降低系统成本，使风 - 光 - 水互补发电系统更为安全、可靠，电能质量更好。从其工作模式来看，合理的发电机容量比可选为：风：水：光=3:2:5 或 5:3:2 或 4:2:2但不同地区资源分布不同，应根据实际情况加以分析计算。暂态过程与稳定性分析独立工作模式下，分布式发电机输出恒定有功功率和无功功率。如果输出的功率低于额定负载，电力系统频率和电压水平将下降，如果发电超过额定负载的电力系统频率和电压等级将会增加，以上两种情况将导致系统进入不稳定的状态。 即使这时产生的功率等于负载额定功率。由于缺乏惯性，负载波动仍然会

18、导致系统不稳定。因此， 在孤岛运行的分布式发电机必须采取相应的措施来调节系统频率和电压水平。所以当从公用电网断开时，把分布式发电机切换到恒定电压控制。如果在微网拥有多个分布式发电机，如在本例中，光伏电池和风力发电机仍采用恒定的输出功率控制策略，由于初级能源：太阳能和风能，不能轻易控制。微型水轮涡轮机应切换到恒定的电压控制模式的有功功率和无功功率补偿。一般来说， 分布式发电容量小于额定容量的负载，无论控制策略，孤岛运行的网络不能保持长期的稳定运行。因此， 在独立运行模式下，要保证对重要的负荷提供电源。次要的负荷脱离电网，但保持一定的电源支持。分布式供电系统是由很多个子系统组成的，由于子系统通常情

19、况下都是基于它本身的要求来设计的，当不同的子系统级联的时候，系统就有可能性能下降，甚至不稳定。对于系统稳定性的判断方法可以采用的是阻抗分析法，分别测量电源模块的输出阻抗Z1和负载模块的输入阻抗Z2,在计算两个阻抗的比值。如果环路增益T= Z1/Z2满足奈奎斯特稳定判据，即满足I TI <1,那么系 统就是稳定的；假如不满足以上条件，系统就不具有足够的稳定裕量。如果在设 计的时候能够满足阻抗规范说明，就可以大大减小系统级联是性能下降甚至不稳 定情况的发生。对于大部分负载系统来说，均是由多个子模块组成的，如果只对 整体系统的阻抗Z2!行规范是不够的，并不能保证系统是稳定的。这种情况下就 要对

20、每个模块的Z2分别进行规范，才有可能保证整体系统有足够的稳定裕量。提高稳定性的措施有：1）合理配置各发电容量比；2）选择合理的工作模式；3）合理选择分布式发电机恒电压发电与恒功率发电；4）添加逆变装置与无功补偿装置，并选择其适当容量。5）选用恰当的控制模式，等等。另外，在传统电力系统下的提高稳定性的措施，在这同样适用。如：自动调 节励磁，减小元件阻抗，提高系统电压等。分布式电源的并网对电网的稳定性造成重大影响，所以要提高稳定性，必须从分布式电源的并网技术入手。微网技术的提出实现了分布式发电技术的灵活、 高效应用，提高分布式电源的利用率，避免间歇式电源对周围用户电能质量的影 响，提高了电力系统的稳定性。控制策略1、控制策略经营目标当电压跌落，升高，不平衡和谐波等电能质量问题或定期维修发生， 微电网过渡到孤岛的运作模式。此时，电压和频率将由内部微源的控制。 微源采 取VF空制参与的有功和无功调节维持系统电压和频率的稳定。能源管理系统往往 使用V/F方式调整微源的典型工作模式和中断正常负载和其他措施，以确保微电 网的稳定运行。2、能量管理协调方案1）可中断负荷应该被切除，以确保敏感负载由微网，可靠的电力供应，并 确保敏感负载的正常运行；2）据储能的运行状态，它可以管理电源开关和小型涡轮机发电容量。作为 储能装置所吸收的能量的一部分，取出小型涡轮机的一部分