电力系统稳定性分析与仿真

1、电力系统稳定性分析与仿真电力系统稳定性分析与仿真电力系统稳定性的研究背景及意义电力系统稳定性的研究背景及意义 电力是实现国民经济现代化和提高人民生活水平的重要电力是实现国民经济现代化和提高人民生活水平的重要物质基础。现代电力系统是集发电厂、输配电网络、直至用物质基础。现代电力系统是集发电厂、输配电网络、直至用户的地域广阔、结构复杂、高度自动化的大系统。户的地域广阔、结构复杂、高度自动化的大系统。 电力系统电压不稳定电力系统电压不稳定/电压崩溃事故是电力系统丧失稳定电压崩溃事故是电力系统丧失稳定性的一个重要方面，因其影响面大，造成的经济损失巨大，性的一个重要方面，因其影响面大，造成的经济损失巨大

2、，是电力系统安全运行的一个急需解决的问题。是电力系统安全运行的一个急需解决的问题。 电力系统稳定性的破坏，将使整个电力系统受到严重的电力系统稳定性的破坏，将使整个电力系统受到严重的不良影响，造成大量用户供电中断，甚至造成整个系统瓦解。不良影响，造成大量用户供电中断，甚至造成整个系统瓦解。因此，保持电力系统运行的稳定性，对于电力系统安全可靠因此，保持电力系统运行的稳定性，对于电力系统安全可靠运行，具有极其重要的意义。运行，具有极其重要的意义。 电力系统稳定性分析与仿真现代电力系统现代电力系统 能源的构成能源的构成电力系统稳定性分析与仿真现代电力系统现代电力系统现代电力系统发展的特点：现代电力系统

3、发展的特点： 高度自动化高度自动化 超高压超高压 大机组大机组 大电网大电网电力系统稳定性分析与仿真现代电力系统现代电力系统 大电网的优越性可概括为：利于稳定周波，利于事故大电网的优越性可概括为：利于稳定周波，利于事故支援，能够减少负荷备用，具体如下：支援，能够减少负荷备用，具体如下：有利于开发边远地区的水煤资源。有利于开发边远地区的水煤资源。有利于降低发电成本（可安装大机组）。有利于降低发电成本（可安装大机组）。有利于错开地区时差，实现经济调度，减少负荷备用。有利于错开地区时差，实现经济调度，减少负荷备用。有利于改善电能的质量。有利于改善电能的质量。电力系统稳定性分析与仿真现代电力系统现代电

4、力系统现代电力系统运行的基本要求：现代电力系统运行的基本要求：1.可靠持续的供电可靠持续的供电 2.良好的电能质量良好的电能质量 频率质量；频率质量； 波形质量；波形质量； 电压质量电压质量 3.经济灵活的运营经济灵活的运营 电力系统稳定性分析与仿真电力系统稳定性的模型建立电力系统稳定性的模型建立 现代电力系统现代电力系统 离散相似法是将一个连续系统进行离散化处理，求离散相似法是将一个连续系统进行离散化处理，求得与其等价的离散模型。这种方法的实质是用常系数差得与其等价的离散模型。这种方法的实质是用常系数差分方程来等效原常系数微分方程，这样就可以用迭代的分方程来等效原常系数微分方程，这样就可以用

5、迭代的方法求解差分方程。连续系统可以用状态空间模型表示，方法求解差分方程。连续系统可以用状态空间模型表示，因此可以基于状态方程离散化，得到时域离散相似模型。因此可以基于状态方程离散化，得到时域离散相似模型。对传递函数作离散化处理得到的离散传递函数，称为频对传递函数作离散化处理得到的离散传递函数，称为频域离散相似模型。域离散相似模型。 电力系统稳定性分析与仿真 离散事件系统仿真不同于连续系统仿真。在连续系统中，仿真结果表现离散事件系统仿真不同于连续系统仿真。在连续系统中，仿真结果表现为系统变量随时间变化的时间历程；在离散事件系统仿真中，系统变量时反为系统变量随时间变化的时间历程；在离散事件系统仿

6、真中，系统变量时反映系统个部分相互作用的一些事件，仿真结果是产生处理这些事件的事件历映系统个部分相互作用的一些事件，仿真结果是产生处理这些事件的事件历程。离散事件的仿真，可以采用事件调度法、活动扫描法、进程交互法三种程。离散事件的仿真，可以采用事件调度法、活动扫描法、进程交互法三种方法。在控制系统仿真中，主要用四种形式的数学模型：传递函数模型、零方法。在控制系统仿真中，主要用四种形式的数学模型：传递函数模型、零极点模型、状态方程模型和结构图模型。这些模型之间存在着内在的等效关极点模型、状态方程模型和结构图模型。这些模型之间存在着内在的等效关系。传递函数模型（系。传递函数模型（tf模型）：对系统

7、的微分方程在零初始条件下做拉氏变模型）：对系统的微分方程在零初始条件下做拉氏变换，则可得系统的传递函数（换，则可得系统的传递函数（SISO系统）：系统）： 11211121nnnmmmasasabsbsbsusysG状态方程模型（状态方程模型（ss模型）：模型）：LTI系统的状态方程：系统的状态方程： DuCxyBuAxx 现代电力系统现代电力系统离散相似法离散相似法电力系统稳定性分析与仿真现代电力系统现代电力系统只要将只要将A，B，C，D几个矩阵输入进去即可。零极点模型（几个矩阵输入进去即可。零极点模型（zpk模型）：模型）：零极点模型是传递函数的另一种表现形式，其原理是分别对原系统传零极点

8、模型是传递函数的另一种表现形式，其原理是分别对原系统传递函数的分子和分母进行分解因式处理，以获得系统的零极点表示形递函数的分子和分母进行分解因式处理，以获得系统的零极点表示形式：式： nmpspspspszszszszsksG321321结构图模型：控制系统的结构图是描述系统各组成元部件之间信号传结构图模型：控制系统的结构图是描述系统各组成元部件之间信号传递关系的数学图形，它表示系统中各变量所进行的数学运算和输入、递关系的数学图形，它表示系统中各变量所进行的数学运算和输入、输出之间的因果关系。采用结构图，不仅能方便地求取复杂的传递函输出之间的因果关系。采用结构图，不仅能方便地求取复杂的传递函数

9、，而且能形象直观地表明信号在系统或元件中的传递过程。数，而且能形象直观地表明信号在系统或元件中的传递过程。 电力系统稳定性分析与仿真电力系统稳定性分析电力系统稳定性分析 电力系统稳定性问题的分类：电力系统稳定性问题的分类： 美国国际电气与电子工程师协会（美国国际电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineering, IEEE）把电力系）把电力系统稳定性问题分为统稳定性问题分为暂态稳定性（暂态稳定性（Transient Stability）和）和静态稳定性（静态稳定性（Steady-state Stability）两大类。两

10、大类。 现现主要围绕电力系统暂态稳定问题进行论述。主要围绕电力系统暂态稳定问题进行论述。 电力系统稳定性分析与仿真电力系统电力系统稳定性分析稳定性分析 电力系统暂态稳定性是指系统突然经受大干扰后，电力系统暂态稳定性是指系统突然经受大干扰后，各个同步电机能否继续保持同步运行的能力。通常各个同步电机能否继续保持同步运行的能力。通常所考虑的扰动包括发生各种短路故障、切除大容量所考虑的扰动包括发生各种短路故障、切除大容量发电机或输电设备以及某些负荷的突然变化等。发电机或输电设备以及某些负荷的突然变化等。 根据在扰动后的不同时间里系统各部分的反应不同，在分析暂态稳定根据在扰动后的不同时间里系统各部分的反

11、应不同，在分析暂态稳定时往往分为以下三个阶段：时往往分为以下三个阶段：l起始阶段：即故障后约一秒钟内的时间段。在这期间系统中的保护和自起始阶段：即故障后约一秒钟内的时间段。在这期间系统中的保护和自 动装置有一系列的动作，例如切除故障线路和重合闸，切除发电机等。动装置有一系列的动作，例如切除故障线路和重合闸，切除发电机等。在这个时间段中发电机的调节系统还来不及起到明显的作用。在这个时间段中发电机的调节系统还来不及起到明显的作用。l中间阶段：在起始阶段后，大约持续中间阶段：在起始阶段后，大约持续5秒钟的时间段。在此期间发电机秒钟的时间段。在此期间发电机的调节系统将发挥作用。的调节系统将发挥作用。l

12、后期阶段：在故障后几分钟内。这时热力设备（如锅炉等）将影响到电后期阶段：在故障后几分钟内。这时热力设备（如锅炉等）将影响到电力系统的暂态过程，另外系统中还将发生由于频率的下降自动切除部分力系统的暂态过程，另外系统中还将发生由于频率的下降自动切除部分负荷等操作。负荷等操作。 电力系统稳定性分析与仿真电力系统电力系统稳定性分析稳定性分析 电力系统暂态稳定性的分析方法电力系统暂态稳定性的分析方法 求解电力系统暂态稳定问题的分析方求解电力系统暂态稳定问题的分析方法大致有三种：法大致有三种：时域仿真法时域仿真法（Time Domain Simulation Method）、）、直接法直接法（Direct

13、 Method）以及将前面二者结合）以及将前面二者结合起来的起来的混合算法混合算法（Hybrid Method）。）。电力系统稳定性分析与仿真电力系统数字仿真电力系统数字仿真 数字仿真在近几十年中得到了很大发展，尤其是在工程系统中。这数字仿真在近几十年中得到了很大发展，尤其是在工程系统中。这是因为数字仿真有其独特的优点：是因为数字仿真有其独特的优点：1)不受被研究系统的规模和复杂性的限制。不受被研究系统的规模和复杂性的限制。 2)保证被研究系统的安全性。保证被研究系统的安全性。 3)系统试验的经济性。系统试验的经济性。 4)可用于对未来系统发展的预测。可用于对未来系统发展的预测。 电力系统数字

14、仿真的特点：电力系统数字仿真的特点：电力系统稳定性分析与仿真电电力力系系统统数数字字仿仿真真电力系统数字仿真的用途：电力系统数字仿真的用途： 系统数字仿真作为一种研究、试验和培训手段具有极好的系统数字仿真作为一种研究、试验和培训手段具有极好的经济性和实用性，它的应用范围主要在以下几方面：经济性和实用性，它的应用范围主要在以下几方面： 1)应用于系统规划、设计与试验；应用于系统规划、设计与试验；2)应用于系统动态特性分析与研究；应用于系统动态特性分析与研究；3)应用于辅助决策、管理与控制；应用于辅助决策、管理与控制；4)应用于人员的教学培训。应用于人员的教学培训。 电力系统稳定性分析与仿真电电力

15、力系系统统数数字字仿仿真真仿真系统模型仿真系统模型 本文采用本文采用230kV的四机两区域系统以及华东电网为研究模型，研的四机两区域系统以及华东电网为研究模型，研究平台为究平台为PSS/E30。 本算例采用负荷模型为恒阻抗特性。以下是该系统的数据说明。本算例采用负荷模型为恒阻抗特性。以下是该系统的数据说明。系统接线图如下：系统接线图如下： 图图4-1 系统接线图系统接线图 电力系统稳定性分析与仿真 系统初始潮流结果如图系统初始潮流结果如图4-2所示所示(以储能装置装设在母线以储能装置装设在母线2处为例，作为处为例，作为发电机建模发电机建模) 稳态时，储能装置无输出，即不进行与系统之间有功无功的

16、交换。稳态时，储能装置无输出，即不进行与系统之间有功无功的交换。 电电力力系系统统数数字字仿仿真真图图4-2 系统初始潮流情况系统初始潮流情况电力系统稳定性分析与仿真电电力力系系统统数数字字仿仿真真超导储能提高暂态稳定性的仿真研究超导储能提高暂态稳定性的仿真研究 本文所采用故障为本文所采用故障为7、8号母线之间支路号母线之间支路1在时发生在时发生三相短路，经一定时间后切除故障线路。三相短路，经一定时间后切除故障线路。 超导储能装置装设在母线超导储能装置装设在母线2上，采用上，采用PID控制模块。控制模块。 以下是仿真结果对比，分别为有无超导储能情况以下是仿真结果对比，分别为有无超导储能情况下的

17、系统响应曲线。下的系统响应曲线。电力系统稳定性分析与仿真电电力力系系统统数数字字仿仿真真当故障线路切除时，系统量响应曲线如下图所示：当故障线路切除时，系统量响应曲线如下图所示： 图图4-3 2号发电机的转速变化号发电机的转速变化 图图4-4 母线母线2频率偏差变化动态过程频率偏差变化动态过程 电力系统稳定性分析与仿真电电力力系系统统数数字字仿仿真真图图4-5 母线母线2的功角变化动态过程的功角变化动态过程 图图4-6 母线母线2电压变化动态过程电压变化动态过程 电力系统稳定性分析与仿真电电力力系系统统数数字字仿仿真真图图4-7 2号发电机的有功功率动态过程号发电机的有功功率动态过程 电力系统稳

18、定性分析与仿真电电力力系系统统数数字字仿仿真真当故障线路切除时，各系统量响应曲线如下图所示：当故障线路切除时，各系统量响应曲线如下图所示： 图图4-8 2号发电机的转速变化号发电机的转速变化 图图4-9母线母线2频率偏差变化动态过程频率偏差变化动态过程 电力系统稳定性分析与仿真电电力力系系统统数数字字仿仿真真图图4-10母线母线2的功角变化动态过程的功角变化动态过程 图图4-11母线母线2电压变化动态过程电压变化动态过程 电力系统稳定性分析与仿真电电力力系系统统数数字字仿仿真真图图4-12 2号发电机的有功功率动态过程号发电机的有功功率动态过程 总结：从以上总结：从以上仿真结果可以仿真结果可以看出，储能装看出，储能装置的加入可以置的加入可以快速地抑制振快速地抑制振荡，从而使得荡，从而使得系统能够快速系统能够快速的稳定。的稳定。电力系统稳定性分析与仿真致谢致谢 本文是在本文是在XXX教授的精心指导和大力支持下完成的，教授的