基于MATLAB的电力系统稳定性分析与仿真.doc

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目录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题背景 1

1.2课题内容 1

1.3课题意义 1

2简单电力系统的静态稳定性及其仿真分析 2

2.1电力系统静态稳定性简介 2

2.2简单电力系统的静态稳定性仿真 4

2.2.1Simulink模型构建及参数设置 4

2.2.2保持电势’=’=常数，励磁系统的综合放大系数为5.7857仿真分析 7

2.3提高系统静态稳定性的措施 9

2.3.1采用自动调节励磁装置 9

2.3.2减小元件的电抗 10

2.3.3提高线路标称电压等级 10

2.3.4改善系统的结构和采用中间补偿设备 11

3简单电力系统的暂态稳定性及其仿真分析 11

3.1电力系统的暂态稳定性简介 12

3.2Simulink模型及仿真结果 14

3.3提高系统暂态稳定性的措施 18

3.3.1改变制动功率（发电机输出的电磁功率） 18

3.3.2改变原动功率（原动机输出的机械功率） 19

3.3.3系统失去稳定后的措施 20

4总结与展望 21

参考文献 22

致谢 23

Contents

Abstract II

1Introduction 1

1.1Taskbackground 1

1.2Taskcontents 1

1.3Tasksignificance 1

2Thestaticstabilityofpowersystemanditssimulink 2

2.1Introductionofpowersystemstaticstability 2

2.2Simulinkofpowersystemstaticstability 4

2.2.1Simulinkmodelconstructionandparametersetting 4

2.2.2Keepingvoitage’=’=constant，simulinkoftheexcitationsystemwhentheamplificationcoefficientis5.7857 7

2.3Measurestoimprovestaticstability 9

2.3.1Usingautomaticexcitationdevices 9

2.3.2Decreasethereactanceofcomponents 10

2.3.3Increasethevoltagegradeofpowerline 10

2.3.4Improvethestructureofthesystemandusingthecompensatingdevices 11

3Thetransientstabilityofpowersystemanditssimulink 11

3.1Introductionofpowersystemtransientstability 12

3.2Simulinkmodelandtheresults 14

3.3Measurestoimprovetransientstability 18

3.3.1Changethebrakingpower（electromagnetismpowerofthegenerator） 18

3.3.2Changethemotivepower（mechanicalpowerofprimemover） 19

3.3.3Measuresafterstabilitylost 20

4Conclusionsandexpectations 21

References 22

Acknowledgement 23

23

电力系统稳定性分析及仿真

摘要:

电力系统是由以下环节组成的，即产生电能、输送电能、变换电能、配送电能和使用电能。

由于国民经济发展的需要，电力系统已由最早的简单供电系统发展到跨区域甚至跨国界的互联系统。

并且电力系统规模的扩大有益于能源开发、负荷调整、系统的安全和经济运行等。

但是，要想发挥电力系统优势，需要保证系统的稳定运行。

电力系统在运行中，各种扰动都会对系统的安全运行构成威胁，这时必须要采取一定的措施，否则可能会造成电力系统的瘫痪，引发大面积的停电事故。

为使电力系统的稳定运行，需要对电力系统进行稳定性分析。

电力系统稳定性问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳定运行状态的问题。

此外，假如达不到所要求的稳定性或者要提高系统的传输能力时，就必须采用一定的方法提高稳定性。

关键词：

电力系统静态稳定暂态稳定提高稳定措施

TheAnalysisofPowerSystemStabilityandItsSimulationBasedonMATLAB

AbstractElectricpowersystemismadeupofelectricpowergeneration，powertransmission，powerdistribution，powerutilization，andetc.Duetotheneedofnationaleconomicdevelopment,thepowersystemhasdevelopedfromthesimplepowersupplysystemtointer-regionalandevencross-borderinterconnectionsystems.Andexpandingthescaleofpowersystemisbeneficialtotheenergydevelopment,loadadjustment,safeandeconomicaloperationofthesystemandsoon.However,tomakefulluseofthepowersystemitisnecessarytoensurethesafeandstableoperationofthepowersystem.Intheoperationofthepowersystem,allkindsofdisturbanceswillposeathreattothesystem,soappropriatemeasuresmustbetaken,orelsethepowersystemislikelytocollapse,causinglarge-scaleblackouts.Inordertoensurethesecurityofthepowersystem,thereistheneedforpowersystemstabilityanalysis.Thestabilityofthepowersystemiswhenthesystemissubjectedtosomedisturbancesinanormaloperatingstate,whetheritispossibletorunbacktotheoriginalstateortransformtoanewsteadystateafteracertainperiodoftime.Inaddition,whenthestabilitydoesnotmeettherequirementsorthetransmissioncapacityofthesystemwantstobeincreased,thereistheneedtostudytheappropriatemeasurestoenhancestability.

Keywords:

powersystem;steadystability;transientstability;measurestoenhancestability

1绪论

1.1课题背景

随着我国电力工业不断发展实现全国电网互联是一个大的发展方向，由于电力体制改革的不断推进，加快了全国联网进程。

目前，我国电网结构己经开始从局部联网逐步向大区域乃至全国联网的方向前进。

但随着用电负荷容量、数量以及电力系统电网规模的不断扩大，它必然会对电力系统各个运行环节带来很多的新的技术问题，其中最重要的问题之一就是电力系统的安全稳定运行，解决好该问题是电力部门所要面临的难题之一。

随着电力行业的不断发展以及技术经济需要，全国互联大电网已逐步形成，并且已经显示出其巨大的优势，它可以合理的开发和利用资源，提高供电安全性，节省投资和运行费用。

但电力系统所要经受的各种扰动严重影响着系统的安全运行。

在电力系统的生产运行、规划设计等方面都要考虑这些扰动的影响，否则很有可能会因为互联系统的连锁反应引起大面积停电的重大系统事故。

1.2课题内容

电力系统的稳定性问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过度到一个新的稳定运行状态的问题。

假如可以，那么系统在此运行状态下是稳定的。

相反，如果系统不能回到原始运行状态或者不能过渡到一个新的稳定状态，则表明系统在此运行状态下没有一个稳态值，而是随着时间不断增大或震荡，系统不能保持稳定。

电力系统稳定情况和系统原来的运行方式以及干扰的方式相关，换句话说，对同一个系统两组不同的运行方式和干扰类型会对其造成不同的稳定性影响[1]。

电力系统稳定性主要包括静态稳定、暂态稳定以及动态稳定。

静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力；暂态稳定是指电力系统受到大扰动后，各同步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。

通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角稳定；动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力[2]。

本文主要讨论研究静态稳定性和暂态稳定性。

1.3课题意义

考虑到电力系统失稳后可能带来的一系列严重后果，因此有必要对电力系统稳定性进行研究。

通过研究我们不仅可以得到预防电力系统失稳的措施，而且还可以得到当系统失稳后所应采取的措施。

2简单电力系统的静态稳定性及其仿真分析

电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。

一些小的干扰不断影响着电力系统的正常运行。

例如：

所接负荷的微小变动；架空线因各种原因造成的线间距离（影响线路阻抗）的小量变动等等。

所以，电力系统的静态稳定问题实际上就是确定系统在某个运行状态能否稳定运行的问题。

根据电力系统稳定问题的物理特征，静态稳定问题主要包括功角稳定和电压稳定两方面。

由于物理问题本质不同，相应元件的数学模型、分析方法、稳定判据及控制对策均有所不同，需分别研究。

本章采用单机无穷大系统的模型，对电力系统的静态稳定性中的功角稳定进行仿真分析[3]。

2.1电力系统静态稳定性简介

图2-1画出的是一简单电力系统模型和等值电路，首段是发电机，其经过变压器T1和双回线路供电给无穷大系统。

其中=+++。

发电机发送电磁功率是

如果不计发电机励磁调节器的影响，也就是假定发电机的空载电动势不变，那么发电机的功—角特性曲线为图2-2画出的正弦曲线[4]。

图2-1简单电力系统及其等值电路

a）正常运行方式及其等值电路b）故障情况及其等值电路c）故障切除后及其等值电路

如果忽略原动机调速器的影响，那么原动机发出的机械功率不改变。

假定在某一正常运行状态下，发电机向无限大系统输送的功率为，由于忽略了电阻损耗以及机组的摩擦、风阻等损耗，和原动机机械功率是相等的。

由图2-2可见，当输送功率为时，系统可能会运行在a点或b点（也就是存在两个值，其中==）。

由于很多微小扰动不断影响着系统，通过以下的分析能够得出，只有a点才能保持静态稳定，而b点不是保持稳定运行实际运行点，即静态不稳定的。

先分析a点的运行情况。

假若某个短暂的轻微波动影响了系统，使功角出现很小的一个增量，那么我们就得到发电机输出的电磁功率与图中的a’相对应。

这时，由于原动机的机械功率保持不变，仍为，因此，相对于原动机的机械功率，发电机输出的电磁功率较大，即转子过剩转矩为负值。

由于存在这个过剩转矩，使得发电机转速减小，所以功角也逐渐降低。

经过衰减振荡后，发电机重新回到初始稳定点a，如图2-3a所示。

如果在a点运行时受扰动产生一个负值的角度增量，运行点由原来的a点变为a”点，此时，相比于输入的机械功率，发电机输出的电磁功率较小，由于发电机受到正的不平衡转矩的作用，使得发电机转子加速，并将增大功角，发电机重新回到初始运行点a。

也就是说系统在a点可以保持稳态运行。

在b点运行时的特性则完全不同。

假设在扰动的作用下增加了，则可以得到发电机运行点将转移至b’点，此时电磁功率小于机械功率。

在不平衡转矩的作用下发电机速度会增加，所以功角会继续增大。

而由于的加大，发电机输出的的电磁功率会越来越小。

所以这样会导致功角越来越大，不能再重新返回运行点b，图2-3b画出了越来越大的不稳定现象。

越来越大说明发电机与无穷大系统已经发生了非周期性的失步现象，会造成电流I、电压U和功率P波动现象，系统难以稳定运行，造成系统崩溃。

如果小扰动使有个负的增量，情况又不同，电磁功率将增加到与b”点相对应的值，大于机械功率，因而转子减速，将减小，一直减小到小于，转子又获得加速，此时系统会出现很多次的震荡，在a点建立新的运行点，不再回到b点。

因此，对于b点而言，由于扰动的作用，运行点要么是在a点重新平衡，要么是产生非周期性是步，所以系统无法在b点稳定运行。

图2-2静态稳定的概念

图2-3小干扰后功角的变化

a）在a点运行b）在b点运行

2.2简单电力系统的静态稳定性仿真

2.2.1Simulink模型构建及参数设置

以图2-1画出的单机无穷大系统为例，建立该系统的的Simulink仿真模型，搭建结果图2-4[5]。

图2-4单机无穷大系统静态稳定性仿真模型

在仿真图中，发电机采用p.u.标准同步电机模块，对于系统中的变压器，都使用“Three-phasetransformer（TwoWindings）”模型，无需改动参数，即使用给定参数。

无穷大系统采用“Three-phasesource”模型，自定义参数如图2-5所示。

为简化仿真，输电线路采用“ThreePhaseSeriesRLCBranch”模块。

构建发电机励磁系统模块，由图2-6画出。

图中包含了“Excitation”模块和“PowerSystemStabilizer（PSS）”模块，其中，“Excitation”模块从发电机中引入机端电压交、直轴两分量信号，经过内部传递函数公式，与模块中的机端参考电压信号进行比较，并输出励磁电压信号，将信号输送回电力系统中。

PSS是励磁系统的一个子模块，它的输出作为一种励磁输入信号，它的投入或退出是通过“ManualSwitch”开关控制的。

因为该部分将电力系统稳定器的作用排除在外，因此在图2-6中的“ManualSwitch”与noPss接通。

利用时间模块、开关模块控制发电机机械功率的变化来模拟系统的小干扰信号，模块组合如图2-7所示。

图中开关模块（Switch）和时间（Timer）设置如图2-8所示。

干扰信号的大小由图中的常数模块来设置，干扰产生的时刻由时间模块来设置。

图2-5无穷大系统电源模块的参数设置

图2-6发电机励磁系统模块结构

图2-7小干扰信号的模块组合

2.2.2保持电势’=’=常数，励磁系统的综合放大系数为5.7857仿真分析

对发电机励磁系统进行参数的设置时，采用如图2-8所示的数据，其中调节器的增益值应为5.7857，励磁器增益为0.01，时间为0.2s；衰减增益为0.04，时间常数为0.05s；励磁电压的最大值和最小值分别为5和0pu；励磁电压和出口电压的初始值由潮流计算自动设置。

图2-8同步发电机励磁调节系统参数设置

在仿真开始前，要利用powergui模块对电机进行初始化设置。

单击powergui模块，仿真类型选择“相量算法”；打开“潮流计算和电机初始化”窗口，设定同步发电机为PV节点，机端电压为10.5KV，有功功率设为260MW，这是由于仿真时没有考虑变压器和线路的电阻，因此在确定发电机输出功率时只需考虑发电机输送到系统的有功功率为250MW和两个并联5MW小负荷的输出功率（此时发电机有功功率标幺值为0.7376pu）。

初始化后，同步发电机模块、励磁调节模块中的Init.Cond.项将会自动设置。

选择Ode23tb算法，将仿真时长设定为50s。

在仿真过程中可能会出现失步现象，为了防止该种情况发生时仿真继续进行，需要设定仿真的提前终止判据，如图2-4。

假如各台发电机间相角幅值超过，那么就认定为系统发生失去同步现象，同时终止仿真过程，在这种情况下该方法是可行的。

当以250MVA作为基准值时，系统的静态极限功率为1.957pu，换算成以发电机的额定容量为基准时的功率极限为1.3879pu。

改变加在发电及机械输入功率Pm端口的模拟小干扰信号，通过仿真可得，当机械输入功率达到1.3976pu时发电机失去静态稳定性。

在发电机有功功率为0.7376pu时，取小干扰信号模拟系统的阶跃为0.6pu，运行仿真可得发电机功角、转速随时间变化的曲线如图2-9所示。

从图中可以看出，这个时候系统的静态稳定性能够保持。

图2-9发电机有功功率为0.7376pu阶跃为0.6pu时发电机功角、转速随时间变化曲线

图2-10发电机有功功率为0.7376pu阶跃为0.67pu时发电机功角、转速随时间变化曲线

取小干扰信号模拟系统的阶跃为0.67pu（扰动信号超过了发电机的功率极限），经过仿真就可以得到发电机功角、转速随着时间变化的曲线如图2-10所示。

从图中可以看出，系统立即就无法继续保持静态稳定性了。

2.3提高系统静态稳定性的措施

从对系统的静态稳定性的分析可以看出，发电机能够向系统输送的功率极限越高则越能够提高静态稳定性。

从本章所采用的单机无穷大系统来分析，想要增加发电机的功率极限可以减小发电机与系统之间的互联电抗，系统之间联系越紧密，其静态稳定性就越高，不过，电抗的减小会使得短路时的电流较大。

增强发电机与系统之间的电的关联，也就是缩小“电气距离”，即降低系统组成部分的阻抗，主要是电抗。

在下述列举的各种增强静态稳定性的措施中，其实质都是减小了系统的等效电抗[6]。

2.3.1采用自动调节励磁装置

如果把比例式励磁调节器安在发电机上，那么对于发电机来说，其功率特性所对应的’（或E’）为常数，也即将发电机的等效电抗减小了，从同步电抗变化为暂态电抗’。

此外若将电力系统稳定器安在发电机上就能使发电机端电压不变，这等效的将发电机的电抗设定为零。

所以，励磁调节器安在发电机上后就等效的减小了发电机与系统间的电抗，也就提高了静态稳定性。

因为励磁调节器投资较省，所以当要求提高静态稳定性时，首先考虑安装励磁调节器。

2.3.2减小元件的电抗

互联系统的电抗的组成部分包括发电机、变压器和线路的电抗。

有以下几种方法可以真正的减小发电机之间的电抗。

一、采用分裂导线

通过所学知识，将分裂导线应用于高压输电线路可以很好的降低电晕的发生率，同时，这也能很好的减小线路的电抗。

二、采用串联电容补偿

将串联电容安装在较高电压等级的架空线路上可以抵偿线路自身的电抗，也就自然的提高了自身传输功率的能力和系统静态稳定性。

其中可控串联补偿（TCSC）有其自身的独特优势，其具有可以变化的等效电抗，这样就更好的利用了串联电容补偿的作用和效果。

从现有知识有，串联电容补偿度（=/）越大，则线路等效电抗就越小，对提高稳定性越有利。

但想要增加，需要考虑很多限制因素。

最重要的就是采用装置后不能过大的增大短路电流。

如果采用的电容值过大，如果将电容安装在离电源较近的高压输电线路上，且又在此处发生短路，电容器的容抗就有可能大于位于其前面的所有元件的电抗值和。

那么，相对于发电机端短路时的短路电流而言，这时的短路电流会比较大。

这种情况是不允许发生的。

此外，短路电流可能将不再呈现感性。

这时电流、电压相位关系会发生紊乱，造成某些保护装置不能正确动作[7]。

最后，过大还可能产生别的影响，例如自励磁现象。

若发电机外部电抗呈现容性，电枢反应可能起助磁作用，使发电机的励磁电流和电压无法控制的上升，直至发电机转子磁路饱和为止。

2.3.3提高线路标称电压等级

由所学知识知道功率极限正比于电压的平方，所以功率极限的提高可以借助于提高线路额定电压等级来实现。

线路额定电压等级的提高也就相当于减小了线路电抗。

当用统一的基准值计算各元件的电抗的标幺值时，发电机的电抗为

变压器电抗为

线路电抗为

式中—线路的额定电压。

由此可见，线路电抗标幺值与其电压平方成反比。

当然，线路额定电压的提高就意味着提高线路的绝缘水平，提高杆塔的大小并使变电所的花费增加。

因此，当输送功率和输送距离给定时，会有一个与之对应的合理的线路额定电压等级。

2.3.4改善系统的结构和采用中间补偿设备

一、改善系统的结构

想要改善系统的结构可以采取很多措置，以便使系统之间的联系增强，例如回路数量增加就可以做到这一点。

另外，如果在输电线路的架设过程中会通过某一电力系统，这时可以将输电线路和该电力系统进行连接，这是十分有利的。

此措施能够使输电线路上大部分的位置的电压维持在允许范围之内，这相当于将输电线路从中间断开分成两部分，缩小了“电气距离”。

另外，这两者之间还可以进行有功功率的交换，两者互为备用，极大地提高了稳定性[8]。

二、采用中间补偿设备

如果在输电线路中间的降压变电站内装设静止补偿器（SVC），则可以使静止补偿器（SVC）端点电压甚至高压母线电压保持不变。

这样，输电线路相当于被分成两部分，较好的提高了功率极限。

以上提高静态稳定的措施均是从减小电抗这一点着眼，此外，也可以通过提高发电机电势和电网的额定电压等级来提高功率极限。

为使电网电压不出现较大的波动，必须在系统中设置足够的无功功率电源。

3简单电力系统的暂态稳定性及其仿真分析