华南理工大学级电力系统课程设计电力系统稳定分析样本.docx
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华南理工大学级电力系统课程设计电力系统稳定分析样本
专业：
电气工程及其自动化
班级：
09电气（4）班
华南理工大学电力学院
-1-6
1任务书简介
1.1220kV分网构造和参数
图1220kV分网构造
500kV站（#1）220kV母线视为无穷大母线，电压恒定在230kV。
图中，各变电站参数如下表：
表1各变电站参数
编号
类型
220kV最大负荷（MVA）
#1（节点6）
500kV站
平衡节点
#2（节点1）
220kV站
250+j20
#3（节点2）
220kV站
340+j90
#4（节点3）
220kV站
260+j85
#5（节点4）
220kV站
390+j90
各线路长度如图所示。
所有线路型号均为LGJ-2*300，基本电气参数为：
正序参数：
r=0.054Ω/km，x=0.308Ω/km，C=0.0116µF/km；
零序参数：
r0=0.204Ω/km，x0=0.968Ω/km，C0=0.0078µF/km；
40ºC长期运营容许最大电流：
1190A。
燃煤发电厂G有三台机组，均采用单元接线。
电厂220kV侧采用双母接线。
发电机组重要参数如下表：
表2发电机组参数
机组台数
单台容量（MW）
额定电压（EV）
功率因数
升压变容量（MVA）
Xd
Xd’
Xq
Td0’
TJ=2H
3
300
10.5
0.85
350
1.8
0.18
1.2
8
7
当发电机采用三阶模型时，励磁环节（含励磁机和励磁调节器）模型如下（不考虑PSS）：
图2励磁环节模型
上图中参数如下：
TR=0，KA=20，TA=0.1，Te=0.1，KE=1，KF=0.05，TF=0.7
发电厂升压变参数均为Vs%=10.5%，变比10.5kV/242kV。
不计内阻和空载损耗。
发电厂按PV方式运营，高压母线电压定值为1.05VN。
考虑该电厂开机三台，所有发电机保存10%功率裕度。
发电厂厂用电均按出力7%考虑。
稳定仿真中不考虑发电厂调速器和原动机模型。
负荷采用恒阻抗模型。
1.2设计重要内容
1、进行参数计算和标幺化，形成潮流计算参数。
2、用Matlab编制潮流计算程序，规定采用P-Q分解潮流计算办法。
3、用PowerWorld软件进行潮流计算并与自己编制软件计算成果进行校核和分析。
4、用Matlab编制稳定计算程序（三台机可并联等值成一台机），发电机采用二阶典型模型（注：
用ode45函数既可求解）。
规定给出网络变换法求解转移阻抗变换过程图；规定输出发电机功角，角速度，以及基于等面积定则加速面积和减速面积。
5、自行选取2-3种故障方案，给出摇晃曲线，并计算故障极限切除时间和极限切除角。
与PowerWorld软件分析成果进行比较校核。
6、用PowerWorld作为分析工具，发电机采用三阶模型，对第5步2-3种故障方案进行稳定计算，给出摇晃曲线，并计算故障极限切除时间。
7、比较两种模型仿真成果，分析发电机模型选取对于稳定计算成果影响。
8、分析励磁调节系统参数变化对于稳定计算成果影响。
9、编制课程设计报告。
1.3设计规定和设计成果
1、2位同窗为一组，自行分工，但任务不能重复。
2、每位同窗对自己设计任务编写课程设计阐明书一份。
3、一组同窗共同完毕一份完整设计报告。
注：
设计阐明和报告应包括：
✧以上设计任务每一某些计算过程和成果分析；
✧所编制潮流和稳定计算源程序（重要语句应加注释）；
✧潮流计算成果（潮流图）；
✧稳定计算功角曲线等；
✧网络变换法求解转移阻抗变换过程图。
2潮流计算分析
2.1参数计算
线路基本电气正序参数：
r=0.054Ω/km，x=0.308Ω/km，C=0.0116µF/km
取发电厂220kV母线为节点5，无穷大母线为节点6，其她变电站220kV母线依次为节点1~4，得线路长度如下：
L12=40km，L16=40km，L25=40km，L45=40km，L13=20km，L34=20km
取基准电压VB=230kV，基准功率SB=100MVA，则基准阻抗：
ZB=VB2/SB=2302/100Ω=529Ω
节点1、节点2、节点3、节点4为PQ节点：
P1s+jQ1s=250+j20，P1s*+jQ1s*=2.5+j0.2
P2s+jQ2s=340+j90，P2s*+jQ2s*=3.4+j0.9
P3s+jQ3s=260+j85，P3s*+jQ3s*=2.6+j0.85
P4s+jQ4s=390+j90，P4s*+jQ4s*=3.9+j0.9
节点5为PV节点：
P=300×0.9×0.93MW=753.3MW，P*=7.533，V*=1.0
节点6为平衡节点：
V*=230/230=1.0，δ*=0
2.2基于matlab潮流计算程序
图3PQ分解法潮流计算程序流程框图
%PQ分解法潮流计算
%函数输出变量：
1）迭代次数；2）各节点电压幅值；3）各节点电压相角；4）平衡节点功率；
%5）各线路功率
clc;%清理命令窗口
%======================================================参数设立
K=20;%最大迭代次数
limit=10e-6;%收敛条件
%===================================================参数设立结束
%===================================================基本参数录入
%线路基本电气参数
r=0.054;x=0.308;c=0.0116;
z=r+x*1i;%单位阻抗
b=2*pi*50*c*10^（-6）*1i;%单位电纳
%基准阻抗为484Ω，双回线阻抗除以2，导纳乘以2
%支路信息矩阵：
首端节点末端节点支路阻抗*对地导纳/2*
branch=[1,2,z*40/2/529,b*40*529;
1,3,z*20/2/529,b*20*529;
1,6,z*40/2/529,b*40*529;
2,5,z*40/2/529,b*40*529;
3,4,z*20/2/529,b*20*529;
4,5,z*40/2/529,b*40*529];
%节点信息矩阵：
发电机出力节点负荷节点电压初值节点类型（1-平衡节点；2-PQ节点；3-PV节点）
node=[0,2.5+0.2i,1,2;%节点1，#2
0,3.4+0.9i,1,2;%节点2，#3
0,2.6+0.85i,1,2;%节点3，#4
0,3.9+0.9i,1,2;%节点4，#5
7.533,0,1,3;%节点5，发电机节点
0,0,1,1];%节点6，#1
%节点对地导纳向量
%===================================================基本参数结束
%===================================================形成Y矩阵
%形成矩阵B’和B”
[m1,n1]=size（branch）;%m1为支路数
[m2,n2]=size（node）;%m2为节点数
Y=zeros（m2）;%预定义节点导纳矩阵
fora=1:
m2
m=branch（a,1）;
n=branch（a,2）;
Y（m,n）=Y（m,n）-1./branch（a,3）;
Y（n,m）=Y（m,n）;
Y（m,m）=Y（m,m）+1./branch（a,3）+branch（a,4）;
Y（n,n）=Y（n,n）+1./（branch（a,3））+branch（a,4）;
end
B1=zeros（m2-1）;B2=zeros（m2-2）;%预定义简化雅可比矩阵B’和B”
B1=imag（Y（1:
m2-1,1:
m2-1））;B2=imag（Y（1:
m2-2,1:
m2-2））;
G=real（Y）;B=imag（Y）;
Y0=zeros（m2）;%预定义节点对地导纳向量
fora=1:
m2
m=branch（a,1）;
n=branch（a,2）;
Y0（m,n）=Y0（m,n）+branch（a,4）;
Y0（n,m）=Y0（m,n）;
end
%================================================形成Y矩阵结束
%======================================================迭代开始
%PQ节点电压初值矩阵
V=[1.0;1.0;1.0;1.0;1.0043;1.0];delta=zeros（m2,1）;
kp=1;kq=1;
%预定义不平衡功率矩阵
DP=zeros（m2-1,1）;DPV=zeros（m2-1,1）;Ddelta=zeros（m2-1,1）;
DQ=zeros（m2-2,1）;DQV=zeros（m2-2,1）;DV=zeros（m2-2,1）;
fork=1:
K
%有功功率迭代
forI=1:
m2-1
SV=0;
forJ=1:
m2
SV=SV+V（J）*（G（I,J）*cos（delta（I）-delta（J））+B（I,J）*sin（delta（I）-delta（J）））;
end
DP（I）=[real（node（I,1）-node（I,2））-V（I）*（SV）];
DPV（I）=DP（I）/V（I）;
end
ifmax（abs（DP））kp=0;
ifkq==0
break;
end
else
Ddelta=（-inv（B1）*DPV）./V（1:
m2-1）;
delta=[delta（1:
m2-1,1）+Ddelta;0];
kq=1;
end
%无功功率迭代
forI=1:
m2-2
SV=0;
forJ=1:
m2
SV=SV+V（J）*（G（I,J）*sin（delta（I）-delta（J））-B（I,J）*cos（delta（I）-delta（J）））;
end
DQ（I）=[imag（node（I,1）-node（I,2））-V（I）*（SV）];
DQV（I）=DQ（I）/V（I）;
end
ifmax（abs（DQ））kq=0;
ifkp==0
break;
end
else
DV=-inv（B2）*DQV;
V=[V（1:
m2-2）+DV;1.0043;1.0];
kp=1;
end
k=k+1;
end
%====================================================迭代结束
ifkp==0&&kq==0
disp（'计算已收敛，迭代次数k='）;
disp（k）;
disp（'各节点电压幅值和相角为'）;
disp（'节点幅值/V相角/°'）;
disp（[[1:
m2]',V*230,delta/pi*180]）;
disp（'平衡节点功率为/MVA'）;
SYV=0;
forb=1:
m2
SYV=SYV+conj（Y（m2,b））*conj（V（b）*cos（delta（b））+1i*V（b）*sin（delta（b）））;
end
disp（（V（m2）*cos（delta（m2））+1i*V（m2）*sin（delta（m2）））*SYV*100）;
disp（'各线路功率为/MVA'）;
S=zeros（m2）;
forI=1:
m2
forJ=1:
m2
S（I,J）=（V（I）^2*conj（Y0（I,J））+（V（I）*cos（delta（I））+1i*V（I）*sin（delta（I）））*（conj（V（I）*cos（delta（I））+1i*V（I）*sin（delta（I）））-conj（V（J）*cos（delta（J））+1i*V（J）*sin（delta（J））））*conj（-Y（I,J）））*100;
end
end
disp（S）
else
disp（'计算不收敛，请增长迭代次数或检查支路信息和节点信息'）;
end
2.3基于powerworld潮流计算
（1）节点
a.依照题目规定建立并编号9个节点；
b.分别为发电机单元接线母线3个（母线7/8/9基准值设立成10.5KV）；
c.发电厂汇总母线1个（母线5基准值230KV）；
d.变电站母线4个（母线1/2/3/4基准值230KV）；
e.平衡节点母线1个（母线6基准值230KV）；
f.在母线9信息菜单（BusInformationDialog）中勾选系统平衡母线选项（systemslackbus）以设立平衡节点；
g.此外，需要为母线设立电压表（标幺值），选取节点后点击相应母线。
（2）发电机
建立3个发电机分别连接到母线7、8、9，有功功率设立p=300×（1-0.10）（1-0.07）MW。
发电机模型、基本数据设定：
发电机励磁模型、基本数据设定：
（3）变压器、线路
节点7-5、8-5、9-5设立变压器，5-2.5-4.4-3.3-1.2-1.1-6六条线路：
（4）负荷
依照规定设立恒阻抗负荷：
（5）网架仿真图
（6）运营成果
a．将软件切换到运营模式如图所示
b.进行潮流计算
BusFlows
LOAD1246.7119.74247.5
TO2215.01-29.9030.30
TO2225.01-29.9030.30
TO331112.353.62112.40
TO332112.353.62112.40
TO661-240.7116.41241.30
TO662-240.7116.41241.30
BUS22230.0MWMvarMVA%0.9993-3.4011
LOAD2339.5289.87351.2
TO111-4.9822.4123.00
TO112-4.9822.4123.00
TO551-164.78-67.35178.00
TO552-164.78-67.35178.00
BUS33230.0MWMvarMVA%0.9906-4.021
LOAD3255.1283.41268.4
TO111-112.09-5.93112.20
TO112-112.09-5.93112.20
TO441-15.47-35.7839.00
TO442-15.47-35.7839.00
BUS44230.0MWMvarMVA%0.9949-3.9611
LOAD4386.0089.08396.1
TO33115.5032.1435.70
TO33215.5032.1435.70
TO551-208.50-76.68222.20
TO552-208.50-76.68222.20
BUS55230.0MWMvarMVA%1.0213-1.3911
TO221166.0366.72178.90
TO222166.0366.72178.90
TO441210.4780.28225.30
TO442210.4780.28225.30
TO771-251.00-98.00269.500.9500NT0.0
TO881-251.00-98.00269.500.9500NT0.0
TO991-251.00-98.00269.500.9500NT0.0
BUS66230.0MWMvarMVA%1.00000.0011
GENERATOR1486.16-20.70R486.6
TO111243.08-10.35243.30
TO112243.08-10.35243.30
BUS7710.5MWMvarMVA%1.00002.6211
GENERATOR2251.00118.88R277.7
TO551251.00118.88277.700.9500TA0.0
BUS8810.5MWMvarMVA%1.00002.6211
GENERATOR3251.00118.88R277.7
TO551251.00118.88277.700.9500TA0.0
BUS9910.5MWMvarMVA%1.00002.6211
GENERATOR4251.00118.88R277.7
TO551251.00118.88277.700.9500TA0.0
2.4潮流计算成果分析
运用matlab编制潮流计算程序对图1网络进行潮流计算，迭代次数为6，平衡节点有功功率为498.90MW，无功功率为54.61Mvar，各节点电压幅值和相角如表3所示。
表3节点电压（matlab）
节点
1（#2）
2（#3）
3（#4）
4（#5）
5（#6）
6（#1）
电压幅值（kV）
226.3658
226.7709
225.1731
225.6864
230.99
230.00
电压相角（°）
-3.3098
-3.4094
-4.0844
-4.0056
-1.3043
0
各线路功率如表4所示，线路编号是以有功功率流向进行编号。
表4线路功率（matlab）
线路
首端功率（MVA）
末端功率（MVA）
12
11.53-j24.36
11.52-j9.45
13
232.21+j44.72
231.62+j48.77
43
28.40+j28.94
28.38+j36.23
52
330.92+j98.11
328.48+j99.45
54
422.38+j126.41
418.40+j118.94
61
498.90+j54.61
493.74+j40.36
运用powerworld软件对图1网络进行仿真潮流计算，平衡节点有功功率为486MW，无功功率为21Mvar，各节点电压幅值和相角如表5所示。
表5节点电压（powerworld）
节点
1（#2）
2（#3）
3（#4）
4（#5）
5（#6）
6（#1）
电压幅值（kV）
228.482
229.84
227.84
228.83
230.00
230.00
电压相角（°）
-3.27
-3.39
-4.02
-3.95
2.63
0
各线路功率如表6所示，线路编号是以有功功率流向进行编号。
表6线路功率（powerworld）
线路
首端功率（MVA）
末端功率（MVA）
12
10.02-j59.80
9.96-j44.82
13
224.70+j7.24
224.18+j11.86
43
31.00+j64.28
31.08+j71.52
52
332.06+j133.44
329.56+j134.70
54
420.94+j160.56
417.00+j153.36
61
486.16-j20.70
481.42-j32.82
潮流仿真图如图4所示。
图4powerworld潮流仿真图
对比matlab和powerworld成果可得，线路有功功率相差较小，无功功率和电压相差较大。
3稳定计算分析
3.1参数计算
取系统基准功率SB=100MVA，由发电机单台额定容量为300MW，功率因数为0.85，可得发电机单台额定容量：
Sn=Pn/cosψ=300/0.85=352.94MVA
又Tj=7，故三台发电机合并后等值惯性时间常数：
T∑=3×Tj×Sn/SB=74.12
发电厂升压变电抗标幺值：
=
发电机暂态电抗标幺值：
=
平衡节点功率S*=（498.90+j54.61）/100=4.9890+j0.5461
3.2网络变换法求解转移阻抗
在进行稳定计算时，一方面应求解网络故障前、故障时和故障后转移阻抗，可运用电路串并联、星网变换等网络变换办法，并依照正序等效定可求得转移阻抗，从而进一步得出功率特性。
在此网架中，由于负荷采用恒阻抗模型，其阻抗较大，可忽视不计。
选用两种故障方案如下：
1）1号故障：
在节点1（#2）到节点6（#1）双回输电线路某回线路中部发生三相短路；2）2号故障：
在节点4（#5）到节点3（#4）双回输电线路某回线路首端发生三相短路。
下面针对这两种故障方案求解故障时和故障后系统转移阻抗。
图5故障前系统转移阻抗
图5是故障前系统转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：
Z1*=0.004083+j0.2044
图61号故障时系统转移阻抗
图6是1号故障前系统转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：
Z2*
（1）=（0.0030624+j0.1985）+（0.0010208+j0.005822）+（0.0030624+j0.1985）×（0.00102+j0.005822）/（0.00051+j0.002911）=0.0102+j0.6013
图71号故障后系统转移阻抗
图7是1号故障后系统转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：
Z3*
（1）=0.0061248+j0.216
图82号故障时系统转移阻抗
图8是2号故障时系统转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：
Z2*
（2）=（0.00102079+j0.18689）+（0.0030623+j0.017467）+（0.00102079+j0.18689）×（0.0030623+j0.017467）/（0.+j0.0029112）=0.0102+j1.3257
图92号故障后系统转移阻抗
图9是2号故障后系统转移阻抗网络变换图，转移阻抗标幺值：
Z3*
（2）=0.00431+j0.2056
3.3基于matlab稳定计算程序
%发电机采用二阶典型模型，用ode45函数求解稳定计算程序
%clc;%清理命令窗口
z1=0.004083+1i*0.2044;%系统故障前转移阻抗
z2=input（'输入系统故障时转移阻抗：
'）;
z3=in
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