电力系统稳定分析与计算课程设计.docx

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电力系统稳定分析与计算课程设计

课程设计报告

电力系统稳定分析与计算

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

课程设计题目C：

电力系统稳定分析和计算

姓名：

指导教师：

李晓华

一、一个220kV分网结构和参数如下：

500kV站（#1）的220kV母线视为无穷大母线，电压恒定在230kV。

图中，各变电站负荷均等效接于220kV母线。

变电站参数和负荷如下表：

编号

类型

220kV最大负荷，MVA

#1

500kV站

平衡节点

#2

220kV站

180+j110

#3

220kV站

350+j180

#4

220kV站

260+j120

#5

220kV站

250+j120

#6

220kV站

150+j70

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长期运行允许的最大电流：

1190A。

燃煤发电厂G有三台机组，发电机与升压变之间采用单元接线。

电厂220kV侧采用单母分段接线，正常运行时分段开关闭合。

发电机组主要参数如下表：

机组台数

单台容量（MW）

额定电压（EV）

功率因数

升压变容量MVA

升压变Vs%

Xd

Xd’

Xq

Td0’

TJ=2H

3

300

10.5

0.85

350

10.5

2.0

0.25

1.7

4

11

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）:

上图中参数如下：

TR=0，KA=25，TA=0.1，Te=0.15，KE=1，KF=0.05，TF=0.7

发电厂升压变均采用Y/Y0接线，变比10.5kV/242kV。

不计内阻和空载损耗。

发电厂按PV方式运行，高压母线电压定值为1.05VN。

发电厂厂用电均按出力的7%考虑。

稳定仿真中不考虑发电厂的调速器和原动机模型。

负荷采用恒阻抗模型，负序阻抗标幺制取0.2。

二、设计的主要内容：

1、手工进行参数计算和标幺化，形成潮流计算的网架参数；

2、用Matlab编制潮流计算程序，要求采用P-Q分解潮流计算方法。

3.考虑该电厂开机三台，均为额定容量输出的方式，用编制的程序计算潮流。

3、用PowerWorld软件进行潮流计算并与自己编制的软件计算结果进行校核和分析；

4、设#2和#4母线之间双回线路中一回的中点分别发生以下2种故障：

1）1s时发生三相短路，1.1s同时切除故障线路三相；

2）1s时单相接地短路，1.1s时同时切除故障线路三相。

1.9s时三相重合闸。

因重合于永久性故障，2.1s时再次切除故障线路。

试手工计算序网以及用网络变换法求解转移阻抗；

5、针对问题4，用Matlab编制稳定计算程序（三台机可并联等值成一台机），发电机采用二阶经典模型（注：

用ode45函数既可求解），用软件计算出摇摆曲线，要求输出发电机功角，角速度。

6、用PowerWorld软件的分析问题4，并与编程计算结果进行比较校核。

7、发电机采用三阶模型，用PowerWorld作为分析工具，对问题4的两种故障方案进行稳定计算，给出摇摆曲线，并计算故障的极限切除时间。

8、比较两种模型的仿真结果，分析发电机模型选择对于稳定计算结果的影响。

9、编制课程设计报告。

三、设计要求和设计成果：

1、2位同学为一组，自行分工，但任务不能重复；

2、每位同学对自己的设计任务编写课程设计说明书一份；

3、一组同学共同完成一份完整的设计报告；

2、设计说明和报告应包含：

✧以上设计任务每一部分的计算过程和结果分析；

✧所编制的潮流和稳定计算源程序（主要语句应加注释）；

✧潮流计算结果（潮流图）

✧稳定计算的功角曲线等；

✧网络变换法求解转移阻抗的变换过程图。

附注：

ODE函数说明

Matlab提供了一阶常微分方程组求解的系列函数：

ode**。

包括：

ode45,ode23,ode113等，还有针对刚性系统的ode15s，ode23s等。

这里可采用ode45编程（大家也可选择和对比其它函数，不同编号采用的数值积分算法不同）。

函数形式：

[t,y]=ode45（odefun,[t1,tf],x0,options）;

说明：

odefun：

列向量1*n，通过函数计算柄输出的微分方程的右端项；

t1,tf:

分别制定积分的时间起点和终点；

x0：

列向量1*n，状态变量初值

options：

：

微分优化参数，是一个结构体，使用odeset可以设置其具体参数，详细内容查看帮助。

t：

为时间列向量1*m

y为状态变量计算结果矩阵，m行代表时间点，n列代表n个状态变量的时间序列值。

例如，求解如下微分方程：

初值为x1=1,x2=0

从0s积分到3s，步长：

0.1s

则，首先定义函数myfunc，计算微分方程右端项的值：

functiondx=myfunc（x）

dx=[x

（2）

2*sin（x

（1）];

Ode45函数引用如下：

x0=[1,0]

options=odeset;

options.reltol=1e-8;

[t,y]=ode45（@myfunc,[0,3],x0,options）

华南理工大学

电力系电气工程和及其自动化专业

课程设计（论文）任务书

兹发给2010级电气工程及其自动化1班学生课程设计任务书,内容如下：

课程设计题目：

电力系统运行方式分析和计算

应完成的项目：

用Matlab编制PQ分解法潮流计算程序，完成典型运行方式的潮流计算并进行分析；

用PowerWord软件对自己编制的软件计算结果进行校核和分析；

用Matlab编制稳定计算程序，发电机采用二阶经典模型，要求给出网络变换法求解转移阻抗的变换过程图；

选择2-3种故障方案，计算故障的极限切除时间和极限切除角；

用Powerworld作为分析工具，发电机采用三阶模型，对上面的2-3种故障方案进行稳定计算，计算故障的极限切除时间，分析发电机模型选择对于稳定计算结果的影响，并且分析励磁调节系统参数变化对于稳定计算结果的影响。

参考资料以及说明

《电力系统分析》（上、下册）华中科技大学出版

《发电厂电气部分》高等学校教材

《电网调度运用技术》东北大学出版社

PowerWorld15使用手册

基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用

本毕业设计（论文）任务书于2013年12月23日发出，应于2014年1月3日前完成，然后提交课程考试委员会进行答辩。

系主任批准

年月日

教员组主任审核年月日

指导老师签发2013年

12月23日

1.电网参数计算

1.1线路参数的计算和标幺化

220kV分网结构的π型等值电路图1如下图所示：

图

1.电网等效线路图

待求解电网的基准功率取为100MVA，基准电压220kV，则有

（1）

线路的正序参数：

（2）

线路阻抗标幺值计算公式：

（3）

线路等值电纳标幺值计算公式：

（4）

当线路为双回线路时，线路阻抗为单回线线路的一半，导纳为单回线路的两倍。

各线路参数的标幺化计算如下：

线路L12长度15km，则：

Z12=0.5×15×（0.054+j0.308）=（0.405+j2.32）Ω

B12=2×2π×50×0.0116×15×10-6=1.0933×10-4S

标幺值：

Z12*=（0.405+j2.32）×100/2202=8.3678×10-4+j0.004793

B12*=1.0933×10-4×2202/100=0.052916

线路L13长度18km，则：

Z13=0.5×18×（0.054+j0.308）=（0.486+j2.772）Ω

B13=2×2π×50×0.0116×18×10-6=1.3113×10-4S

标幺值：

Z13*=（0.486+j2.77）×100/2202=1.004×10-3+j0.005723

B12*=1.3113×10-4×2202/100=0.063467

线路L24长度12km，则：

Z24=0.5×12×（0.054+j0.308）=（0.324+j1.848）Ω

B24=2×2π×50×0.0116×12×10-6=8.7418×10-5S

标幺值：

Z24*=（0.324+j1.848）×100/2202=6.69×10-4+j0.003818

B24*=8.7418×10-5×2202/100=0.04231

线路L45长度10km，则：

Z45=0.5×10×（0.054+j0.308）=（0.27+j1.54）Ω

B

45=2×2π×50×0.0116×10×10-6=7.2848×10-5S

标幺值：

Z45*=（0.27+j1.54）×100/2202=5.58×10-4+j0.003182

B45*=7.2848×10-5×2202/100=0.03526

线路L46长度12km，则：

Z46=12×（0.054+j0.308）=（0.648+j3.696）Ω

B46=2π×50×0.0116×12×10-6=4.3731×10-5S

标幺值：

Z46*=（0.648+j3.696）×100/2202=1.339×10-3+j0.007636

B46*=4.3731×10-5×2202/100=0.021166

线路L3G长度16km，则：

Z3G=0.5×16×（0.054+j0.308）=（0.432+j2.464）Ω

B3G=2×2π×50×0.0116×16×10-6=1.16557×10-4S

标幺值：

Z3G*=（0.432+j2.464）×100/2202=8.93×10-4+j0.005091

B3G*=1.16557×10-4×2202/100=0.05641

线路

L5G长度25km，则：

Z5G=0.5×25×（0.054+j0.308）=（0.675+j3.85）Ω

B5G=2×2π×50×0.0116×25×10-6=1.8212×10-4S

标幺值：

Z5G*=（0.675+j3.85）×100/2202=1.395×10-3+j0.007955

B5G*=1.8212×10-4×2202/100=0.08815

线路L6G长度12km，则：

Z6G=0.5×12×（0.054+j0.308）=（0.324+j1.848）Ω

B6G=2×2π×50×0.0116×12×10-6=8.7418×10-5S

标幺值：

Z6G*=（0.324+j1.848）×100/2202=6.69×10-4+j0.003818

B6G*=8.7418×10-5×2202/100=0.04231

综上，电网的线路参数的有名值和标幺值如下表所示：

表1.线路参数的标幺值和有名值统计

线路名

长度/km

有名值

标幺值

阻抗Z/Ω

导纳B/S

阻抗Z*/Ω

导纳B*/S

L12

2×15

0.405+j2.32

1.0933×10-4

8.368×10-4+j0.00479

0.05292

L13

2×18

0.486+j2.772

1.3113×10-4

1.004×10-3+j0.005723

0.06347

L24

2×12

0.324+j1.848

8.7418×10-5

6.69×10-4+j0.003818

0.04231

L45

2×10

0.27+j1.54

7.2848×10-5

5.58×10-4+j0.003182

0.03526

L46

12

0.648+j3.696

4.3731×10-5

1.339×10-3+j0.007636

0.02117

L3G

2×16

0.432+j2.464

1.1656×10-4

8.93×10-4+j0.005091

0.05641

L5G

2×25

0.675+j3.85

1.8212×10-4

1.395×10-3+j0.007955

0.08815

L6G

2×12

0.324+j1.848

8.7418×10-5

6.69×10-4+j0.003818

0.04231

线路零序参数的标幺值计算与正序相似，如表2.所示。

表2.线路零序参数的计算

线路名

长度/km

标幺值

阻抗Z*/Ω

导纳B*/S

L12

2×15

3.161×10-3+j0.015

0.03558

L13

2×18

3.793×10-3+j0.018

0.04270

L24

2×12

2.529×10-3+j0.012

0.02846

L45

2×10

2.107×10-3+j0.010

0.02372

L46

12

5.058×10-3+j0.024

0.01423

L3G

2×16

3.372×10-3+j0.016

0.03795

L5G

2×25

5.269×10-3+j0.025

0.05930

L6G

2×12

2.529×10-3+j0.012

0.02846

故障L24

12

5.058×10-3+j0.024

0.01423

1.2节点信息统计

在给定的220kV网架中共有7个节点，其中节点1是500kV变电站，为平衡节点，视为无穷大系统，电压稳定在230kV，即1.045455VN。

节点2、3、4、5、6均为PQ节点，并且带有一定的负荷。

此外，节点6为PV节点，由于发电机并不总是满载运行，在正常运行时，考虑到7%的厂用电，因而发电机机组发出的总有功功率为：

满载运行时，

（6）

于是，当发电机机组满载时，每台机组的出力为837/3=279MW，发电机机端额定电压为10.5kV，出线侧的高压母线电压稳定在1.05VN，各个节点的参数信息如表3所示。

表3.各节点参数一览表

编号

1

2

3

4

5

6

G

节点类型

平衡节点

PQ节点

PQ节点

PQ节点

PQ节点

PQ节点

PV节点

有功功率P/MW

－

180

350

260

250

150

837

无功功率Q/MVar

－

100

180

120

120

70

－

电压V/kV

230

－

－

－

－

－

242

2.电网潮流计算

2.1采用Matlab计算电网潮流

通过对待求解电网的等效线路参数的计算与标幺化，形成节点导纳矩阵。

然后利用各个节点的类型信息，利用PQ分解法进行电网潮流计算。

本文编写了基于Matlab平台的PQ

分解法计算程序，对电网进行了潮流计算，得出了系统稳定时各节点的电压，以及线路损耗等，分析了系统稳定运行时各线路的输送功率。

2.1.1网络信息处理

形成电网线路的节点导纳矩阵是进行潮流计算前必须要做的准备。

首先利用线路的标幺值参数整合成矩阵，使其包含线路的所有信息，再形成节点导纳矩阵。

具体如下：

构造支路信息矩阵B1，每一行代表一条线路，每行中的各元素表示线路不同的信息（注：

节点G记为节点7）：

1、支路首端节点号；2、支路末端节点号；3、支路阻抗标幺值；4、支路对地电纳标幺值；5、支路变比；6、支路存在变压器时，若首段：

末端=k:

1，则为1，反之则为0，如果支路不存在变压器则默认为0；7、是否为变压器支路。

本题形成的B1矩阵见附录。

构造节点信息矩阵B2，题目给定的网络共有7个节点，本文编程中的B2矩阵为7×6的矩阵，每一行代表一个节点的信息，每一行中的各元素的含义：

1、该节点的发电机功率（注入）；2、该节点的负荷功率（输出）；3、空行（保持矩阵格式）；4、PV节点电压给定值和PQ节点的初始值；5、各节点电压相角；6、节点类型（其中，1表示平衡节点，2表示PQ节点，3表示PV节点）。

待求解网架中，1号节点为平衡节点，2~6号节点为PQ节点，7号节点（即母线G）为PV节点。

本题形成的B2矩阵见附录。

2.1.2基于Matlab的PQ分解法程序

编程思想如下：

1）根据支路信息矩阵B1和节点信息矩阵B2，先形成待求解电网的节点导纳矩阵：

2）先对空矩阵加入对角线元素，即先加入每个节点的对地导纳y0；

3）根据支路信息矩阵B1，对导纳矩阵再加入互导纳Ypq；

4）将互导纳Ypq加入到导纳矩阵的对角线元素，形成自导纳。

至此，形成节点导纳矩阵Y。

5）初始化各节点电压（幅值和相角）的存储矩阵和各节点注入功率（实部和虚部）的存储矩阵，以存放迭代过程中的中间值和输出最终值；

6）构造各节点的潮流方程，进入潮流计算程序，计算不平衡功率ΔP，判断ΔP是否小于可接受误差。

若ΔP大于可接受误差，则进行相角修正。

计算不平衡功率ΔQ判断ΔQ是否小于可接受误差。

若ΔQ大于可接受误差，则进行电压幅值修正。

7）当

和

都满足要求时，计算结束。

计算平衡节点功率和全部线路功率。

8）基于MATLAB平台，得出计算结果，采用误差精度为ε=1.0×10-5。

由结果可知，共用6次迭代便能满足精度要求，共用时间仅为0.073687s；

2.1.3PQ分解法潮流计算的结果分析

利用2.1.2节的PQ分解法的matlab程序计算的电网潮流结果如附录中附2图所示。

将

matlab程序计算的结果整理如下：

1）各节点的电压和注入功率如表4.所示。

表4.各节点电压和注入功率

节点编号

1

2

3

4

5

6

7

基准电压

220

220

220

220

220

220

220

标幺电压

1.0455

1.0375

1.0417

1.0358

1.0363

1.0429

1.05

实际电压（kV）

230.01

228.25

229.17

227.88

227.99

229.44

231.00

节点相角（度）

0

-0.6033

-0.2606

-0.7560

-0.7119

-0.1932

0.3608

节点注入功率

（标幺值）

3.5671

+j1.7501

-1.8000

+j1.0000

-3.5000

-j1.8000

-2.6000

-j1.2000

-2.5000

-j1.2000

-1.5000

-j0.7000

8.3700

+j3.9248

节点注入功率

（实际值）

356.71

+j175.01

-180.00

-j100.00

-350.00

-j180.00

-260.00

-j120.00

-250.00

-j120.00

-150.00

-j70.00

837.00

+j392.48

其中，matlab中各节点的相角是以弧度的形式表示的，其换算关系为：

角度=弧度×180÷π，表3.中的功角是角度的形式表示的。

2）各支路的状态如表5.所示。

表中的功率值均为标幺值，基准功率SB=100MW。

表.5各支路的状态

支路名称

线路首端有功功率（

线路首端无功功率（

线路末端有功功率（

线路末端无功功率（

有功损耗（

无功损耗（

MW）

Mvar）

MW）

Mvar）

MW）

Mvar）

L12

2.6117

1.2732

-2.6052

-1.2933

0.0065

-0.0201

L13

0.9553

0.4769

-0.9543

-0.5399

0.0011

-0.0630

L24

0.8052

0.2933

-0.8047

-0.3361

0.0005

-0.0428

L45

-0.2829

-0.1524

0.2830

0.1148

0.0001

-0.0376

L46

-1.5123

-0.7115

1.5158

0.7084

0.003