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基于39节点系统的短路故障暂态稳定性仿真与分析.pdf

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I 摘 要 随着科技的进步与社会的发展,电力能源的使用已经越来越普遍,其清洁 、方便的特性使其遍布人们生产、生活的各个角落。然而,随着高电压、远距离输电技术的使用,电力系统运行的稳定性受到严 重挑战,因短断路引发的系统停电甚至解列事故也日益频繁。因此,如何确保电力系统安全稳定运行,减少稳定事故的发生就显得极为重要。电力系统暂态稳定性分析旨在研究系统在遭受大扰动,如短断路故障后,能否维持稳定运行的能力。由于目前电力系统稳定事故发生主要以短路故障引起的事故居多,因此,本文主要针对短路故障下的系统暂态稳定性进行研究分析。 文中 详细阐述了电力系统的稳定性理论及其分类,对暂态稳定性的两种研究方法即直接法与时域仿真法进行了阐述,通过 比较两种方法的优缺点,选用时域仿真法作为本文的研究方法。然后, 对暂态 稳定分析 前的准备工作,即其基本假设与潮流计算进行了简单介绍。 本文所使用的仿真软件为 PSASP( Power System Analysis Software Package) , 通过对 39 节点系统数据的分析,完成 在PSASP 软件下系统 数学模型的搭建,并对系统进行了潮流计算,得到其暂态稳定性初值。 最后 在所得暂态稳定性初值的基础上 ,通过对 10 机 39 节点标准 测试 系统在不同短路条件下的暂态稳定性仿真研究,提出新的提高稳定性的措施。 本文所进行的不同短路故障条件下的仿真研究主要分为以下三个方面 同一线路,不同短路类型如单相短路、 三相短路的暂态稳定性 ; 同一短路故障扰动下,同一输 电断面拥有不同联络线的暂态稳定性 ; 不同 短路位置, 同一短路故障扰动下的暂态稳定性 。通过对上述三种短路类别的研究,分别对应提出了对 系统较易发生短路故障的线路及故障影响较大的线路建立双联络线、对不同等级短路故障按照其严重程度分别设置紧急处理机制与一般处理机制、对不同位置的输电线路采取不同的保护等级,对距离发电机的电气距离较近的线路采取更有效的保护设备三大措施 。并且 通过仿真分析 , 验证了原有 措施的有效性 。 关键词 电力系统,短路故障,暂态稳定, PSASP 万方数据II Abstract With the advancement of technology and society, energy use has become increasingly common, and its clean and convenient features make it in all corners of people’s production and living. However, with the use of high-voltage, long-distance transmission technology, the stability of power system operation severely challenge the system because of a short circuit caused by a power outage or even splitting accidents have also become increasingly frequent. Therefore, how to ensure the safe and stable operation of the power system and reduce the occurrence of accidents stability becomes extremely important. Transient stability of power system analysis to study when the system suffered large disturbance, such as a short circuit fault, the ability to maintain stable operation capability. Due to the current power system stability accidents mainly caused by short-circuit fault in the majority, and therefore, this paper is mainly for transient stability studies under short-circuit fault analysis. This paper elaborates the theory and classification of power system stability, the two s of the transient stability like direct and time-domain simulation are described, by comparing the advantages and disadvantages of both s, the choice of time-domain simulation as a research . Then, turn on the preparatory work before the transient stability analysis, that is the simple introduction of basic assumptions and flow calculation. Since the simulation software used herein was PSASP Power System Analysis Software Package, so the elements of the mathematical model for the description of the call, and on the use of transient calculations were completed PSASP examples. Finally, do simulation studies under different conditions of transient stability for short-circuit 10-generators 39-bus standard system, and put forward new measures to improve the stability. Short-circuit fault simulation under different conditions carried out in this paper is divided into the following three aspects, namely the same lines, the different types, such as the transient stability of single-phase short circuit and three-phase short circuit; same short-circuit fault disturbance, the same transient Stability transmission section with different amount of contact lines; different short-circuit location, the 万方数据III same short-circuit fault. Through the study of the three categories of short-circuit, corresponding to the proposed, system are more prone to short-circuit fault lines and a greater impact fault lines to establish double contact line. For different levels of short-circuit failure mechanisms were set up emergency treatment in accordance with their severity and general handling mechanism. For transmission lines in different locations to take a different level of protection, to take more effective measures to protect equipment from the electrical distance of three generators closer to the line. Moreover, the effectiveness of the existing measures is simulation. Keywords Power system; Short circuit fault; Transient stability; PSASP万方数据武汉理工大学硕士学位论文 1 目 录 摘 要 ............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................. II 目 录 ............................................................................................................................. 1 第 1 章 绪 论 ............................................................................................................... 3 1.1 引言 ..................................................................................................................... 3 1.2 本课题研究的背景和意义 ................................................................................. 4 1.3 国内外电力系统的研究现状 ............................................................................. 6 1.3.1 电力系统发展现状 ..................................................................................... 6 1.3.2 暂态稳定性研究现状 ................................................................................. 7 1.4 本文的主要工作 ............................................................................................... 10 第 2 章 电力系统暂态稳定性概述 ........................................................................... 11 2.1 电力系统稳定性理论 ....................................................................................... 11 2.2 电力系统稳定性分类 ....................................................................................... 12 2.3 电力系统暂态稳定性研究方法 ....................................................................... 14 2.4 暂态稳定计算的基本假设 ............................................................................... 17 2.5 潮流计算 ........................................................................................................... 18 2.6 本章小结 ........................................................................................................... 19 第 3 章 基于 PSASP 的 10 机 39 节点电力系统仿真模型搭建及潮流计算 ......... 20 3.1 PSASP 软件简介 ............................................................................................... 20 3.2 10 机 39 节点系统仿真数学模型 ..................................................................... 21 3.2.1 同步电机数学模型 .................................................................................... 23 3.2.2 励磁系统数学模型 ................................................................................... 25 3.2.3 原动机及其调速系统数学模型 ............................................................... 27 3.2.4 变压器数学模型 ....................................................................................... 29 3.2.5 输电线路数学模型 ................................................................................... 30 3.2.6 负荷数学模型 ........................................................................................... 30 3.3 基于 PSASP 的 10 机 39 节点系统潮流计算 ................................................. 32 3.3.1 基础数据库的录入 ................................................................................... 33 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 2 3.3.2 潮流计算 ................................................................................................... 34 3.4 本章小结 ........................................................................................................... 37 第 4 章 不同类别短路故障的暂态稳定性仿真与分析 ........................................... 38 4.1 同一故障线路发生不同类型短路 ................................................................... 38 4.2 不同短路位置发生同一短路故障扰动 ........................................................... 41 4.3 同一输电断面拥有不同联络线的暂态稳定性 ............................................... 43 4.4 提高系统暂态稳定性的措施 ........................................................................... 45 4.5 本章小结 ........................................................................................................... 46 第 5 章 总结与展望 ................................................................................................... 47 5.1 总结 ................................................................................................................... 47 5.2 展望 ................................................................................................................... 48 致谢 ............................................................................................................................. 49 参考文献 ..................................................................................................................... 50 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 3 第 1 章 绪 论 1.1 引言 电力系统是由发电机、变压器、输电线路、用电设备等组成的网络, 它包括 所有通 过电的或机械的方式连接在网络中的所有 电力 设备 [1]。 电力系统稳定性指的是电力系统的持续正常运行,以及在受到系统内部扰动如线路发生短路故障或者系统外部的影响如人为的增减负荷后,系统能否继续维持正常运行的能力。而其中最受关注的莫过于系统在遭受大扰动之 后的暂态性能。 在研究系统稳定性能的时候,一般借助三个方面的指标来判断,分别为系统的功角稳定性、电压稳定性以及频率稳定性 [2]。 功角指的是系统中任意并联的发电机(或等值发电机组)间的相对角度。在电力网络之中,系统要求其中所有运行的互联发电机组间都要维持同步。功角稳定性考查的是系统在遭受到外部干扰后发电机能不能继续维持同步运行,即其转子间的运转是否保持同步摆动 [3]。现实中在正常运行的电力系统上,经常会发生负荷的增减、系统设备的突然启用与闲置、线路发生短断路故障等问题,这就会导致系统的功角发生改变。对功角稳定性的研究就是为了根据功角的变化水平对系统做出不同程度上的统一调度,确保系统在任意某个时间段内的功角合理性,保障发电机的稳定工作。如果任由发电机间的功角值变化达到一定程度时,就会引发质变,使得系统中的电流、电压、能量等都发生急剧的改变,进而导致传输线路上的传送功率大大超过线路最大允许值,迫使 输送端发电机与系统失去稳定,导致系统停摆。因此,功角稳定也被认为是电力系统中最重要的稳定。 电压稳定性已经研究了很长时间,但到目前来说,学术界对它还没有公认的权威定义。电压稳定性一般指的是系统的节点电压在遭受扰动之后的能够维持在系统允许范围内的行为。通常来说,系统的电压失去稳定指的是在遭受扰动后,电压发生持续的、不可控制的下降行为,直至超出系统所能接受的极限低谷值或者变为零,这种情况被称为电压崩溃 [4]。系统中电压与无功功率关联紧密,因此电压稳定性问题通常受无功功率的影响。假如系统在总体上满足无功功率的需求,那么电压稳定性问题一般只发生在局部,在这种情况之下,当其万方数据武汉理工大学硕士学位论文 4 中的某些节点出现电压崩溃时,其他节点并不受影响,仍能维持电压正常运行。 频率稳定性也是研究系统稳定性能的三大指标之一。电力系统在正常运行的时候,系统的有功功率基本保持平衡,系统频率也处于一个稳定状态。系统中的发电机组间均能维持同步稳定运行,各发电机的转速也同步地发生改变,在一定范围内不断上升或下降。然而在市场环境受利益驱使,系统线路多运行在极 限条件下,当系统发生故障后,如果系统的有功不足,那么系统极易在电压较低时引发频率崩溃。功角稳定与频率稳定看似都是由发电机转子运动引起,但原因与结果并不相同。 电力系统在稳定运转的时候,上述的三个指标都处于正常状态,即发电机组间的相对角度保持同步波动,输电线路上的电压在一定范围内维持不变,整个系统的频率处于同一水平。若系统在受到扰动时,这三个状态指标不能够继续保持稳定,尤其是功角稳定不能维持时,就会使部分系统失去稳定,该区域就不能再向用户提供电能。更严重的是,当三种稳定指标都不能达标时,会引发整个电力网系统的 崩溃,使得整个系统对应的地区失去电力供应,这将会带来极其严重的经济与社会效应。因此,对电力系统的稳定性分析十分必要。本文所进行的暂态稳定性 仿真与研究 主要针对发电机的功角稳定来进行。 1.2 本课题研究的背景和意义 伴随社会的快速进步与科技的蓬勃发展,近年来,国内外的电力网络互联系统越来越大,越来越复杂,并且都具有强非线性的特点。系统在运行之中,经常会由于这样或那样的原因导致系统失去稳定,从而使区域供电受到影响,给人们的生活如航空、铁路、城市交通、供水与社会的生产等各方面都造成了极大的破坏,例如 2012 年 7 月 30 日在印度发生的三大电网瘫痪事故 [5]以及 2009年 11 月 10 日 发生在巴西的由闪电导致的电路故障 [6]等。因此,这就不得不引发全世界范围内对电力系统运行的稳定性与安全性的重要关注。 电网的失稳事故是电力系统中极其严重的事故,所造成的影响与损失往往非常的巨大。而各国在提高电力系统稳定性方面也 都做了长期不懈的研究工作 。以 印度 发生的三大电网瘫痪事故为例,从 7 月 30 日 下午 开始发生的停电事故总共 持续 了 近两天 时间,之后印度各地的 供电 才逐步恢复正常, 印度境内包括新德里、加尔各答等大城市 有超过 一半地区 的 电力供应中断 ,各行各业不得不停止作业。断 电 事故是 由三大电网相继瘫痪造成 , 由于印度 的 人口稠密,此次 事万方数据武汉理工大学硕士学位论文 5 故直接 影响到全印 度 6 亿 多人口,堪称“史上最严重”停电事件 [7]。 图 1-1 为印度停电区域示意图。 图 1-1 印度大停电事故区域图 在国内,因为电网结构上相比国外更加薄弱,高负荷远距离线路更多,所以稳定性事故的发生也更为频繁。事实上,国内历年发生的稳定事故均 数 2.6 次 ,其电能总量高 达 280.31 万千瓦时,所带来的经济负面效应极为严重 [8]。 国内最为 严重的停电事故是 2006 年 7 月发生在华中(河南)地区的。此次事故共引发多条 500 千伏线路以及 220 千伏线路 跳闸、多台发电机组退出运行,使得 河南省包括郑州、 洛阳等 5 个 市停电,并 影响到周边湖北、湖南、江西等各省电网 [9]。 并且由于事故发生在空气温度较高的夏天,空调因失去电力供应而停运,致使大量人员被迫停止工作,到树荫底下纳凉。由此可见,由电网解列事故所导致的结果是灾难性的。 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 6 由于电网稳定性事故的经常发生,以及对经济与社会所造成的影响的严重性,使得对电力系统稳定性的研究工作具有极为重要的意义。而电力系统的稳定性事故中,由大扰动所产生的事故所占比例最大,因 此对大扰动的研究,也就是暂态稳定性的研究也就显得至关重要。而大扰动暂态稳定性分析之中,又以短路故障所引起的系统失稳事故最多,因此本文所进行的基于系统短路故障下的暂态稳定性研究拥有迫切的实际意义。只有在电力系统短路事故发生前,预想事故发生的可能性与多样性,对整个电力系统采取不同的短路故障暂态稳定性的仿真研究,然后针对研究所得结果,对比找出原有电力系统的薄弱点,再来采取有效的改善措施,才能从根本上减少稳定事故的发生。 1.3 国内外电力系统的研究现状 1.3.1 电力系统发展现状 中国电力工业起始于 1882 年, 直至建国时,全国的总装机容量与发电量也仅为 185 万千瓦和 43 亿千瓦时。新中国成立之后,随着科技的进步与材料的发展,电力行业也得到迅猛的提高。在二十世纪五六十年代,电网建设由局部走向全省互联; 1972 年,第一条 330 千伏输电线路的建立实现了跨省电网 -西北电力网络的互联 ; 1981 年, 500 千伏输电线路在中国开始兴建 ; 从二十世纪九十年代开始,国内电网行业已经步入了大机组、超高压、大电力网络的历史舞台 ;区域的第一个联网工程始于 1989 年,它是一个 500 千伏、 1200 兆瓦 的直流联络线,连接葛洲坝水利到华东电网 [10]。 在中国,能源资源的地理分布是很不平衡的。煤炭资源的 82储藏在北方和西南诸地,水电的 67汇集在西南,因而,西北地区也被称作是中国的能源基地 , 但从能源消耗上来说, 70的能源都消费在中部和东部沿海地区 [11]。这种中国能源的地理与消费国情进一步的需要电力系统的发展来支撑。大电力系统与区域 互联网络是在中国实现能源调度的最有效办法。三峡水电站的建设与运行,为大电网的建设提供了可能。从 2005 年到 2020 年,新的发电装机容量将超过 30GW 每年 [12]。为此,电网的电压等级又在向着新的台阶发展, 1000 千伏的特高压交流和 800 千伏的特高压直流输电工程也正在逐步的发展规划之中。图 1-2 所示为我国建成的世纪首条 1000 千伏特高压电力外景图,在特高压研究方面我国已经走在了世界的最前列 [13]。 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 7 总的来说,在建国的几十年来,我国在电力系统建设上取得了傲人的成绩,在电网的规划和发电机的装机配置方面也更加的合理,并已经逐步实现了华北、华中、华东、东北、西北、西南以及华南等七个跨省的区域大电力系统 [14]。 图 1-2 晋东南 南阳 荆门特高压 但是,伴随着电力网络规模的不断扩展和区域互联 系统的广泛使用,电力网结构、电力系统运行方式及其安全控制手段也变得越来越复杂。因短路故障引起的系统总保跳闸,系统漏保误动作,以及长时间短路电流所造成的输电线路发热量过大,继而烧断输电线路引起更严重的系统断路故障等时有发生,所造成的经济社会损失也越来越严重。因此如何来解决局部电网互联的稳定性问题, 提出改善系统短路故障 暂态稳定性 的有效措施 仍然显得格外重要。基层供电所也将短路故障 报错 率作为供电可靠性的一个重要指标。 1.3.2 暂态稳定性研究现状 电力系统的暂态稳定性对电力系统来说是其安全稳定运转的先决条件。电力 系统在遭受到大的扰动之后,会导致发电机的机械转矩与电磁转矩发生波动,不再保持稳定,发电机转子的相对速度也发生变化,使得并行的发电机组间的功角稳定性受到破坏,进而引发互联系统中电流、电压以及电磁功率发生变化[15]。电力系统的暂态稳定性研究就是讨论电力系统在稳定运行时突发故障,受到大干扰之后,系统能否保持功角稳定、电压稳定以及频率稳定的问题。如果上述三种状态量都能够稳定在系统所允许的大小范围内波动,那 么系统是稳定的。相反,若系统的三种状态量不能达到系统正常运行的要求,而是不断变化万方数据
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