电力系统电磁暂态仿真及其相关问题研究

发布时间：2016-08-16 07:15

第一章  绪论 

1.1  引言 
电力系统是目前在世界上人造的最为复杂的工业系统，其通过发电设备将机械能、热能、光能、化学能等能量转换为电能，通过变压器、输电线路等输电装置由发电侧传输到用户侧，通过配电变压器、配电网络等配电设备传送到终端用户。从 1878 年托马斯·爱迪生通过发明电灯构建早期的直流输电网络、1888 年尼古拉·特斯拉提出将交流电应用于大规模电力传输开始，电力系统通过数百年的发展和进步，已经成为人类社会生存和发展不可或缺的基本要素。 随着电力工业的不断发展，电力系统的规模随着输电距离的增加、区域互联的增强变得越来越复杂。系统容量伴随着社会经济的发展不断扩大，电压等级也不断提高，超高压直流输电系统、灵活交流输电系统等新型电力电子装置也不断投入到实际电网中，这些都对电力系统安全性和稳定性提出了新的挑战。复杂的系统结构会导致系统中各个子网的暂态稳定水平下降，系统安全裕度随之下降；电力电子元件的非线性特性会带给系统复杂的高次谐波，从而影响到继电保护装置的参数整定和动作特性。随着世界范围内对能源问题和环境问题的不断关注，传统的火电、核电在系统中所占的份额有所下降，新兴的风能发电、太阳能发电、热电联产等等新型发电系统开始逐步接入到电力系统。智能电网和微网的快速发展，进一步打破了电力系统输配电自上而下的单向特性，对传统电力系统安全分析提出了新的挑战。 在实际系统上进行试验，受到电力系统安全性、稳定性和经济性的约束，虽然理想但是基本不可能的。采用基于物理模型的动态模拟方法在面对复杂系统问题时，同样遇到了困难，而数字仿真则显示了其优越性。电力系统数字仿真在电力系统规划、保护、调度、稳定性研究中，发挥了独特的作用，成为电力系统稳态、暂态分析的基本工具。 
........

1.2  电力系统数字仿真概述 
电力系统数字仿真作为电力系统分析的一个重要研究课题，通过对实际电网中的元件建立数学模型，通过数值计算方法求解，在计算机上直观地反映出电力系统的动态行为。电力系统数字仿真的实现，可以分成以下三个步骤： ①建立数学模型：根据系统仿真的目的，考虑系统中各个元件的相互作用，选取合适的数学模型，通过系统辨识和参数估计的方法得到数学模型，并经过大量试验，最终确立描述系统特性的数学表达式。 ②建立数字仿真模型：针对不同形式的数学模型设计对应的算法，通过编程和调试，使数学模型能够灵活地接入仿真程序。通常，数学模型由三种形式组成：高阶微分方程组、传递函数和状态方程。考虑到仿真中的数值稳定性和误差，选择合适的数值计算方法进行求解。 ③仿真实验和分析：通过在计算机上模拟实际系统完成的各种实验和研究项目，对仿真结果进行评价。 
...........

第二章  电力系统电磁暂态的仿真方法 

电力系统电磁暂态仿真反映的是系统中各个元件微秒级的动态行为，如同步发电机、变压器、输电线路等。为了能够对这些元件进行正确的仿真，需要建立一个灵活、开放的电磁仿真软件平台。本章首先介绍适合于电磁仿真的微分方程组的求解方法，其次以基本元件为例介绍电磁仿真的基本原理，并对电磁暂态仿真中的开关元件和短路故障进行建模，最后说明电磁仿真软件的基本流程。 

2.1  微分方程组的求解方法
求解上述方程组的数值解法通常采用差分法，差分法可以分为单步法和多步法、显式法和隐式法，如欧拉法、后退欧拉法、隐式梯形法、龙格库塔法等。在电力系统电磁暂态网络中，包含着大量的非线性元件和开关操作，这些操作不可避免的会引起数值振荡：即非状态变量产生不正常的摆动。综合考虑数值振荡现象，和仿真过程中数值计算的稳定性和准确性，本文采用阻尼梯形法[19]作为求解上述方程组的数值解法。电力系统仿真中存在许多误差，例如：截断误差、舍入误差、交接误差、近似化误差和限值误差等[21]。其中，截断误差和舍入误差是在利用计算机进行数值计算时无法避免的误差。在数值积分法求解微分方程组的过程中，一个步长终点的误差是上一步长计算所引起的总误差（包含各种误差）和本步长计算所留下误差的函数。考虑到数值积分中误差的传递性，只有当每一步产生的误差与上一步可以互相抵消衰减下去，积分方法才能保证稳定性。 
..........

2.2  电磁暂态仿真基本元件的数学模型及其求解方法
电磁暂态仿真中最基本的元件包括电阻、电感和电容，它们通常可以作为等值电路的一部分，同时，也可以通过组合，模拟发电机、变压器、集总输电线等其他电力系统的复杂元件。初始状态下，各个电阻值均取一个较大的数，如 10e6。根据故障不同，可以在故障时刻更改对应电阻值。如模拟 a 相单相短路，则可以令 Ra=0.0001；模拟 ab 两相相间短路故障时，令 Rab=0.0001；模拟三相故障时，则全部电阻均取较小的数，如 0.0001。 断路器作为电力系统常见元件，其灭弧过程十分复杂，即使断路器已经断开，由于电弧的存在，电流依然不能立即变为零。本文不考虑这一复杂的电磁暂态过程，仅采用最简单的电阻断路器模型（如图 2-5(b)所示）。实际线路短路故障只能在电流过零点才能恢复，同时实际交流断路器在灭弧时也利用了电流自然过零的特点。电磁暂态仿真中，对于开关的断开和闭合是一个复杂的过程，在 PSCAD 中，通过“预测-校正”的方法通过插值法确定开关动作时间。本文为了简化仿真流程，认为流过线路的电流穿越零点后的第一步近似为过零点（如图 2-6 所示）。 
...........

第三章   基于电机参数的同步发电机系统的电磁仿真方法.....20 
3.1  同步发电机的数学模型..........20
3.2  同步发电机的初值计算..........25 
3.3  同步发电机的电磁暂态仿真方法..........26 
3.4  本章小结..........30 
第四章   机电-电磁混合仿真接口技术研究 .......31 
4.1 EMTP/TSP 混合仿真的基本原理 ...........31 
4.1.1 EMTP/TSP 混合仿真网络的划分 ........31 
4.1.2 混合仿真中接口模型的基本原理........33 
4.2 EMTP 仿真的接口电路模型 ...........33
4.3 TSP 仿真的接口电路模型 .......38
4.4   EMTP/TSP 混合仿真的接口规则 ........40 
4.5   EMTP/TSP 混合仿真的计算流程 ........41 
4.6   本章小结........41 
第五章   算例分析.........43 
5.1  基于阻尼梯形法的电磁暂态仿真方法分析 ..........43
5.2  同步发电机的电磁暂态仿真算例分析..........47 
5.3  机电-电磁暂态混合方法仿真算例分析.........49 

第五章  算例分析 

前面各章分别讨论了基于阻尼梯形法的电力系统电磁暂态仿真基本原理和实现方法；基于电机参数的同步发电机的伴随电路模型及其与电磁网络进行求解的方法；机电-电磁暂态混合仿真方法。本章通过算例分析，对上述方法的正确性进行验证。 

5.1  基于阻尼梯形法的电磁暂态仿真方法分析 

在电力系统电磁暂态网络中，包含着大量的非线性元件和开关操作，这些操作不可避免的会引起数值振荡：即网络结构突变导致非状态变量产生不正常的摆动，本文采用的阻尼梯形法，能够在仿真过程中被动地逐渐消减数值振荡。不考虑电磁仿真开关动作时电流过零点的判断，开关直接在 0.005s 断开。记录图中节点的电压值u(t)。图 5-2 所示的分别是阻尼因子的仿真结果，可以看出，隐式梯形法将不可避免引起数值振荡，而后退欧拉法则能够完全抑制数值振荡。 图 5-3 给出的是阻尼因子不同取值下，阻尼梯形法抑制数值振荡的仿真结果，从图中可以看出，随着取值的逐渐增加，阻尼梯形法抑制数值振荡的能力逐渐增强。 

...........

总结 

电磁暂态仿真作为电力系统分析的一个基本工具，在科研和实际工程中都具有十分广泛的应用。本文针对电力系统电磁暂态仿真方法及其相关技术进行了深入的研究。 首先从微分方程数值解法出发，介绍了基于阻尼梯形法的电磁暂态仿真方法的原理，并分析了阻尼梯形法抑制数值振荡的性能和特点，给出了不同阻尼因子的仿真误差分析。本文采用 C++语言进行编程，初步搭建了包含电网中电感、电容、短路故障、断路器等基本元件的电磁暂态仿真平台。 同步发电机作为电力系统中的基本元件，其仿真的准确性直接影响着系统稳定性分析的结果。与传统的原始参数的同步发电机仿真方法不同，本文从同步发电机的电机参数方程出发，采用阻尼梯形法处理发电机的微分方程，通过公式推导，建立了对应的同步发电机伴随电路模型，确立了同步发电机在电磁暂态仿真中的仿真方法和接口技术。通过仿真算例，验证了本文提出的伴随电路方法的正确性，同时比较了两种不同模型的同步发电机的动态特性，说明不含阻尼绕组的同步发电机能够满足实际工程的需求。 随着电力系统的不断发展，，系统的规模不断扩大，高压直流输电系统和柔性交流输电系统逐渐投入到电力系统的实际运行之中，同时,系统中也逐渐投入大量的电力电子设备。这就要求电力系统仿真不仅能够反映模拟大规模互联系统的机电暂态过程，同时还能够反映出局部系统在数微秒内的电磁暂态过程。传统的机电暂态仿真技术和传统的电磁暂态仿真技术均受到一定的限制，无法达到上述要求。 机电暂态仿真基于正序、基频、相量模型，适用于对大规模电网仿真；而电磁暂态仿真针对系统中各个元件的电磁特性进行研究，适用于局部系统的快速响应分析。综合上面两种方法，机电-电磁暂态混合仿真根据对电力系统各个区域研究的不同需求，将电力系统分为机电暂态子系统和电磁暂态子系统，分别进行对应的仿真。该方法既能够精确模拟局部系统的快速动态特性，又规避了电磁仿真规模的限制，同时能够反映机电网络故障中功角摇摆对局部网络的影响，具有广泛的应用前景。 
.........
参考文献(略)

本文编号：95081