华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析和计算设计报告电气论文

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

电力系统稳定分析和计算

设计报告

专业：电气工程及其自动化 班级： 09电气（4）班 学号：32号、34号 姓名：禤培正、陈子程

华南理工大学电力学院

2012-2-29

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

目录

课程设计题目：电力系统稳定分析和计算 ........................................................................ 1 1 潮流的参数计算和标幺化 .................................................................................................... 4

1.1 线路参数计算与标幺化 ............................................................................................... 4 1.2 节点信息统计 .................................................................................................................... 5

2 采用MATLAB计算电网潮流 ........................................................................................ 6

2.1 PQ分解法潮流计算 ........................................................................................................... 6 2.2 MATLAB平台潮流计算结果分析 ................................................................................... 7

3 采用powerworld仿真软件计算潮流 .............................................................................. 7

3.1 PowerWorld仿真软件简介 ................................................................................................ 7 3.2 PowerWorld软件建模与潮流计算 .................................................................................... 8 3.3 PowerWorld仿真结果与Matlab计算结果对比分析..................................................... 11

4 网络变换法求解输入阻抗与转移阻抗 ........................................................................... 12

4.1 负荷、发电机、变压器、线路等效电容的处理 .......................................................... 12 4.2 采用网络变换法的具体步骤 .......................................................................................... 15 4.3 求解输入阻抗和转移阻抗 .............................................................................................. 19 4.4 求解有功功率传输特性 .................................................................................................. 19

5 故障方案仿真 ........................................................................................................................ 20

5.1 选定故障1：节点3发生三相对称短路 ....................................................................... 20 5.2 选定故障2：线路L23中点处发生三相对称短路 ........................................................ 26

6 采用等面积法求解极限切除角......................................................................................... 31

6.1 故障方案一 ...................................................................................................................... 31 6.2 故障方案二 ...................................................................................................................... 32

7 基于PowerWorld，分析三阶模型的发电机的暂态过程 ........................................ 33

7.1 故障方案一：节点3发生三相对称短路 ...................................................................... 33 7.2 故障方案二：线路L23中点处发生三相对称短路 ....................................................... 35

8 发电机模型及励磁调节参数对稳定计算结果的影响 ............................................... 36

8.1 发电机模型对稳定计算结果的影响 .............................................................................. 36 8.2 TJ对稳定计算结果的影响 ............................................................................................... 38 8.3 励磁参数对稳定计算结果的影响 .................................................................................. 39

参考文献 ...................................................................................................................................... 40 附录： ........................................................................................................................................... 40

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

课程设计题目：电力系统稳定分析和计算

姓名：指导教师：

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。

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 = 0.0116 µF/km； 零序参数： r0 = 0.204Ω/km, x0 = 0.968Ω/km, C0 = 0.0078 µF/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，均采用单元接线。电厂220kV侧采用双母接线。发电机组主要参数如下表：

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

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:

图中参数如下：

TR=0，KA=20，TA

=0.1，Te=0.1，KE=1，SE=0，KF=0.05，TF=0.7 不考虑PSS，即图中的附加信号Vs=0。

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方式运行，高压母线电压定值为1.05VN。考虑该电厂开机三台，所有发电机保留10%的功率裕度。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。

二、 设计的主要内容：

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，要求采用PQ分解法潮流计算方法。 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、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，要求给出网络变换法求解输入阻抗和转移阻抗的变换过程图； 5、自行选择2-3种故障方案，给出摇摆曲线，并计算故障的极限切除时间和极限切除角。与PowerWorld软件的分析结果进行比较校核。

6、对上面2-3种故障方案，采用等面积定则计算故障的极限切除角，并分析比较与时域仿真法计算结果的差别；

7、用Matlab编制稳定计算程序，发电机采用三阶模型，并对第6步的2-3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；与PowerWorld软件的分析结果进行比较校核。

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，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； 9、编制课程设计报告。

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

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。

三、

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

1 潮流的参数计算和标幺化

1.1 线路参数计算与标幺化

图1、电网的等效线路图

图1是待求解电网的等效线路图，由已知取基准功率100MW，基准电压220kV：则有

SB 100MW V 220kV B

Z 484 B IB 0.2624A

线路正序参数：

(1)

z r jx 0.054 j0.308 /kM

C 0.0116μF/kM

线路阻抗标幺值计算公式：

(2)

线路导纳标幺值计算公式：

Z* zl

SB

VB2

(3)

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

VB2

Y* j Cl SB

(4)

由于电网线路为双回路线路，即阻抗值为单回路的一半，导纳值为单回路的两倍。 L12的线路长度为27km，则

Z12=0.5*（0.054+j0.308）*27/484Ω=(0.001056+j0.008591) Ω B12=2*2*3.14*50*0.0116*10-6*27*484S=0.0952S

L23的线路长度为17km，则

Z23=0.5*（0.054+j0.308）*17/484Ω=(0.009483+j0.005409) Ω B23=2*2*3.14*50*0.0116*10-6*17*484S=0.0600S

L24的线路长度为6km，则

Z24=0.5*（0.054+j0.308）*6/484Ω=(0.000335+j0.001909) Ω B24=2*2*3.14*50*0.0116*10-6*6*484S=0.0212S

L45的线路长度为5km，则

Z45=0.5*（0.054+j0.308）*5/484Ω=(0.000279+j0.001591) Ω B45=2*2*3.14*50*0.0116*10-6*5*484S=0.0173S

L36的线路长度为18km，则

Z36=0.5*（0.054+j0.308）*18/484Ω=(0.001004+j0.005727) Ω B36=2*2*3.14*50*0.0116*10-6*18*484S=0.0635S

L56的线路长度为24km，则

Z56=0.5*（0.054+j0.308）*24/484Ω=(0.001339+j0.007636) Ω B56=2*2*3.14*50*0.0116*10-6*24*484S=0.0847S

综上，电网线路参数的标幺值如表1所示：

表1、线路参数的标幺值统计

线路 阻抗Z/Ω 导纳B/S

L12 0.001506+j0.008591 j0.0952

L23 0.000948+j0.005409 j0.0600

L24 0.000335+j0.001909 j0.0212

L45 0.000279+j0.001591 j0.0173

L36 0.001004+j0.005727 j0.0635

L56 0.001339+j0.007636 j0.0847

1.2 节点信息统计

编号 节点类型 P(MW) Q(MVar) V(kV)

平衡节点 无 无 230

PQ节点 250 40 无

PQ节点 380 90 无

PQ节点 280 85 无

PQ节点 420 95 无

PV节点 -753.3 无 231.1

由图1可知，网络中共有6个节点，其中节点1为平衡节点，视为无穷大母线，电压稳定在230kV，即1.0455VN。节点2、3、4、5均为PQ节点，带有一定的负荷。

此外，节点6为PV节点，其中总发出的有功功率

P 3 1 10% 1 7% 300 753.3MW（5）

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

即每台机组出力为753.3/3MW=251.1MW。电压V稳定在1.05VN。 综上，各节点的参数如表2所示：

2 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，得出待求解电网的各PQ节点的有功功率和无功功率，各PV节点的有功功率和节点电压。基于MATLAB平台编写程序，我们对待求解电网进行潮流计算，从而得出各PQ节点的节点电压以及各线路的线路损耗。

2.1PQ分解法潮流计算

我们采用PQ分解法对待求解电网进行潮流计算，大致流程如下：

1）编程思想是将所有支路的状态信息整合成一个矩阵进行计算、将所有节点的状态信息整合成另一个矩阵进行计算，具体如下：

构造支路信息矩阵B1，每一行表示一条支路，一行中的各元素表示该支路的信息：1、支路首端号；2、末端号；3、支路阻抗；4、支路对地电纳 5、支路的变比；6、支路首端处于K侧为1，首端处于1侧则为0；

构造节点信息矩阵B2，每一行表示一个节点，一行中的各元素表示该节点的信息：1、该节点发电机功率；2、该节点负荷功率；3、节点电压初始值; 4、PV节点电压V的给定值；5、节点所接的无功补偿设备的容量; 6、节点分类标号：1为平衡节点（应为1号节点）；2为PQ节点；3为PV节点；

根据前文对待求解电网的线路参数的归算和标幺化，所构造的支路信息矩阵B1和构造节点信息矩阵B2如下所示（MATLAB界面截图表示），

图2、MATLAB界面截图

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

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； 根据支路信息矩阵B1，对导纳矩阵再加入互导纳ypq；

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

再将互导纳ypq加入到导纳矩阵的对角线元素，形成自导纳。 此部分程序可在MATLAB平台中独立写成m文件，提高效率；

3）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；

4）构造各节点的潮流方程，进入潮流计算程序；

5）基于MATLAB平台，得出计算结果，采用误差精度为10e-5。由结果可知，共用7次迭代便能满足精度要求，共用时间为0.097085s；

2.2 MATLAB平台潮流计算结果分析

采用MATLAB平台计算电网潮流的输出结果如下所示， （1）各节点电压如表3所示：

表3、各节点电压

节点编号

1 2 3 4 5 6 基准电压kV

220 220 220 220 220 220 标幺电压 1.04550 1.03430 1.03730 1.03240 1.03300 1.04900 实际电压(kV) 230.010 227.546 228.206 227.128 227.260 230.780 相角 (度)

0 -2.6358 -2.6728 -2.9648 -3.0129 -1.6118

（2）各节点的注入功率如表4所示：

表4、各节点注入功率

1 2 3 4 5 6 5.8531 -2.5000 -3.8000 -2.8000 -4.2000 7.5330

注入功率

+ j0.2814 - j0.4000 - j0.9000 - j0.8500 -j 0.9500 + j2.9398

（3）各支路状态如表5所示：

表5、各支路状态

节点编号

首端节点编号 1 2 2 3 4 5

末端节点编号 2 3 4 6 5 6 首端有功功率（MW） 585.31 2.79 327.78 -377.24 47.45 -372.57 首端无功功率（Mvar） 28.14 -60.65 32.09 -144.37 -52.58 -145.80 首端视在功率（MVA） 585.99 60.71 329.35 403.92 70.82 400.82 有功损耗（MW） 4.74 0.03 0.34 1.51 0.01 1.99 无功损耗（Mvar） 16.71 -6.28 -0.34 1.69 -1.78 2.13

3 采用powerworld仿真软件计算潮流

3.1 PowerWorld仿真软件简介

PowerWorld Simulator（仿真器）是一个电力系统仿真软件包，其设计界面

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

友好，并有高度的交互性。该仿真软件能够进行专业的工程分析。而且由于其可交互性和可绘图性，它也可以用于向非专业用户解释电力系统的运行操作。

该仿真器是一个集成的产品，其核心是一个全面、强大的潮流计算程序。它能够有效地计算高达10,0000个节点的电力网络，因此当它作为一个独立的潮流分析软件包时，性非常实用。与其它商业潮流计算软件包不同，该软件可以让用户通过生动详细的全景图来观察电力系统。此外，系统模型可以通过使用仿真软件的图形编辑工具很容易地进行修改，用户只需轻轻点击几下鼠标就可以在检修期间切换线路、增加新的线路或发电机、确定新的交易容量。仿真器广泛地使用了图形和动画功能，大大地增强了用户对系统特性、问题和约束的理解，以便于用户对系统进行维护。它基本的工具包括经济调度、区域功率经济分配分析、功率传输分配因子计算（PTDF）、短路分析以及事故分析等功能的工具。

3.2 PowerWorld软件建模与潮流计算

3.2.1 采用PowerWorld仿真软件建立潮流模型

在软件的编辑模式下，节点1为平衡节点，电压恒定为1.0455VN，为了反映平衡节点这一特性，节点1应接一台容量无穷大的发电机。具体参数设置如图3所示，机组的有功出力是不确定的，可在框内暂时填为100MW。

图3、接在平衡节点处的发电机参数设置

节点6为PV节点，P=753.3MW，V=1.05VN，为了方便后面的稳定计算，按题目中要求，节点6接3台参数一样的机组，其中正常运行时各机组发出的有功功率P1=P2=P3=251.1MW。具体参数设置如图4所示。

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

图4、接在节点6处的发电机参数设置

其余节点为PQ节点，将其基准电压更改为220kV之后，再带上相应大小的负荷。最后，用输电线路将各节点连接起来。

采用powerworld画出的单相接线图如图5所示。

图5、采用powerworld画出的单相接线图

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

3.2.2 采用powerworld仿真软件的潮流计算结果

在powerworld软件的运行模型下，进行潮流计算，电网的潮流分布如图6

图6、电网的潮流分布示意图

（1）各节点电压如表6所示

表6、各节点电压

节点编号

1 2 3 4 5 6 基准电压kV

220 220 220 220 220 220 标幺电压 1.04550 1.03515 1.03826 1.03339 1.03412 1.05000 实际电压(kV) 230.010 227.733 228.417 227.345 227.506 231.000 相角 (度)

0 -2.63 -2.67 -2.96 -3.01 -1.61

（2）各发电机状态如表7所示

表7、各发电机运行状态

节点编号

1 6 6 6 发电机编号

1 1 2 3 有功出力（MW） 无功出力（MW） 设定电压

585.35 31.44 1.0455 251.10 100.29 1.0500 251.10 100.29 1.0500 251.10 100.29 1.0500

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

（3）各支路状态如表8所示

表8、各支路状态

首端节末端节首端有功功点编号 点编号 率（MW） 1 2 585.3 2 3 2.8 2 4 327.8 3 6 -377.2 4 5 47.5 5 6 -372.5 首端无功功

率（Mvar） 31.4 -63.2 37.9 -146.9 -56.8 -150 首端视在功有功损耗率（MVA） （MW） 586.2 4.74 63.2 0.03 330.0 0.34 404.8 1.52 74.0 0.01 401.6 2.00 无功损耗

（Mvar） 16.73 -6.27 -0.33 1.73 -1.77 2.22

（4）电网网损率的计算 网损率按以下公式计算：

网损率=

发电机输出功率PD-负荷PL

100%

发电机输出功率PD

(5)

其中，发电机输出功率包括发电厂和平衡节点的功率，发电机输出功率和负荷均只取有功分量。则发电机输出功率PD=3*251.1MW+585.3MW=1338.6MW 总负荷PL =250MW+380MW+280MW+420MW=1330MW

网损率=

PD PL8.6

100%=0.642%

PD1338.6

3.3 PowerWorld仿真结果与Matlab计算结果对比分析

以上，我们分别用PowerWorld仿真软件和Matlab平台对待求解电网进行了潮流计算，得出各节点的节点电压和各支路的潮流状态。

接下来，我们将两种方法得出的各节点电压和各支路的潮流状态进行对比： （1）各节点电压的对比如表9所示：

表9、各节点电压的对比

标幺电压

节点编号

Power World 1.04550 1.03515 1.03826 1.03339 1.03412 1.05000

Matlab 1.04550 1.03430 1.03730 1.03240 1.03300 1.04900

实际电压(kV) Power World 230.010 227.733 228.417 227.345 227.506 231.000

Matlab 230.010 227.546 228.206 227.128 227.260 230.780

相角 (度) Power World 0 -2.6300 -2.6700 -2.9600 -3.0100 -1.6100

Matlab 0 -2.6358 -2.6728 -2.9648 -3.0129 -1.6118

1 2 3 4 5 6

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

比较两种计算结果的各节点电压可以发现，节点电压的最大偏差为0.246kV，不超过1.1%。所以，两种计算潮流得出的节点电压具有很好的一致性。说明两种计算方法都是准确可行的。

（2）各支路状态的对比如表10所示：

表10、各支路状态的对比

比较两种计算结果的各支路潮流可以发现，有功功率的最大偏差为0.07MW，

不超过0.019%。所以，两种计算潮流得出的支路潮流具有很好的一致性。说明两种计算方法都是准确可行的。

4 网络变换法求解输入阻抗与转移阻抗

4.1 负荷、发电机、变压器、线路等效电容的处理

4.1.1 负荷的处理

由题目要求，负荷采用恒阻抗模型，计算公式为

ZL

U2SL

（9）

其中，U是负荷所在节点的电压，SL是负荷的共轭值。在本例中，正常运行下负荷所在节点电压近似为VN，由式9求得各负荷的等效阻抗如表6所示：

2 3 4 5 L220 250+j40 0.3900+j0.0624 220 380+j90 0.2492+j0.059 220 280+j85 0.327+j0.0993 220 420+j95 0.2265+j0.0512

4.1.2 发电机的处理

接在节点6的有三台发电机，发电机的容量SG(N)=300/0.85=352.94MVA，

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

VG(N)=10.5kV，而基准容量SB=100MW，为了使变压器的标幺变比k*=1，在10kV电压等级下的基准电压VB2=10.5*220/242kV=9.5455kV。则归算到全网基准后的发电机参数可按式10来计算：

X X

'd*'d

2VG(N)

SG(N)

SB

（10） 2VB

代入参数，求得xd=0.617，xq=0.411，xd’=0.0617.

为了简化网络，将三台发电机并联等值成一台机组。等效后的机组出力P=753.3MW，Xd=0.617/3=0.206，Xq=0.411/3=0.137，Xd’=0.0617/3=0.0206.

发电机采用二阶经典模型，即E’恒定模型。在网络变换中，用电压为E’、内阻为Xd’的电压源来等效原来的三台机组。 4.13 变压器的处理

由上面计算可知，当基准电压VB1=220kV，VB2=9.5455kV时，标幺变比k*=1，所以可以用一个纯电抗来等效变压器，其中电抗值

2

VS%VT(N)SB10.510.52100XT* 2 0.0363（11）

100ST(N)VB1003509.54552

同理三台变压器可等效为一台，此时XT=0.0363/3=0.0121

4.1.4线路并联电容的处理

∏型等值电路里，线路两端存在并联电容，即与负荷等值阻抗并联。网络变换时，先将这些并联电容消去。

对于节点2，负荷ZL2=0.39+j0.0624，其中B12= j0.0952，B23= j0.0600， B24= j0.0212.则等效导纳

Y2

11

B12 B23 B24 = 2.5001 - j0.3118 ZL22

1

= 0.3939 + j0.0491 Y2

即Z2

对于节点3，负荷ZL3=0.2492+j0.059，其中B23=j0.0600，B36=j0.0635.则等效导纳

Y3

11

B23 B36 = 3.7998 - j0.8379 ZL32

1

= 0.2510 + j0.0553 Y3

即Z3

对于节点4，负荷ZL4=0.327+j0.0993，其中B24=j0.0212，B45=j0.0173.则等效导纳

华南理工大学电力系统课程设计电力系统稳定分析,绝对好东西!

Y4

11

B24 B45 = 2.7999 - j0.8310 ZL42

1

=0.3282 + j0.0974 Y4

即Z4

对于节点5，负荷ZL5=0.2265+j0.0512，其中B45=j0.0173，B56=j0.0847.则等效导纳

Y1Z 1

5

B45 B56 = 4.2004 - j0.8985 L52

即Z1

5

Y=0.2277 + j0.0487 5

对于节点6，不带负荷，其中B36=j0.0635，B56=j0.0847.则等效导纳

Y1

6 2 B36 B56 =j0.0741

即Z6

1

Y=j（-13.50） 6

综上，经过上述简化的电网接线图如图7所示：

图7、讲过上述简化后的模型