课程设计报告书题目:电力系统稳定分析和计算
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C2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。图中,各
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,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:
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:
T R=0,K A=25, T A=0.1,T e=0.15,K E=1, K F=0.05,T F=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1.05V N。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。
四、成绩评定
成绩按五级制评分,将根据课程设计答辩情况给分。
评定内容包括:设计过程中的态度(20%)、课程设计报告质量(40%)和答辩过程回答问题情况(40%)。
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:
12212sin()
x
x x x ==
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: function dx=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
电力系电气工程及其自动化专业
课程设计(论文)任务书
兹发给2014级电气工程及其自动化4班学生课程设计任务书,内容如下:
1.课程设计题目:电力系统稳定分析和计算
2.应完成的项目:
A.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;
B.用PowerWord软件对自己编制的软件计算结果进行校核和分析;
C.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;
D.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;
E.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。
3.参考资料以及说明
A.《电力系统分析》(上、下册)华中科技大学出版
B.《发电厂电气部分》高等学校教材
C.《电网调度运用技术》东北大学出版社
D.PowerWorld 17使用手册
E.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用
4.本毕业设计(论文)任务书于2017年12月25日发出,应于2018年1
月7 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2017年12月25
日
电力系统稳定分析和计算
一.选题背景
对一个7节点的网络进行稳态计算和短路计算,分别用powerworld软件进行仿真,matlab软件进行计算分析,并进行对比。稳态计算求解网络的节点电压和相角,两种方式进行对比校验。短路计算求解转子的摇摆曲
线,求解功角与最大切除角。进行暂态稳定分析。
二.方案论证
用powerworld进行模型搭建,并采用牛顿-拉夫逊法进行潮流分析。进行短路计算时分别采用发电机二阶和三阶模型进行比对分析。Matlab采用PQ分解法进行潮流计算。并于powerworld软件的仿真结果进行比对分析。
同样进行短路计算,发电机分别采用二阶,三阶模型。进行分别比较分析三.过程论述与结果分析
1.电网参数计算
1.1线路参数的计算和标幺化
图1 电网的等效线路图
电网的基准功率取为100MVA,基准电压取为220kV,则有
S B=100MVA
V B=220kV
Z B=484Ω
I B=0.2624kA
线路的正序参数:
Z=r+jx=0.054+j0.308Ω/km
C=0.0116μF/km
线路阻抗标幺值计算公式:
Z?=Zl?S B V B2
线路等值电纳标幺值计算公式:
B?=j2πf N Vl?V B2 S B
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L
13
为双回路,长度8km,则:
Z13?=0.5?8?0.054+j0.308
484
=0.0004463+j0.002545
B12?=2?2π?50?0.0116?8?10?6?484=j0.02821
同理可得其余线路参数标幺值如下表所示:
表1.1 线路参数的标幺值
线路的正序参数与负序参数相等,零序参数标幺值如下表所示:
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1.0454V
。节点2、3、4、5、6均为PQ
N
节点,并且带有一定的负荷。此外,节点7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:
P=3?1?7%?1?10%=753.3MW
于是,当发电机机组正常运行时时,每台机组的出力为753.3/3=251.1MW。发电
,各个节点机机组端额定电压为10.5kV,出线侧的高压母线电压稳定在1.05V
N
的参数信息如下表所示:
表1.3 各节点参数一览表
2.电网潮流计算
2.1采用Matlab计算电网潮流
先进行电网的等效线路参数的计算和标幺化,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(幅值及相角)、功率分布等。
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。首先将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。
本文采用admittance函数实现,代码见附录。
2.1.2基于Matlab的PQ分解法程序
流程图如下:
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下图所示:1)各节点的电压和注入功率如下:
2)各支路的状态如下:
表2.2 各支路的状态
2.2使用Powerworld仿真软件进行潮流计算
2.2.1Powerworld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。它基本的工具包就包含了经济调度、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。
Powerworld软件建模与潮流计算
2.2.2采用powerworld软件建立潮流模型
根据题意搭建好的潮流模型如图所示:
图2.2.1潮流模型
节点1为平衡节点,电压标幺值为1.0455,角度为零度。为反应节点1为平衡节点这一特性,应在节点1联结一无穷大容量机组,有功无功未知。参数设置如图:
图2.2.2节点1参数设置
节点7为PV节点,三台机组功率为P=3*300*0.9*0.93=753.3W,单台机组251.1W。电压标幺值为1.05。参数设置如图:
图2.2.3节点7参数设置
其余节点为PQ节点,基准电压为220KV,以6节点为例,参数设置如图:
图2.2.4节点6参数设置
线路阻抗正序参数: r = 0.054Ω/km, x = 0.308Ω/km, C = 0.0116 μF/km;线路参数设置以1,6为例如图:
图2.2.5线路1,6参数设置
至此潮流计算模型搭建完毕。进行潮流计算。
2.2.3采用powerworld仿真软件进行潮流计算
模型网络潮流流向如图所示:
图2.3.1潮流流向
(1)各节点电压如图所示:
图2.3.2节点电压(2)各发电机状态如图所示:
图2.3.3发电机运行状态(3)各支路状态如图所示:
图2.3.4支路运行状态
2.3 powerworld仿真结果与matlab计算结果进行比对校核
(1)节点电压标幺值及相角进行对比
表2.3.1电压标幺值与相角对比
根据对比可知电压的最大差距在1%-2%,差距很小,相角的差距在1%-2%,差距都极小,一致性很强。说明两种方法都是可行的。
(2)各支路状态对比:
表2.3.2各支路功率与损耗对比
比较两种方式计算得出的节点无功功率,误差控制在0.1%,相似性极好,具有很强的一致性。说明两种运算方式都是正确可行的。
3手工计算序网及转移阻抗
3.1负荷、发电机、变压器的处理 3.1.1 发电机的处理
接在节点7的三台发电机的容量S G (N )=300/0.85=352.94MVA ,V G (N )=10.5kV ,而基准功率S B =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V B2=220/242*10.5=9.545kV ,则归算到全网基准后的发电机参数
X d?
′=
X d
′?V G N 2S G N
?S
B V B
2=0.07886,X d =0.6857,X q =0.5829
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 ,X d =0.2286,X q =0.1943,X d?′
=0.02629
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X d ′
的电压源来等效原来的三台机组,此外,发电机的负序参数可以认为和正
序参数相等。 3.1.2 变压器的处理
由上面计算可知,当基准电压V B =220kV ,V B2=9.545kV 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
X T =X S %?V T N 2
T N ?S B
B
2=0.036
同理三台变压器可以等效为一台,此时X T =
0.0363
=0.012
3.1.3 负荷的处理
由题目要求,负荷采用恒阻抗模型,计算公式
Z L?
=U 2S L ?S B V B
2
其中,U 是负荷所在节点的电压,S L 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V N ,求得各负荷的等效阻抗如下表所示:
3.2 采用网络变换法的具体步骤
3.2.1单回路三相短路
3.2.1.1稳态运行
π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1,没有负荷,其中B
13= j0.02821,B
16
= j0.03173,则等效导纳
Y1=0.5?B13+B16=j0.02997
即Z1=1
Y1
=?j33.37
对于节点2,负荷Z L2=0.382+j0.191,其中B24=j0.0229,B25=j0.0564,
B
26
=j0.0705,则等效导纳
Y2=
1
Z L2
+0.5?B24+B25+B26=2.094?j0.972
即Z2=1
Y2
=0.3928+j0.1823
同理可得其余参数,如下图所示:
(1)消去节点6,在上图的基础上通过星三角变换进行第一步简化,可将节点6消去。
参数计算如下:
Z12=Z16+Z26+Z16?Z26
Z6
Z11=Z16+Z6+Z16?Z6 Z26
Z21=Z26+Z6+Z26?Z6
16
将并联的两对阻抗合并后得
Z12=Z11//Z1
Z22=Z21//Z2消去节点6后如下图所示: