電力系統(tǒng)暫態(tài)分析課程設(shè)計.doc

目錄1 課題概述11.1課題要求11.2課題內(nèi)容11.3 課題目的22短路故障分析22.1 不對稱故障的分析22.2對稱分量法基本原理2 2.3 兩相短路故障分析42.4 短路電流計算步驟73方案設(shè)計93.1方案概述93.2 課題設(shè)計圖44兩相短路的仿真分析104.1 PSCAD簡介104.2 兩相短路故障的仿真 105總結(jié)13參考文獻(xiàn)141課題概述1.1 課題要求（1）熟悉PSCAD軟件；（2）編寫短路計算流程圖；（3）建立系統(tǒng)三相接線圖的仿真過程； （4）得出仿真結(jié)果。1.2 課題內(nèi)容某3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)單線圖，如圖2所示?；鶞?zhǔn)功率為，不同電壓等級下的輸電線路典型參數(shù)（/km），如表1所示；發(fā)電機(jī)及負(fù)荷參數(shù)，如表2所示。注意雙繞組變壓器容量為100MVA，一次側(cè)星接，直接接地，二次側(cè)三角接；變壓器兩邊電壓等級不同，線路參數(shù)也應(yīng)當(dāng)不同。計算下列不對稱故障情況下的故障電流和電壓。節(jié)點(diǎn)buse6發(fā)生金屬性兩相短路故障。圖1.1 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)單線圖具體參數(shù)如下表1 不同電壓等級下的輸電線路典型參數(shù)（/km）電壓等級（kV）110220330500750正序電感/mH132.5127.4105.189.1785.35零序電感/mH397.5382.2315.3273.9267.5正序電阻/8.057.054.641.961.22零序電阻/35.232.326.218.2827.29正序電容/0.7210.861.1131.351.367零序電容/0.5860.6050.7630.920.93正序阻抗角/（）7680828687.4零序阻抗角/（）7075757872表2 發(fā)電機(jī)及負(fù)荷參數(shù)發(fā)電機(jī)及負(fù)荷電壓（kV）有功（MW）無功（MVar）正序電抗零序電抗16.5400226.10.20.0510.5300213.40.20.0513.8300-11.20.20.05220312.51252202257522025087.51.3 課題目的電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障造成的危害性是最大的。作為電力系統(tǒng)三大常規(guī)計算之一，分析短路故障的參數(shù)更為重要。目的如下：1.通過課程設(shè)計, 使學(xué)生掌握電力系統(tǒng)三相短路計算的基本原理與方法；2.掌握并能熟練運(yùn)用PSCAD/MATLAB仿真軟件；3.采用PSCAD/MATLAB軟件，做出系統(tǒng)三相接線圖。2 短路故障分析電力系統(tǒng)故障表現(xiàn)各異，形式上又可分為短路故障、斷線故障（非全相運(yùn)行），按分析方法分為不對稱故障、對稱故障，對稱故障一般指三相短路故障，不對稱故障則包括不對稱短路(單相短路接地、兩相短路、兩相短路接地)和非全相運(yùn)行(單相斷路、兩相斷路) 2種。電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，伴隨短路所發(fā)生的基本現(xiàn)象是：電流劇烈增加，線端處發(fā)生三相短路時，電流的最大瞬時值可能高達(dá)額定電流的10-15倍，從絕對值講可達(dá)上萬安培，甚至十幾萬安培。在電流急劇增加的同時，系統(tǒng)中的電壓大幅度下降，例如系統(tǒng)發(fā)生三相短路時，短路點(diǎn)的電壓將降到零，短路點(diǎn)附近各點(diǎn)的電壓也將明顯降低。 2.1不對稱故障的分析電力系統(tǒng)中發(fā)生不對稱短路時，無論是單相接地短路、兩相短路還是兩相接地短路只是在短路點(diǎn)出現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不對稱，而其它部分三相仍舊是對稱的。根據(jù)對稱分量法列a相各序電壓方程式為： 上述方程式包含了六個未知量，必須根據(jù)不對稱短路的具體邊界條件列出另外三個方程才能求解。2.2對稱分量法基本原理對稱分量法是一種將不對稱三相分量分解為三相對稱分量的方法，采用這種方法能比較清晰地對電力系統(tǒng)不對稱短路故障情況進(jìn)行分析。若以A相電流為基準(zhǔn)相，三相向量與其對稱分量之間的關(guān)系為： 式（2.1）式中: ，且有，；、分別為A相電流的正序、負(fù)序、零序分量，并且有： ， 式（2.2） 由上式可以作出三相量的對稱分量，見圖2.1。圖2.1正序、負(fù)序、零序電流的對稱分量圖將公式（2-3）代入公式（2-2），得 式（2.4）電力系統(tǒng)運(yùn)行情況雖然復(fù)雜，但是用對稱分量法，可以把不對稱短路故障分解為三相對稱分量來處理，把負(fù)載端的不對稱電壓和電流看成是三組（正序、負(fù)序、零序）對稱電壓和電流的疊加，由于發(fā)電機(jī)只有正序電勢，因此只有正序網(wǎng)絡(luò)存在發(fā)電機(jī)電勢，負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)只有負(fù)序阻抗和零阻抗，由此可以得其電動勢平衡方程式： 式（2.5）其中為正序電勢，、分別為正序、負(fù)序、零序的電抗，、為A相電壓的正序、負(fù)序、零序分量8。2.3 兩相短路故障分析兩相短路是四種常見的短路類型之一如圖2.2圖2.2兩相短路電路圖邊界條件為： 用對稱分量法可表示為 復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)圖：圖2.3兩相短路的復(fù)合序網(wǎng)正負(fù)序電流為： 正負(fù)序電壓為： 短路點(diǎn)故障電流為 短路點(diǎn)三相電壓為 若在短路點(diǎn)b、c兩相直接接地，則，各序電流為（設(shè)各序阻抗為純電抗）。 正負(fù)序電壓為 各相電壓為 選取正序電流作為參考相量，負(fù)序電流與它的方向相反，正序電壓與負(fù)序電壓相等，都比超前，從而作出其電壓、電流相量圖，如圖（2.4）所示。(a) 電流相量圖； (b)電壓相量圖圖2.4兩相短路時短路點(diǎn)的電流、電壓相量圖2.4 短路電流計算步驟（1）繪制計算系統(tǒng)圖在計算用圖中應(yīng)包括與短路電流計算有關(guān)的全部電力元件（如系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等），以及它們之間的連接關(guān)系。在元件旁邊應(yīng)注明它們的技術(shù)數(shù)據(jù)，如額定電壓、額定容量、線路的長度及線路型號等。另外，在計算圖上應(yīng)標(biāo)明短路點(diǎn)。為了便于計算，每個元件按順序編號。（2）計算各元件參數(shù)根據(jù)給定的電力系統(tǒng)，首先確定是用標(biāo)幺值的計算方法計算短路電流，還是用實(shí)際值計算的方法。一般在有兩個及兩個以上的電壓等級情況下用標(biāo)幺值的方法較實(shí)際值的方法計算簡便。用實(shí)際值計算時，首先選定一個基準(zhǔn)值（即電壓等級），此基準(zhǔn)值應(yīng)選被計算短路電流短路點(diǎn)的電壓等級，然后將其他電壓等級所有的阻抗用變壓器變比原理換算到基本級上來。用標(biāo)幺值計算時，首先選定一個基準(zhǔn)容量，此基準(zhǔn)容量的選擇應(yīng)上“便于計算”，使x值小數(shù)點(diǎn)前后的0最少。一般選取整數(shù)，如：系統(tǒng)大，取Sb=1000MVA;系統(tǒng)小，取Sb=100MVA?；鶞?zhǔn)電壓一般選取平均電壓：Ub=Uav比額定電壓高5%，Un(kV) 220 110 35 10 0.38 ;Uav(kV) 230 115 37 10.5 0.4 然后算出基準(zhǔn)電流值。（3）繪制等值網(wǎng)絡(luò)圖繪制電力系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)圖的目的是便于短路電流計算。圖中應(yīng)標(biāo)明各元件的序號及阻抗。（4）網(wǎng)絡(luò)化簡網(wǎng)絡(luò)化簡是將等值網(wǎng)絡(luò)化簡到最簡單的形式，若有兩個及兩個以上的電源，則歸并成一個電源。有并聯(lián)的回路化簡成串聯(lián)。采取多電源歸并成一個電源的方法，是因?yàn)槲覀儾扇×艘幌盗械募僭O(shè)條件，所以在計算中可以用電源的阻抗相并聯(lián)的方法。（5）進(jìn)行短路電流計算通過以上工作，把一個復(fù)雜的系統(tǒng)化簡成只有一個等效元件的系統(tǒng)，等效元件的一端是綜合電動勢，另一端是綜合阻抗和短路點(diǎn)，這樣就可以用最簡單的歐姆定律來計算短路電路，即I=E/X；式中E-系統(tǒng)電源對短路點(diǎn)的綜合次暫態(tài)電動勢，在化簡計算中取1；X-系統(tǒng)對短路點(diǎn)的綜合阻抗。必須注意：根據(jù)以上步驟，用實(shí)際值求得的短路電流，都是歸算到基本級的數(shù)值，要想得到非基本級的短路電流，必須根據(jù)變壓器的變比換算到要計算短路電流的那個電壓等級。用標(biāo)幺值方法計算求得的短路電流，要想得到實(shí)際值，還必須乘以相應(yīng)電壓等級的基準(zhǔn)電流值。3方案設(shè)計3.1方案概述考慮到本次課程設(shè)計是基于電力系統(tǒng)仿真軟件pscad，我們首先確定設(shè)計的大致框架，然后在對模塊進(jìn)行設(shè)計，其中包括系統(tǒng)的輸出測量模塊，對故障母線和非故障母線上的短路電流短路電壓、有功與無功進(jìn)行測量，可以直觀的看到各個量的變化曲線，在對題目所要求的參數(shù)進(jìn)行修正，從而完成設(shè)計內(nèi)容。 3.2課題設(shè)計圖根據(jù)課題要求得到課題設(shè)計圖如圖3.1所示。圖3.1 課題設(shè)計圖4兩相短路的仿真分析4.1 pscad簡介Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC的初版，是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件， PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實(shí)時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。操作環(huán)境為：UNIX OS， Windows95， 98， NT；Fortran 編輯器；瀏覽器和TCP/IP協(xié)議。隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，無論是理論研究還是現(xiàn)場工作,都廣泛的用到了PSCAD。程序EMTDC（Electro Magnetic Transient in DC System）是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)仿真分析軟件，它即可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能完成電力電子仿真及其非線性控制的多功能（Versatile Tool）工具。PSCAD（Power System Computer Aided Design）是EMTDC的前處理程序，用戶在面板上可以構(gòu)造電氣連接圖，輸入各元件的參數(shù)值，運(yùn)行時則通過FORTRAN編譯器進(jìn)行編譯、連接，運(yùn)行的結(jié)果可以隨著程序運(yùn)行的進(jìn)度在PLOT中實(shí)時生成曲線，以檢驗(yàn)運(yùn)算結(jié)果是否合理，并能與MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時域和頻域計算仿真，典型應(yīng)用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時，電參數(shù)隨時間變化的規(guī)律；另外EMTDC/PSCAD還可以廣泛的應(yīng)用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計、電力系統(tǒng)諧波分析及其電力電子仿真。軟件還可以作為實(shí)時數(shù)字仿真器（Real Time Digital Simulator，RTDS）的前置端(Front End)。此外，EMTDC/PSCAD還具有強(qiáng)大的自定義功能，用戶可以根據(jù)自己的需要創(chuàng)建具有特定功能的裝置。實(shí)時回放系統(tǒng)（RTP）是基于EMTDC/PSCAD軟件的測試系統(tǒng)，它可以結(jié)合EMTDC/PSCAD計算產(chǎn)生的結(jié)果（信號）來測試?yán)^電保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。4.2兩相短路故障的仿真4.2.1正常情況的仿真分析可以看到系統(tǒng)正常時其電壓電流的波形如下。(1)電壓波形圖4.1 正常時電壓圖（2）電流波形圖4.2 正常時電流波形圖4.2.2 兩相短路的仿真(1)電壓波形圖4.3 兩相短路時電壓波形圖(2)電流波形圖4.4 兩相短路時電流波形圖就整個仿真過程中而言，我們遇到了一些小小的問題，比如進(jìn)行編譯時提示有錯誤，我們通過錯誤提示找到問題所在，原來是測量裝置的信號標(biāo)簽沒有和圖對應(yīng)好，標(biāo)簽的命名也有一定要求，最后通過更改信號標(biāo)簽了，實(shí)現(xiàn)了仿真。5總結(jié)我組的任務(wù)是對3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)進(jìn)行短路電流計算。主要是進(jìn)行設(shè)計圖的設(shè)計。可以說，首先接到這種題目，要用PSCAD去進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真，我實(shí)在是不知從何下手，通過去圖書館借了一些有關(guān)PSCAD的書及到網(wǎng)上下一些資料來完成這些初步工作的。接下來就是畫出一個設(shè)計圖，然后根據(jù)一些資料進(jìn)行修改。后來發(fā)現(xiàn)老是有錯誤，無法仿真，好在后來老師發(fā)來的參考資料才弄出來。不過做出來的時候卻發(fā)現(xiàn)雖然能仿真出來但不清楚該怎么讀圖，好在看了一下參考書籍才弄清楚?？傊@次課程設(shè)計收獲蠻大的，對PSCAD軟件