高等電力系統(tǒng)分析暫態(tài)部分大作業(yè)

1、高等電力系統(tǒng)分析暫態(tài)部分大作業(yè) 題目8:綜述基于暫態(tài)能量函數(shù)法的暫態(tài)穩(wěn)定分析模型，包括單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)。求解電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題的方法主要有兩種：一是時(shí)域仿真法(time domain simulation method)，又稱(chēng)逐步積分法(step by step)。對(duì)微分方程采用數(shù)值積分(或稱(chēng)逐步積分法，簡(jiǎn)稱(chēng)SBS法)與代數(shù)方程聯(lián)立求解，按時(shí)間對(duì)受擾系統(tǒng)中各種變量的變化進(jìn)行跟蹤仿真，即逐步求得系統(tǒng)狀態(tài)變量和代數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線，并根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子搖擺曲線來(lái)判別系統(tǒng)在大擾動(dòng)下能否保持同步運(yùn)行，即暫態(tài)穩(wěn)定性。二是基于李雅普諾夫(Lyapunov)穩(wěn)定理論的直接法，主要是以求取系統(tǒng)能量函數(shù)

2、，通過(guò)在故障階段結(jié)束時(shí)(故障清除時(shí)刻)的系統(tǒng)暫態(tài)能量，與臨界能量相比較，直接評(píng)定系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，估算穩(wěn)定域邊界臨界能量以判斷穩(wěn)定性的各種方法。李雅普諾夫直接法(簡(jiǎn)稱(chēng)直接法)指出：“對(duì)于一個(gè)自由的(無(wú)外力作用的)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，若系統(tǒng)的總能量，X為系統(tǒng)狀態(tài)向量隨時(shí)間的變化率恒為負(fù)，則系統(tǒng)總能量不斷減少直至最終達(dá)到一個(gè)最小值，即平衡狀態(tài)，則此系統(tǒng)是穩(wěn)定的?！?、單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的直接法暫穩(wěn)分析發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典二階模型，簡(jiǎn)單系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定分析通常做如下假定：(1) 簡(jiǎn)單系統(tǒng)、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)：定子繞組方程可用功角特性表示。(2) 不考慮調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)方程，發(fā)電機(jī)機(jī)械功率恒定凡Pm=C常數(shù)。(3) 不考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3、，凡恒定。單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析接線圖如下：圖1 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析系統(tǒng)接線圖圖2 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析功率特性曲線將直接法用于單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，首先要建立單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1，發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典二階模型，設(shè)發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗后的內(nèi)電動(dòng)勢(shì)為恒定值，并設(shè)機(jī)械功率為恒定值，則系統(tǒng)的標(biāo)么值數(shù)學(xué)模型為： (1.1)其中發(fā)電機(jī)的電磁功率表示為： (1.2)式中：_轉(zhuǎn)子角速度和同步速的偏差，穩(wěn)態(tài)時(shí)值為零；_發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角；_發(fā)電機(jī)機(jī)械功率；_電磁功率；E_發(fā)電機(jī)內(nèi)電動(dòng)勢(shì)復(fù)數(shù)相量；U00_無(wú)窮大母線參考電壓相量；X_E及 U00兩量間的等值電抗，這里設(shè)兩電動(dòng)勢(shì)間的等值電阻近似

4、為零。以下為各種運(yùn)行情況下的功率特性分析：(一)、正常運(yùn)行情況圖3 正常運(yùn)行情況下的等值電路此時(shí)，系統(tǒng)的總電抗： (1.3)則電磁功率特性為： (1.4)(二)、故障情況圖4 故障情況下的等值電路發(fā)生短路時(shí)，根據(jù)正序等效定則，在正常等值電路中的短路點(diǎn)接入附加電抗X，就得到故障情況下的等值電路，如圖(2-4)所示。此時(shí)，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)移電抗為： (1.5)發(fā)電機(jī)的功率特性為： (1.6)由于,因此，短路時(shí)的功率特性比正常運(yùn)行時(shí)的要低，如圖2。(三)、故障切除后故障切除后的等值電路，如圖5所示 圖5 故障切除后的等值電路此時(shí)，系統(tǒng)的總電抗： X= (1.7)功率特性為：P (1.8)一般情況下

5、，因此介于也和之間。發(fā)電機(jī)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程描述如下： (1.9)寫(xiě)為狀態(tài)方程： (1.10)令=TJ)，=D, ，為簡(jiǎn)化書(shū)寫(xiě)，以后將寫(xiě)為，則式(1.9)、(1.10)化為 (1.11) (1.12)表示轉(zhuǎn)子與同步旋轉(zhuǎn)參考軸之間的相對(duì)速度。由上式可以導(dǎo)出： (1.13)系統(tǒng)故障及故障切除后的功角曲線如圖1-2所示，圖中為故障前系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，為系統(tǒng)故障切除點(diǎn)，對(duì)于故障切除后的系統(tǒng)，為系統(tǒng)故障切除后新的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，其穩(wěn)定平衡點(diǎn)為S點(diǎn)，不穩(wěn)定平衡點(diǎn)為U點(diǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子角為，在這兩點(diǎn)均有發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率平衡。用直接法作暫態(tài)分析時(shí)，先定義系統(tǒng)的暫態(tài)能量函數(shù)，下面根據(jù)式(1.6)來(lái)確定

6、系統(tǒng)故障切除后的暫態(tài)能量函數(shù)V，故障切除后系統(tǒng)的暫態(tài)能量函數(shù)V由動(dòng)能和勢(shì)能決定。 (1.14) 通常設(shè)系統(tǒng)動(dòng)能為，顯然穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)于故障切除時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)能可通過(guò)對(duì)式(1.6) 的加速度方程兩邊對(duì)占積分而求得，即根據(jù)及，有，定義系統(tǒng)的勢(shì)能為故障切除后系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)S為參考點(diǎn)的減速面積，它反映了系統(tǒng)吸收轉(zhuǎn)子動(dòng)能的性能，則故障切除后的勢(shì)能為: (1.15)系統(tǒng)在故障切除后的總暫態(tài)能量 (1.16)至此不考慮發(fā)電機(jī)阻尼系數(shù)的暫態(tài)能量函數(shù)得以確定。2、兩機(jī)系統(tǒng)的直接法 對(duì)于兩機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)采用經(jīng)典模型時(shí)，可以分別列出故障切除后各臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程， (2.1) 式中：分別為發(fā)電機(jī)1和2暫態(tài)電抗后的電勢(shì)；為

7、兩發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)角度，即；和分別為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)節(jié)點(diǎn)自電導(dǎo)、互電導(dǎo)和互電納。由上列方程不難導(dǎo)出 (2.2) 式中、和僅取決于，和因此他們都是常數(shù)。 現(xiàn)在，令和，則式(2.2)便與式(1.12)具有相同的形式。換言之，兩機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上可以轉(zhuǎn)化為等值的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，只是應(yīng)該注意，現(xiàn)在中包含了一項(xiàng)，但這無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樵诠收锨谐院蟮乃袝r(shí)間內(nèi)都保持恒定，只要在決定礦時(shí)將故障切除瞬間的便可。實(shí)際上，在單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)中，如果考慮元件的電阻，則相應(yīng)的方程式便與式(2.2)的情況相同。 這樣，前面對(duì)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)所介紹的各種概念、原理、方法和結(jié)果便完全可以推廣到兩機(jī)系統(tǒng)。其存在的主要問(wèn)題是： 求解電力系統(tǒng)

8、穩(wěn)定域的復(fù)雜性； 解析暫態(tài)能量函數(shù)式的困難性； 識(shí)別臨界機(jī)群的有效性。 題目13：獨(dú)立簡(jiǎn)單分布式能源系統(tǒng)工作模式及暫態(tài)過(guò)程分析。獨(dú)立能源系統(tǒng)由小型水電站、風(fēng)力電站、太陽(yáng)能電站組成；從穩(wěn)定性的角度論述其合理的發(fā)電容量組成及可能的暫態(tài)過(guò)程，并分析提高其穩(wěn)定性的措施有哪些？網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：分布式能源系統(tǒng)直接安裝在用戶(hù)端，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)能源實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，減少中間輸送環(huán)節(jié)損耗，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。分布式能源系統(tǒng)直接為附近的用戶(hù)供電，發(fā)電設(shè)施規(guī)模一般較小，目前主要有小燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、小燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、小水電、燃料電池發(fā)電以及太陽(yáng)能光伏發(fā)電等形式。分布式能源系統(tǒng)發(fā)電在我國(guó)主要有獨(dú)立運(yùn)行模式和與公用電網(wǎng)聯(lián)

9、網(wǎng)運(yùn)行模式兩種。 獨(dú)立運(yùn)行模式主要用于大電網(wǎng)覆蓋不到的邊遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)牧區(qū)，由分布式能源系統(tǒng)單獨(dú)供電。我國(guó)在近、中期應(yīng)高度重視獨(dú)立運(yùn)行模式的發(fā)展，這對(duì)于解決“三農(nóng)”問(wèn)題有重要意義。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式主要用于電網(wǎng)中負(fù)荷快速增長(zhǎng)區(qū)域和重要的負(fù)荷區(qū)域，分布式能源系統(tǒng)電源接入公用電網(wǎng)的配電網(wǎng)或者負(fù)荷安裝處，與公用電網(wǎng)一起向負(fù)荷供電。為了保證用戶(hù)的供電可靠性，采用聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式是分布式能源系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的主要形式。下面結(jié)合某一地區(qū)的具體情況，介紹并分析以風(fēng)光水互補(bǔ)的獨(dú)立的分布式能源系統(tǒng)。1 ）氣象數(shù)據(jù)（取自密云鎮(zhèn)氣象站） 密云鎮(zhèn)位于北緯40°23，東徑116°52 ，海拔71.8 m，常年平均風(fēng)速

10、3.35 m/s，年平均降水量638.8 mm，年輻射量5508.5 。 2 ）負(fù)荷數(shù)據(jù) 根據(jù)實(shí)際調(diào)研估算，當(dāng)?shù)叵募救掌骄?fù)荷為605 W，日用電量14.525 kW·h；其他季節(jié)日平均負(fù)荷為397W，日用電量9.525 kW·h 。典型日負(fù)荷曲線如圖1所示。3 ）算法初始設(shè)定條件 蒙特卡羅模擬次數(shù)為1000，目標(biāo)函數(shù)和約束條件的置信水平均取 90% ，遺傳算法種群規(guī)模為30 ，最大遺傳代數(shù)為100。 設(shè)定農(nóng)戶(hù)對(duì)配置的要求分別有以下3 種，投資5萬(wàn)元以?xún)?nèi)缺電率最低；缺電率10%以?xún)?nèi)投資最少；資源利用率90% 以上綜合指標(biāo)最優(yōu)。通過(guò)計(jì)算選得最優(yōu)方案為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)：100*4/

11、W水力發(fā)電機(jī)：200/W太陽(yáng)能電池：400/W蓄電池：150/Ah缺電率：9.06%資源利用率：90.16%算法詳見(jiàn)參考資料1逆變器的選擇：取用電負(fù)載功率的3倍為逆變器功率，容量選用2 kW。工作模式從系統(tǒng)穩(wěn)定角度，結(jié)合供電可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性要求，對(duì)該獨(dú)立運(yùn)行的分布系統(tǒng)工作模式分析如下：1、工作模式一風(fēng)力資源和光資源在不同的季節(jié)、天氣條件下分布不同，具有一定的互補(bǔ)性，充分利用風(fēng)能和光能資源的互補(bǔ)性進(jìn)行發(fā)電，可減少采用單一資源的電力供應(yīng)不足或不平衡 分析用戶(hù)的用電負(fù)荷的特征，通過(guò)風(fēng)能發(fā)電和光能發(fā)電合理配置，可最大限度地符合用電負(fù)荷的特征，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間供用電平衡，這樣既減少了蓄電池和抽水蓄能的容

12、量 降低系統(tǒng)的成本，又縮短了儲(chǔ)能設(shè)備工作時(shí)間，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，提高了經(jīng)濟(jì)效益。2、工作模式二利用蓄電池充放電電壓等值于太陽(yáng)能發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電整流后的電壓這一特性，此工作模式用蓄電池與能量交換直流平臺(tái)直接相連，減少了整流逆變?cè)O(shè)備投資。當(dāng)太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電的總量大于負(fù)荷用電，并且太陽(yáng)能發(fā)電有較多余量時(shí)，直接對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，把多余的太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存下來(lái); 當(dāng)太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電的總量小于負(fù)荷用電，并且負(fù)荷用電突然變化，變化量又較大時(shí)，可利用蓄電池補(bǔ)充虧損的電能，系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)用戶(hù)不間斷供電，可保證供電的可靠性。3、工作模式三當(dāng)太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電總量與負(fù)荷用電不平衡，而能量交換平臺(tái)監(jiān)測(cè)到負(fù)荷

13、波動(dòng)較小時(shí)，可以啟動(dòng)抽水蓄能裝置開(kāi)閘放水，利用水輪機(jī)發(fā)電來(lái)填補(bǔ)負(fù)荷的波動(dòng)，由于水輪機(jī)發(fā)電電壓、頻率穩(wěn)定，可以直接供給負(fù)荷用電; 也可以通過(guò)整流匯總到能量交換平臺(tái)再對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電，保證了電能的質(zhì)量和連續(xù)性。4、工作模式四當(dāng)太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電的總量大于負(fù)荷用電，并且風(fēng)能發(fā)電有較多余量時(shí)，通過(guò)微機(jī)控制系統(tǒng)可使風(fēng)力發(fā)電輸出的交流電直接帶動(dòng)抽水蓄能裝置，把下游的水抽到上游水庫(kù)，把多余的風(fēng)能以水勢(shì)能的形式儲(chǔ)存下來(lái) 該過(guò)程不經(jīng)過(guò)整流逆變環(huán)節(jié)，既減輕了線路負(fù)荷 減少了線路損耗，又削弱了電壓的波動(dòng)，同時(shí)可以提高風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速，有效地提高了風(fēng)能利用的效率。另外，該系統(tǒng)還有多種工作模式，例如抽水蓄能電站的水泵由負(fù)荷側(cè)

14、供電而啟動(dòng)抽水，作為負(fù)荷使能量均衡；當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，可以使線路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能-電能-水能-電能轉(zhuǎn)化過(guò)程，在故障狀態(tài)下仍能保證供電的可靠性。多種工作模式相互配合 靈活切換實(shí)現(xiàn)了能量的充分利用，降低系統(tǒng)成本，使風(fēng)-光-水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)更為安全、可靠，電能質(zhì)量更好。從其工作模式來(lái)看，合理的發(fā)電機(jī)容量比可選為：風(fēng)：水：光=3:2:5或5:3:2或4:2:2但不同地區(qū)資源分布不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以分析計(jì)算。暫態(tài)過(guò)程與穩(wěn)定性分析獨(dú)立工作模式下，分布式發(fā)電機(jī)輸出恒定有功功率和無(wú)功功率。如果輸出的功率低于額定負(fù)載，電力系統(tǒng)頻率和電壓水平將下降，如果發(fā)電超過(guò)額定負(fù)載的電力系統(tǒng)頻率和電壓等級(jí)將會(huì)增加，以上兩種

15、情況將導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定的狀態(tài)。即使這時(shí)產(chǎn)生的功率等于負(fù)載額定功率。由于缺乏慣性，負(fù)載波動(dòng)仍然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在孤島運(yùn)行的分布式發(fā)電機(jī)必須采取相應(yīng)的措施來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓水平。所以當(dāng)從公用電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，把分布式發(fā)電機(jī)切換到恒定電壓控制。如果在微網(wǎng)擁有多個(gè)分布式發(fā)電機(jī)，如在本例中，光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍采用恒定的輸出功率控制策略，由于初級(jí)能源：太陽(yáng)能和風(fēng)能，不能輕易控制。微型水輪渦輪機(jī)應(yīng)切換到恒定的電壓控制模式的有功功率和無(wú)功功率補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)，分布式發(fā)電容量小于額定容量的負(fù)載，無(wú)論控制策略，孤島運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)不能保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在獨(dú)立運(yùn)行模式下，要保證對(duì)重要的負(fù)荷提供電源。次要的

16、負(fù)荷脫離電網(wǎng)，但保持一定的電源支持。分布式供電系統(tǒng)是由很多個(gè)子系統(tǒng)組成的，由于子系統(tǒng)通常情況下都是基于它本身的要求來(lái)設(shè)計(jì)的，當(dāng)不同的子系統(tǒng)級(jí)聯(lián)的時(shí)候，系統(tǒng)就有可能性能下降，甚至不穩(wěn)定。對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的判斷方法可以采用的是阻抗分析法，分別測(cè)量電源模塊的輸出阻抗Z1和負(fù)載模塊的輸入阻抗Z2，在計(jì)算兩個(gè)阻抗的比值。如果環(huán)路增益T= Z1Z2滿足奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，即滿足T1，那么系統(tǒng)就是穩(wěn)定的；假如不滿足以上條件，系統(tǒng)就不具有足夠的穩(wěn)定裕量。如果在設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠滿足阻抗規(guī)范說(shuō)明，就可以大大減小系統(tǒng)級(jí)聯(lián)是性能下降甚至不穩(wěn)定情況的發(fā)生。對(duì)于大部分負(fù)載系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，均是由多個(gè)子模塊組成的，如果只對(duì)整體系統(tǒng)的阻抗

17、Z2進(jìn)行規(guī)范是不夠的，并不能保證系統(tǒng)是穩(wěn)定的。這種情況下就要對(duì)每個(gè)模塊的Z2分別進(jìn)行規(guī)范，才有可能保證整體系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕量。提高穩(wěn)定性的措施有：1） 合理配置各發(fā)電容量比；2） 選擇合理的工作模式；3） 合理選擇分布式發(fā)電機(jī)恒電壓發(fā)電與恒功率發(fā)電；4） 添加逆變裝置與無(wú)功補(bǔ)償裝置，并選擇其適當(dāng)容量。5） 選用恰當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ?，等等。另外，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)下的提高穩(wěn)定性的措施，在這同樣適用。如：自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，減小元件阻抗，提高系統(tǒng)電壓等。分布式電源的并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成重大影響，所以要提高穩(wěn)定性，必須從分布式電源的并網(wǎng)技術(shù)入手。微網(wǎng)技術(shù)的提出實(shí)現(xiàn)了分布式發(fā)電技術(shù)的靈活、高效應(yīng)用，提高分布式電源

18、的利用率，避免間歇式電源對(duì)周?chē)脩?hù)電能質(zhì)量的影響，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。控制策略1、控制策略經(jīng)營(yíng)目標(biāo)當(dāng)電壓跌落，升高，不平衡和諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題或定期維修發(fā)生，微電網(wǎng)過(guò)渡到孤島的運(yùn)作模式。此時(shí)，電壓和頻率將由內(nèi)部微源的控制。微源采取VF控制參與的有功和無(wú)功調(diào)節(jié)維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定。能源管理系統(tǒng)往往使用V/F方式調(diào)整微源的典型工作模式和中斷正常負(fù)載和其他措施，以確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。2、能量管理協(xié)調(diào)方案1）可中斷負(fù)荷應(yīng)該被切除，以確保敏感負(fù)載由微網(wǎng)，可靠的電力供應(yīng)，并確保敏感負(fù)載的正常運(yùn)行；2）據(jù)儲(chǔ)能的運(yùn)行狀態(tài)，它可以管理電源開(kāi)關(guān)和小型渦輪機(jī)發(fā)電容量。作為儲(chǔ)能裝置所吸收的能量的一部分，取出小型渦輪機(jī)的一部分。作為能源存儲(chǔ)設(shè)備，輸入電源的微型燃?xì)廨啓C(jī)的一部分釋放的能量；3