电力系统毕业设计论文

1 第一章 概 述

第1。1节 稳定性概述

电力系统是由发电机、变压器、输电线路、用电设备组成的网络，它包括通过电的或机械的方式连接在网络中的所有设备.电力系统的运行状态由运行参量来描述。电力系统中同步发电机只有在同步运行状态下,其送出的电磁功率为定值，同时在电力系统中各节点的电压及各支路功率潮流也都是定值，这就是电力系统的稳定运行状态。反之，如果电力系统中各发电机不能保持同步，则发电机送出的电磁功率和全系统各节点的电压及支路的功率将发生很大幅度的波动.如果不能使电力系统中各发电机间恢复同步运行,电力系统将持续处于失步运行状态,即电力系统失去稳定状态。保证电力系统稳定是电力系统正常运行的必要条件。只有在保持电力系统稳定的条件下，电力系统才能不间断的向各类用户提供合乎质量要求的电能。

电力系统失去稳定的原因是在运行中不断受到内部和外部的干扰，小的负荷波动,大的如电力元件发生短路故障等，使电气连接在一起的各同步发电机的机械输入转矩与电磁转矩失去平衡。电力系统稳定一般按电力系统承受干扰的大小分为静态和暂态稳定两大类.在大的干扰下电力系统的运行参数将发生很大的偏移和振荡，所以必须考虑电力系统的非线性，从电力系统的机电暂态过程来判断系统的稳定性。

第1。2节 电力系统暂态稳定

电力系统在某一运行方式下，受到外界大干扰后，经过一个机电暂

态过程，能够恢复到原始稳定运行方式，则认为电力系统在这一运行方式下是暂态稳定的。电力系统暂态稳定性与干扰的形式有关，一般有三种形式：

1） 突然变化电力系统的结构特性,最常见的是短路,无故障断开线路也属于这一类干扰。

2） 突然增加或减少发电机出力，如切除一台容量较大的发电机。

3） 突然增加或减少大量负荷，如切除或投入一个大负荷.在电力系统受到大的干扰后,其机电暂态过程是一组非线性状态方程式，不能进行线性化，所以一般采用数值积分的时域分析法，将计算结果绘出运行参数对时间的曲线,用以判断电力系统的暂态稳定性。

第1。3节 电力系统稳定性的解决 2 根据不同的电力系统稳定问题及特点，可以采用不同的研究方法，.目前主要的方法是：

1）干扰下的电力系统稳定问题。可将电力系统的数学模型进行线性化处理，所以一般用频率法,即计算电力系统参数矩阵的特征值和特征相量，可以用来确定静态和动态稳定性，设计和整定各种提高电力系统稳定性的措施和自动调节装置等。

2）对大干扰下的稳定问题，由于要求解非线性方程组，目前几乎无例外地采用时域法即用各种数值积分的方法。

但是,随着电力系统的发展,运行方式的复杂多变新的机组设备及自动调节和控制装置的投入，各种控制系统和机械--电气系统间的相互作用，以及对电力系统供电安全性要求的日益提高，对电力系统稳定性的研究提出了一系列新的问题。当今电力系统稳定性的问题已是一个多元的问题，它涉及不同的网络结构、运行方式、控制方式及参数、故障条件、过程的时间跨度等，如加上工程和经济上的考虑,往往是一个十分复杂和得不到一个唯一解决的问题。因此，要求进一步发展有关研究电力系统稳定性的理论及分析方法，以适应不断变化的需要。

应用任何一种方法来研究电力系统稳定性问题,都是一种数学模拟，即用数学模型来研究物理现象的过程.所以，在研究电力系统稳定性问题时，首先要建立电力系统的数学模型，将表示电力系统特征的主要变量用合适的数学公式联系起来，一般用一组代数方程和一组微分方程的函数关系来表示.建立数学模型不仅是简单的选择若干数学公式，而主要是对电力系统物理过程的正确和抽象化。在以科学研究为目的时常常希望用数学模拟的方法尽可能准确地再现某一物理过程.这时,在构成数学模型时不仅要考虑主要因素，也要计及次要因素，最大可能使计算结果与实际过程相符合.但是精确的数学模型往往导致复杂化。在实际的工作中，人们要求所选择的数学模型在一定的范围内再现系统过程的实际变化规律。所以，要求在保持研究现象的主要方面和其重要规律的合理精确前提下，忽略一些不重要因素，经过合理的假设和简化,用合适的数学模型来描述。

在电力系统稳定性研究中，根据所研究的目的和要求,以及各个不同元件在整个过程中的作用，可以选择不同详尽程度的数学模型，同时考虑到获得这些模型相应的设计或实测参数的可能性。

在本次设计中，根据设计需要我们选择了简化模型，其更加详细的在后面各节中有详细的介绍.而本次设计,主要采用了牛顿迭代法，数值积分法对简化模型进行了编程计算，并且对结果进行分析，得到提高暂态稳定性的能力的措施和方法。

第三章 数学模型的建立 3 第3.1节 发电机的数学模型

在本次的设计中，对发电机数学模型要求了两个方程式分别为电磁功率方程和转子运动方程式；在对两公式进行推导的过程中用到了如下一关系式:(如图)

q

U

I x

d

cossinsincosqxydUUUU （3.1）

cossinsincosxqydIIII (3。2）

以上两式是电机学中DQ轴和XY轴之间的关系。

3。1.1．电磁功率

(1）发电机等效电路图（以凸极机为例）:

E UG U

',,dqdxxx ex

（2)向量图（以凸极机为例)

Eq

U

I

(3)方程式的建立（以凸极机为例）：

由上图可以得到：

sinqqIxU （3。3）

cosddqIxEU 4 当发电机等效电阻被略去时

coscos()cossineqdPPUIUIUIUI

将（3。3）式代入得:

2()sinsin22qdqeddqEUUxxPxxx (3。4)

同样由图可得：

''cos''dddqqddxxxEEUxx （3.5）

由式(3.4）和（3.5)联立有:

'''qddqdqqddqEUUUUUPExxx (3.6）

上式即为发电机电磁功率方程式。

然而在本次设计中多机系统，假设发电机以一个等值电抗和该电抗后的电动势来表示'E和'dx。假定除了发电机节点外,已消去了网络中其他的中间节点，则任一发电机的电磁功率为:

.21Re()sin()GEiiiiijijijijiJJiPEGEEYiIE

式中ijY为发电机电动势节点I和j之间的互导纳，ijY为ijY的模值。G为发电机的台数；ij为iE和jE相量之间的夹角，即ij。i和j为电动势的相对于某一相对向量的夹角;ij为1/ijijtgGB。

上式表明，任一发电机发出的电磁功率是该发电机电动势相对于其他发电机电动势向量的相角差的函数。

3.1。2．转子运动方程

根据旋转物体力学可以直接写出发电机的转子关系式:

meJTTT (3。7)

式中： J ————转子的转动惯量

mT —-原动机转矩，

eT--发电机电磁转矩

 -—转子机械角加速度,

5 ↑ 转子q 轴

同步参考轴

空间固定参考轴

由左图可以得到：0wt (3.8）

00t



所以： dwdt （3.9)

2222ddddtdtdt （3。10）

若的单位为电弧度则:(3。7）式应为：

02*BJdTPSdt ( 3。11)

式中P为电机机对数。

取转矩基准值 0(/)BBTSWP，BS为基准功率值（KVA）

以BT去除（3.10）式两边，得出以标么值表示的运动方程式为：

02*BJdMTtdwPSdtT

上式由此可以写成为: 02*BJdMTtdwPSdtT

其中：02BJMPS

假设在转子旋转上施以一个单位标么值的转矩，*1T ，则：

000tMdMM (3。12）

M是以秒为单位的惯性常数。它表示在发电机转子上施以一个单位标么值的转矩，将转子有静止(w=0)拖动到同步转速（0w）所需的时间SM为 6 22223302322()2.760(10)10410BBBnpJDGDnMGPSSPS

式中： 2GD —-电机转子转动惯量

n -—电机的额定转速，

于是，发电机转子运动方程可以表示为:

22dMTdt （3.13）

*0JTdwTwdt*0/BBTPPSS

式中：的单位是电弧度；M值是以电机额定功率KVA为基准的。

如果计算中不以电机额定功率为基准,则应根据所取得基准进行换算。

对以上所推得的转子运动方程利用分段计算法可以求得计算机程序得以实现的方法为：

2()(1)(1)kkNkJtwpT (3.14）

()(1)()kkk (3.15）

第3。2节 负荷数学模型

在本次设计中，负荷采用恒定阻抗表示，分为正序阻抗和负序阻抗。

3。2。1，正序阻抗

因为 LLSPjQSUIIUU

所以 211LLLLLLPjQIUUZUPjQZI （3 -— 16）

3。2。2.负序阻抗

负序阻抗用一个经验公式来表示： 2110.05*0.35*0.35LLLZZjZ (3 —— 17）

7 第3.3节 网络的数学模型

3.3.1.导纳矩阵的形成

电力网络是一个线性网络。线性网络可以进行线形变换。利用对称分量法,abc三相电力网络可以变换为120三序网络。设三相网络导纳型网络方程为

式中 ()abcU-———网络节点三相电压 列向量

()abcI————网络节点三相电流列向量

()abcY—-——网络节点三相导纳列向量

设网络节点数为n。每个节点都有abc三相，因此，()abcU和()abcI均为3n维向量，()abcY为33nn维矩阵。

网络节点三相电压列向量()abcU、注入电流列向量()abcI分别与节点三序电压列向量(120)U,注入电流列向量(120)I有如下关系：

()(120)abcAUTU

()(120)abcAITI

其中AT是三相量和三序量的变换矩阵,维数是 ，它是对角元素为T的对角矩阵.2211111Taaaa