基于PSCAD的电力系统暂态分析课程设计

基于PSCAD的电力系统暂态分析课程设计 1 绪论 1.1意义及背景 暂态是电力系统运行状态之一,由于受到扰动系统运行参量将发生很大的变化，处于暂态过程;暂态过程有两种，一种是电力系统中的转动元件，如发电机和电动机，其暂态过程主要是由于机械转矩和电磁转矩(或功率)之间的不平衡而引起的，通常称为机电过程，即机电暂态，另一种是变压器、输电线等元件中，由于并不牵涉角位移、角速度等机械量，故其暂态过程称为电磁过程，即电磁暂态。同时它又是研究电力系统的一项重要分析功能，是进行故障计算，继电保护鉴定，安全分析的工具。在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用电力系统短路计算来定量的比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性。在三相系统中，短路故障又可分成三相短路、两相短路、单相短路、单相接地短路、两相接地短路等多种。当电路发生短路时，能使导体温度迅速升高，绝缘破坏，甚至使导体发红，熔化，导致设备损坏。高压电网的短路故障可引起电网瓦解。短路产生的电弧、火花可引发火灾、爆炸、电伤等恶性事故。 最初，电力系统短路计算是通过人工手算的。后来为了适应电力系统日益发展的需要，采用了交流计算台。随着电子数字计算机的出现，1956 年 Ward 等人编制了实际可行的计算机短路计算仿真软件。这样，就为日趋复杂的大规模电力系统 提供了极其有力的计算手段。经过几十年的时间，电力系统短路计算已经发展得十分成熟。 1.2 国内外电力系统发展现状 1995年全世界的发电装机总容量为30.0亿kW，1998年为32.5kW。全世界人均用电量为2400kW?h。预计在1995,2020年的25年中，世界能源消耗将增加50%，电能消耗将翻一番，装机总容量达到60.0亿kW。这期间，电力建设投资需要330000亿美元。这就意味着每增加1kW电力，需要投资900美元。 20世纪70年代以前，世界电力处于大发展时间，那时电力年增长速度达7%。在这之后电力发展开始减慢，特别是发达国家，电力增长速度降为1%~3%，而发展中国家电力增长速度加快，达到3%~5%，特别是中国和印度。世界电力发展速度并不平衡，现在还有20亿人口未用上电。 .. .. 中国电力工业始于1882年，至1999年已有117年历史。在此百余年中，中国电力工业的状况无不与当时的历史背景和时代特点紧密联系。旧中国67年的电力工业史，道路坎坷，步履蹒跚，至1949年全国装机容量仅为184.86万千瓦，年发电量为43.10亿千瓦时。新中国成立后，中国政府一直把电力工业作为国民经济的先行基础产业，并制定了一系列发展电力工业的方针政策。经全国电业职工的不懈努力，一座座火电厂拔地而起，一座座水电站横波卧浪，一条条输电线路纵横中国大地。到1998年底，全国发电装机容量已达2.77亿千瓦，年发电量已达11580亿千瓦时，分别由1949年的世界第21位和第25位均跃升为世界第2位，形成了一个较为完整的初步现代化的电力工业体系，为中国经济的发展和人民生活水平的提高作出了卓越的贡献。其发展标志主要是: —电源结构不断改善。从80年代开始，火电建设就进入了大机组、大容量、高参数阶段。至今全国已投入运行的60万千瓦及以上的大机组已有17台，正在建设的有27台，其中绥中电厂80万千瓦机组即将投产;水电建设，以浙江新安江水电站为起点，随着刘家峡、龙羊峡、二滩、天生桥一级和广州抽水蓄能电站等大型水电站的建成投产，全国水电装机容量已达6300万千瓦。占全国发电总装机容量的23.5,;以秦山和大亚湾核电站的建成投入运行为标志;中国从此结束了无核电的历史;同时，风能、地热、潮汐和太阳能等新能源发电有了较大发展。 —电网规模不断扩大。在加快电源建设的同时，加强了电网的同步建设。到1998年底，中国已拥有500千伏输电线路20093公里、330千伏输电线路7291公里，220千伏及以上变电设备容量达31958万千伏安，形成了东北、华北、华东、华中、西北六个跨省(区、市)电网和6个各自独立的省(区、市)电网，覆盖了全国所有城市和绝大部分乡镇农村。随着长江三峡工程的兴建和建成，中国电网即将进入大区电网互联，形成全国统一联合电网，实现全国范围内资源优化配置的新阶段。 —电力技术和管理水平明显提高。目前，中国已掌握30万、50万和超临界60万千瓦火电机组的设计、制造、安装运行技术和百万千瓦级核电机组的安装运行技术;掌握了180米级各类大坝的建筑技术。全国百万千瓦以上的大型发电厂已有68座。 .. .. 新中国成立50年来，在大力发展电力工业的同时，中国政府十分重视环境保护和电力国际科技与经济合作交流。1997年颁布了《中国电力工业的发展与环境》白皮书，进一步确立了电力工业可持续发展战略，全面推进电力工业快速、持续、健康发展;中共十一届三中全会实行对外开放政策后，电力工业的国际合作范围逐步扩大，从引进国外技术、管理经验和发电设备，到利用国外资金办电，有力地促进了自身的发展。 根据中国2010年电力发展远景规划，到2010年全国发电装机总容量将达到5亿千瓦左右，实现全国联网，全国农村基本实现电气化。 欧盟指令对欧洲电力市场造成的影响主要有:分开会计账目的规定迫使许多公司就发电、输电和配电业务成立不同的法人实体;行业并购和重组增加;公司开始从技术推动市场策略向以市场为主导的业务阶段过渡;消除了欧洲共同体间内部贸易的壁垒，竞争促进了价格的下降。 为解决国与国之间电网互联薄弱，线路堵塞的问题，加快欧洲统一市场建设，实现更大范围内的资源优化配置，欧洲正努力加强国与国之间的联网建设。他们认为同步电网没有界限，越大越好。因此，除加强欧洲大陆联网建设外，他们还计划建设环地中海电网，将北非、中东等二十几个国家电网连接到一起，实现优势互补。 1.3 课题要求及课题内容 (1)熟悉PSCAD软件; (2)编写潮流计算流程图; (3)建立系统接线图的仿真过程; 4)得出仿真结果。 ( 内容为如图1.1所示，此测试电力系统由三个控制区域组成，区域1是一种典型供电系统，总装机容量为5700MVA、最大负荷为5000MW，大部分装机容量距离负荷相对较近，即接于母线3容量为4400MVA的发电厂。另外，1300MVA是离负荷较远的核电机组，通过长距离500KV线路向负荷送电。区域2代表附近地区的总装机容量和总负荷，此系统总装机容量为60000MVA，最大负荷为40000MW。区域2通过2条500KV线路与区域1相连。区域3是一个大规模相邻系统，装机容量为70000MVA，最大负荷为50000MW，此区域也通过2条500KV.. .. 线路与区域1相连。试求:计算母线8和母线9之间线路之间F的中点发生短路的短路电流。 图1.1 简单电力系统接线图 1.4 课题目的 (1)掌握电力系统短路电流计算的基本原理; (2)掌握并能熟练运用PSCAD软件; (3)通过课程设计,使学生巩固电力系统三相对称短路和不对称短路计算的基本原理与方法，掌握短路电流的数值求解方法。让学生掌握用计算机仿真分析电力系统的方法。同时，通过软件开发，也有助于计算机操作能力和软件开发能力的提高。 .. .. 2 电力系统短路的暂态分析 2.1电力系统短路类型分类 在电力系统的运行过程中,时常会发生故障,如短路故障、断线故障等。其中大多数是短路故障(简称短路)。所谓短路,是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地(或中性线)之间的连接。在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。表2-1示出三相系统中短路的基本类型。电力系统的运行经验表明，单相短路接地占大多数。三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路;其它几种短路均使三相回路不对称，故称为不对称短路。上述各种短路均是指在同一地点短路,实际上也可能是在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点短路。产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被损坏。 表2-1 短路类型 短路种类 短路类型 示意图 符号 (3)对称短路 三相短路 f (1)单相接地短路 f (2)两相短路 f不对称短路 (1,1)两相接地短路 f 短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。在发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使短路回路中的短路电流值大大增加，可能超过该回路的额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离愈近(即阻抗愈小)，短路电流愈大。 .. .. 2.2电力系统三相短路分析 简单三相电路中发生突然对称短路的暂态过程图2-1所示。在此电路中假设电源电压幅值和频率均为恒定，这种电源称为无限大功率电源。实际上，真正的无限大功率电源是没有的，而只能是一个相对的概念，往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断电源能否作为无限大功率电源。若供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时，则可认为供电电源为无限大功率电源。在这种情况下，外电路发生短路对电源影响很小，可近似地认为电源电压幅值和频率保持恒定。 图2-1 无限大功率电源供电的三相电路突然短路 对于图2-1所示的三相电路，短路发生前，电路处于稳态，其a相的电流表达式为: i,Isin(,t，,,,) (2-1) am00 UmI,式中 0m222,,(R，R)，,(L，L) ,,(L，L),arctg, 0,(R，R) 当在点突然发生三相短路时，这个电路即被分成两个独立的回路。左边的f 回路仍与电源连接，而右边的回路则变为没有电源的回路。在右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断地衰减，一直衰减到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。在与电源相连的左边回路中，每相阻抗由原.. .. ,,RRjLL，，，,来的减小为，其稳态电流值必将增大。短路暂态过RjL，,，，，， 程的分析与计算就是针对这一回路的。 假定短路在t=0秒时发生，由于电路仍为对称，可以只研究其中的一相，例如a相，其电流的瞬时值应满足如下微分方程: diaL，Ri,Usin(,t，,) (2-2) amdt 这是一个一阶常系数、线性非齐次的常微分方程，它的特解即为稳态短路电流i，又称交流分量或周期分量i为: pa,a Umi,i,sin(,t，,,,),Isin(,t，,,,) (2-3) ,apamZ 式中，Z为短路回路每相阻抗()的模值;为稳态短路电流和电源电,RjL，, L,arctg压间的相角();I为稳态短路电流的幅值。 mR 短路电流的自由分量衰减时间常数T为微分方程式(2-2)的特征根的负a 倒数，即: