電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析課程設計

1、1 緒論電力工業(yè)發(fā)展初期，電能是直接在用戶附近的發(fā)電站（或稱發(fā)電廠）中生產的，各發(fā)電站孤立運行。隨著工農業(yè)生產和城市的發(fā)展，電能的需要量迅速增加，而熱能資源和水能資源豐富的地區(qū)又往往遠離用電比較集中的城市和工礦區(qū)，為了解決這個矛盾，就需要在動力資源豐富的地區(qū)建立大型發(fā)電站，然后將電能遠距離輸送給電力用戶。同時，為了提高供電的可靠性以及資源利用的綜合經濟性，又把許多分散的各種形式的發(fā)電站，通過送電線路和變電所聯系起來。這種由發(fā)電機、升壓和降壓變電所，送電線路以及用電設備有機連接起來的整體，即稱為電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)有兩種基本的運行狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)。電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，發(fā)電廠中原動機的輸入功率同輸

2、出功率相平衡，系統(tǒng)的頻率和電壓都是穩(wěn)定的。然而，這種運動中的穩(wěn)態(tài)，并不是絕對不變的。當系統(tǒng)受到某種干擾時，上述功率的平衡即被打破，運動狀態(tài)也將隨之而變。由于系統(tǒng)中包含有許多慣性元件，運動狀態(tài)的變化不能瞬時完成，而必須經歷一個過渡狀態(tài)，這種過渡狀態(tài)稱為暫態(tài)。由于實際的干擾總是有大有小，因此電力系統(tǒng)在經受干擾以后，其過渡的結局便有兩種可能性：一種情況是，系統(tǒng)從原來的穩(wěn)態(tài)過渡到另一種新的穩(wěn)態(tài)，其運行參數（電壓和頻率）相對于正常值的偏差能夠保持在一定的允許范圍內，系統(tǒng)仍能正常工作，正常運行中的電力系統(tǒng)，實際上就是經常處于這種較小的變動的過程中。另一種情況是，當電力系統(tǒng)發(fā)生各種故障的時候，系統(tǒng)的運行將經

3、歷劇烈的變化，所趨于的狀態(tài)，或者使其運行參數大大偏離正常值，以致電能質量嚴重變壞。短路故障計算 主要研究電力系統(tǒng)中發(fā)生故障（包括短路、斷線和非正常操作）時，故障電流、電壓及其在電力網中的分布。短路電流計算是故障分析的的主要內容。短路電流計算的目的，是確定短路故障的嚴重程度，選擇電氣設備參數。整定繼電保護，分析系統(tǒng)中負序及零序電流的分布，從而確定其對電氣設備和系統(tǒng)的影響。2 課題內容2.1 課題說明及要求電力系統(tǒng)的短路計算是電力系統(tǒng)最基本的計算，也是最重要的計算。本次課程設計主要是為了掌握電力系統(tǒng)短路計算的基本原理和熟練運用PSCAD仿真軟件，為以后的學習和工作打下基礎。課程設計的具體要求如下：

4、（1）熟悉PSCAD軟件；（2）了解短路計算的基本方法；（3）建立系統(tǒng)接線圖的仿真過程；（4）得出仿真結果。2.2 課題相關技術參數測試系統(tǒng)由三個控制區(qū)域組成，區(qū)域1 是一種典型供電系統(tǒng)，總裝機容量為5700MVA 、最大負荷為5000MW ，大部分裝機容量距離負荷相對較近，即接于母線3 容量為4400MVA 的發(fā)電廠。另外，1300MVA 是離負荷較遠的核電機組，通過長距離500kV 線路向負荷送電。區(qū)域2 代表附近地區(qū)的總裝機容量和總負荷，此系統(tǒng)總裝機容量為60000MVA ，最大負荷為40000MW 。區(qū)域2通過2 條500kV 線路與區(qū)域1 相連，即如圖2.1中所示的線路A 和線路B。

5、區(qū)域3 是一個大規(guī)模相鄰系統(tǒng)，裝機容量為70000MVA ，最大負荷為50000MW ，此區(qū)域也通過2 條500kV 線路與區(qū)域1 相連。此次進行短路計算是母線7 發(fā)生短路。圖2.1 測試系統(tǒng)3 短路計算3.1 短路計算的原因及分類所謂短路,指的是由于電力系統(tǒng)相與相之間或相與地之間的絕緣破壞后,形成了非正常的低阻抗通路。短路產生的原因來自于外部和內部。外部原因:雷電、風暴、環(huán)境污染和動物進入造成的絕緣破壞,如雷擊造成的閃絡放電或避雷器動作,大風造成架空斷線或導線覆冰引起電桿倒塌,如運行人員帶負荷拉刀閘,線路或設備檢修后未拆除接地線就加電壓,如挖溝損傷電流,鳥獸(包括蛇,鼠等)跨接在裸露的載流部

6、分等;內部原因:絕緣材料的老化破裂,如絕緣材料的自然老化,設計、安裝及維護不良等所造成的設備缺陷發(fā)展成短路等。按短路后的電路狀態(tài)區(qū)分,短路的形式有四種:三相短路,單相接地,兩相短路,兩相接地短路。其中三相短路后電路保持三相對稱狀態(tài),稱為對稱短路;其余的三種短路形式均稱為不對稱短路。按短路因素的持續(xù)時間、停電后短路狀態(tài)是否自動消除,將短路分為瞬時性短路和持續(xù)性短路兩種。例如,因動物進入帶電體間引起的短路,當動物被擊落或燒毀后,短路因素消失,停電后可立即恢復供電,因此稱為瞬時性短路。電氣設備絕緣破壞,輸電線倒桿引起的短路則是持續(xù)性短路。3.2 短路電流的危害短路電流可達幾十到幾百千安,因此造成很大

7、的危害。包括兩個階段的危害:短路過程中的危害和短路結束后的危害。短路過程中的危害:短路電流使設備發(fā)熱增加,短路持續(xù)時間較長時,設備可能過熱以致損壞(短路電流大量發(fā)熱,對電氣設備產生熱破壞,稱為熱穩(wěn)固性破壞);短路點附近支路中出現比正常值大許多倍的電流,在導體間產生很大的機械應力,可能使導體和它們的支架遭到破壞(短路電流產生很大的電動力,對電氣設備造成機械破壞,稱為動穩(wěn)固性破壞);短路點附近電網電壓嚴重下降,影響負荷供電,并破壞了功率送端與功率受端之間的能量傳輸,導致送端旋轉機組減速,使電力系統(tǒng)兩部分頻率不相等,稱為失步;不對稱短路后三相電流不對稱,產生負序電流引起旋轉電動機和轉子表層發(fā)熱,單相

8、接地和兩相接地,還產生零序電流,對外界造成很大的干擾磁場,影響通信。短路結束后的危害:電力系統(tǒng)的自動保護裝置(稱為繼電保護)切除故障電路部分后,可能遺留下兩個大問題:(1)短路發(fā)生地點離電源不遠而又持續(xù)時間較長,可能使電力系統(tǒng)各發(fā)電機組失去同步,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定,存在是否能重新回到同步狀態(tài)的問題,嚴重時可能導致系統(tǒng)瓦解。(2)切除故障后可能造成電力系統(tǒng)分成多個部分,稱為電力系統(tǒng)“解列”,解列后的系統(tǒng)一般不能保證功率平衡,發(fā)電功率小于負荷功率的電網部分存在頻率崩潰的危險。電力系統(tǒng)的安全自動裝置(例如低頻減載,低壓減載等)的作用就是力圖減小上述危害。3.3 短路電流的限制措施限制短路電流的措施有電力

9、系統(tǒng)可采取的限流措施,發(fā)電廠和變電所中可采取的限流措施,終端變電所中可采取的限流措施。電力系統(tǒng)可采取的限流措施:提高電力系統(tǒng)的電壓等級;直流輸電; 在電力系統(tǒng)主網加強聯系后,將次級電網解環(huán)運行;在允許的范圍內,增大系統(tǒng)的零序阻抗,例如采用不帶第三繞組或第三繞組為Y接線的全星形自耦變壓器,減少變壓器的接地點等。發(fā)電廠和變電所中可采取的限流措施:發(fā)電廠中,在發(fā)電機電壓母線分段回路中安裝電抗器;變壓器分裂運行;變電所中,在變壓器回路中裝設分裂電抗器或電抗器;采用低壓側為分裂繞組的變壓器;出線上裝設電抗器。終端變電所中可采取的限流措施:變壓器分列運行;采用高阻抗變壓器;在變壓器回路中裝設電抗器;采用小

10、容量變壓器。以上是限制電流的措施,但目前在電力系統(tǒng)中,用得較多的限制短路電流的方法有以下幾種:合理選擇電氣主接線形式和運行方式;采用分裂低壓繞組變壓器;加裝限流電抗器;采用微機保護及綜合自動化裝置等。限流的原理是增大短路點到電源點之間的等效電抗,但是正常工作時的電壓損耗有可能因采取限流措施而增大。3.3.1 合理選擇電氣主接線形式和運行方式接線中減少并聯支路或增加串聯支路;如雙回線分開運行或兩臺變壓器并列運行。3.3.2 采用分裂低壓繞組變壓器分裂變壓器高壓繞組由兩部分并聯的不分裂的繞組組成,低壓練級由分裂成兩個支路的容量相等的分裂繞組組成,分裂繞組的各個支路間沒有電的聯系。分裂變壓器具有短路

11、陰抗大,正常電抗小的優(yōu)點。分裂低壓繞組變壓器正常工作時,每個低壓繞組流過相同的電流,即1/2,電抗值只相當于兩分裂繞組短路電抗的1/4。當一個分裂繞組的出線發(fā)生短路時,來自另一臺發(fā)電機的短路電流或來自系統(tǒng)的短路電流都將遇到很大電抗的限制。采用分裂低壓繞組變壓器后,可能不另加裝電抗器就會使短路電流降至設備的允許值。3.3.3 加裝限流電抗器線路電抗器,裝在引出線斷路器的后面(負荷側),則電抗器以前的斷路器和隔離開關可以選擇輕型的電器,并且可以提高母線殘余電壓,但正常工作時的電壓損耗增大,若出線數目較多,電抗器也多,以至于裝置比較復雜。母線電抗器可以限制從本段母線流向短路母線的電流,從而提高本段母

12、線的殘余電壓。電抗器除滿足限制短路電流外,還應滿足熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定的要求。分裂電抗器的限流作用和分裂變壓器低壓繞組的限流作用相似,但分裂電抗器的兩臂不僅有互感耦合,而且在電氣上也是連通的。它的結構和普通大型電抗器相似,只是中間有抽頭作為公共端。為了充分限制短路電路和維持母線有較高的殘余電壓,采用分裂電抗器。當分裂電抗器和單臂自感電抗與普通電抗器的電抗值相等時,兩者短路時的限流作用一樣,但正常運行時分裂電抗器的電壓損失只有普通電抗器的一半;分裂電抗器可比普通電抗器多供一倍的出線。分裂電抗器的兩個分支負荷應盡量接近,否則可能出現過電壓,盡量避免安裝出線電抗器,因其投資大、配電復雜、運行費用高。3.3

13、.4 采用微機保護及綜合自動化裝置從短路電流分析可知,發(fā)生短路故障后約0.01s時間出現最大短路沖擊電流,采用微機保護僅需0.005s就能斷開故障回路,使導體和設備避免承受最大短路電流的沖擊,從而達到限制短路電流的目的。4 仿真軟件介紹PSCAD是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進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數字仿真器的前置端。可模擬任意大小的交直流系統(tǒng)。PSCAD/EMTDC在時間域描述和求解完整的電力系統(tǒng)及其控制的微分方程(包括電磁和機電兩個系統(tǒng))。這一類的模擬工具不

14、同于潮流和暫態(tài)視定的模擬工具。后者是用穩(wěn)態(tài)解去描述電路(即電磁過程)。但是在解電機的機械動態(tài)(即轉動慣量)微分方程。PSCAD/EMTDC的結果是作為時間的即時值被求解。但通過內置的轉換器和測量功能(象實有效值表計，或者快速育里葉變換頻譜分析等)。這些結果能被轉換為矢量的幅值和相角。    實際系統(tǒng)的測量能夠通過很多途徑來完成。由于短路和穩(wěn)定的程序是通過穩(wěn)定方程來代表，它們只能基頻段幅值和相位。因此PSCAD的模擬結果能夠產生電力系統(tǒng)所有頻率的相應，限制僅在于用戶自己選擇的時間步長。這種時間步長可以在毫秒到秒之間變化。所以PSCAD是電力專業(yè)十分有用的仿

15、真軟件，我們組的課題系統(tǒng)節(jié)點較多，傳統(tǒng)的手工計算顯然不切實際，于是利用PSCAD仿真運行出結果就成了本次課程設計最為關鍵的一個環(huán)節(jié)。利用PSCAD對系統(tǒng)進行的仿真可以快速準確得出各母線上的短路參數及系統(tǒng)的其他運行狀態(tài)，輸出顯示快速、明了。5 系統(tǒng)調試及仿真結果系統(tǒng)PSCAD仿真圖如下圖5.1所示：圖5.1 系統(tǒng)仿真圖總 結在這次課程設計中，我強烈感覺到自己在很多方面的不足，對別人的依賴性比較強。我想我會在以后的學習中不斷去發(fā)現自己的不足，并一一改正，希望在以后的工作中不要犯同樣的錯誤。 在這次課程設計中，我們盡量按照老師的要求做，但在具體的操作過程中，還是出現了很多的問題。搞完這個課程設計讓我

16、感覺電力系統(tǒng)分析是一門很有用的課程。因為我對它的學到的知識比較少。在很多時候我很多東西都不了解。并且走了很多的彎路。而且我感覺自己的知識不夠連貫。好些時候都出現了卡殼的情況。這次課程設計后，我一定要重新對電力系統(tǒng)分析這門課程做進一步的了解。對在此過程中遺留下的問題做好好的研究。爭取早點對電力系統(tǒng)分析這門課程有個全方位的了解。為在以后的畢業(yè)課程設計中多些方案。也為我以后走上工作崗位，提升自己的專業(yè)技能，打下扎實的基礎。 還有就是在十幾天的課程設計中，使我養(yǎng)成了很好的學習習慣，和對學習知識的嚴謹的態(tài)度，同時也養(yǎng)成了積極查閱相關資料的好習慣，好習慣的養(yǎng)成是來之不易的，我相信在以后的學習和工作中，我將

17、繼續(xù)保持這些良好的習慣，并積極努力的學習。讓自己更上一層樓。同時在此也感謝一直指導我的老師，此次課程設計的完成與老師的指導師分不開的，終在我們的一起努力下，完成了這門課程設計。在此對指導老師致以衷心的感謝。還要感謝邵陽學院圖書館為我提供豐富的參考資料，也感謝班上同學給了我很多寶貴的意見和參考，使我獲益很多。參考文獻：1 何仰贊、溫增銀.電力系統(tǒng)分析M. 華中科技大學出版社2010.32 西安交通大學等.電力系統(tǒng)計算M.北京：水利電力出版社，1993.12 3 陳 衍.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析M.北京：水利電力出版社，2004.1 4 于永源，楊綺雯. 電力系統(tǒng)分析（第二版）M. 北京：中國電力出版社，2004.3附錄 系統(tǒng)輸出波形圖圖6.1 三相短路電壓波形圖6.2 三相短路電流波形圖6.3 A相接地短路電壓波形圖6.4 A相接地短路電流波形圖6.5 AB相短路接地電壓波形圖6.6 AB相短路接地電流波形圖6.7 AB相