时域仿真法暂态稳定分析课件.ppt

《时域仿真法暂态稳定分析课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《时域仿真法暂态稳定分析课件.ppt（102页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、时域仿真法暂态稳定分析,主讲人：陈星莺,主要内容,1同步机模型,2典型励磁系统数学模型,3调速系统模型,4网络方程,5 恒定与 恒定模型的网络方程,6 三阶模型暂态稳定的计算方法,电力系统基本组成部分及相互联系,1同步机模型,恒定模型 恒定模型三阶模型,恒定模型,这是暂态稳定中应用最多，包括国内电科院搞的稳定综合程序与国外引进的程序中同步机均使用此模型.为什么用 恒定模型，有无可能找到其它的模型？这样来看：在t=0时，故障前瞬时有个励磁电流，一发生,故障，转子电流可能突然增加，过了一段时间，自由分量衰减又回到.在定子中产生相应的电势变化规律为：一开始为，发生故障转子中有突然增加的电流，（正比于

2、电流）,所以突变,而 基本不动，(正比于磁链)因为磁链不能突变。,等励磁电流趋于正常,变化规律如，也趋于一定值；而 则变化不大。当有强励与没有强励时，的变化在有强励时要大一些。所以从实际现象来看,恒定这个假设是符合实际客观情况的。,另外一个原因是用负载电流与发电机的暂 态电抗可以在正常运行情况下求,认为误差不是很大。,恒定模型,允许用 恒定的原因：的数值与 相差不太大，而用 来代替 避免了dq轴，是一个简单的模型，所有网络参数不需要化到dq轴，而在数值上变化情况与 差不多，在计算上即带来很多方便。,因为发生暂态的第一摆时间极短，在第一摆以内的调速器、调压器都有惯性，来不及动作，或 恒定出入就不

3、是很大，第一摆以后调节装置都动作，则靠不住。用强励来提高稳定，如考虑 恒定，则强励作用看不出了。所以一般称这种模型为经典模型，直接法都停留在第一摆。,以上二种模型不管哪一种用于计算暂态稳定，第一摆都是可信的，而在第一摆以后则不可信,所以，模型用第一摆的，问题都研究多摇摆的，这是概念性模糊的问题。,三阶模型,同步机最精确的模型是8阶,从8阶到3阶关系是 这样的:电压方程有6阶，运动方程2阶。（在直接法中已用过2阶运动方程）,电压方程6阶，包括：转子交轴二个绕组，也是一个暂态与次暂态过程，因为H,Q绕组中的分量衰减快，所以可以忽略不计，这样方程就变成6阶,有时也考虑暂态分量H，则这时即为7阶。,另

4、外，转子直轴表面涡流效应用D绕组，造成的影响一般称之为次暂态影响。因为衰减快,所以也忽略不计，则方程变成5阶。,定子方程式中各有一个变压器电势，是用,来表示，在研究机电暂态过程中，有兴趣研究的是运动，（转动）转矩的问题，而变压器电势产生的平均转矩为零。又去掉二阶。则定子电压方程就只剩下一阶，为电磁过渡过程的变化。加上运动方程的2阶，总共有3阶。所以三阶模型是比较有代表性的。,另外，附带讲一个问题，即研究机电暂态过程时，定子的零序电流，负序电流产生的转矩平均值也是为零。（可以用单相电动机的道理来解释，正负旋转磁势都有，必须加一个力矩才能起动，否则起动不起来。）,所以研究暂态稳定时，仅研究定子绕组

5、中正序分量的问题，画网络图时，只画正序增广网络,即对正序电流产生影响要计及，其它负序和零序则不计算。再有，在发电机模型中，一般也不考虑机械功率的变化，如果没有机械功率的变化，也是写在电动机与调速器的模型里，与发电机模型无关。,以下是三阶模型的内容:(3-1)（3-2）由 决定的强制假想空载电势（3-3）由励磁电流 决定的，假想空载电势（3-4）励磁绕组的时间常数（3-5）,另外二个式子为运动方程:在直接法与动态等值中都用了运动方程，用不同的单位表示的运动方程不同，就该书第一章（1-36）-（1-48）式作了介绍。,框1、2描写的是励磁机,是励磁机的时间常数,是一个系数,是一个饱和系数，这个环节

6、,2典型励磁系统数学模型,的特性是一个惯性放大元件，工作特性是这 样的:模拟了励磁系统的工作特性和饱和特性，不同的励磁机有不同的参数。框3描写的是调节系统,为放大倍数,是时间常数，输入为，输出,有个上下限法,输入,输出,也是一个惯性放大，但是有一个放大倍数，没有饱和特性。框4是一个软反馈环节，纯粹是为了改善品质,提高工作能力，放大倍数,时间常数，分子上有一个P，环节为惯性微分环节。,输入,输出,以上为励磁调节系统的数学模型。按不同的参数很容易写出励磁系统的数学表达式：(3-6),将四个式子联立，消去中间变量，得到,和 的关系式,为输入,为输出，最后得到的这个式子即为励磁系统的数学模型。,有二种

7、标准形式:一种对水轮机一种对汽轮机的形式。,3调速系统模型,水轮机调速器原理图1飞摆；2错油门；3油动机；4调频器；5缓冲器；6硬反馈机构；7弹簧,一.水轮机模型,调节过程原理如下：当发电机负荷增加，水轮机转速下降，则测速部件离心飞摆I的A点下降;此时的B点为支点，横杆A-C-B的C点下降，从而使错油门（又称配压阀）II的活塞下降（其位移以表示）;压力油经过错油门连接油动机III（又称接力器）的管道b，进入油动机下部，从而使油塞上升（其位移以表示）加大导水叶开度，使水轮机出力提高，和外界负荷平衡，水轮机速度回升。,调速时的缓冲器V是用来改善动态品质的速度反馈，对静态特性没有影响。而硬反馈机构V

8、I其行程和水门开发成比例，它使调节过程结束时错油门活塞恢复原位，并获得所需的静态调差系数。,在此调节过程中调频器保持不变，即速度给定值不变，通常称上述调频过程为一次调频，其相应的静态特性如下图直线AB所示:,经过一次调频，若频率仍不满足要求，再调节调频器，用以改变测定速度，从而使功频特性平移，实现二次调频。当调频器出口位置D上移时，将使导水叶稳态开度增加,从而增加水轮机输出功率，使图中静特性从 平移到。,就以上分析看数学模型，画出框图：,汽门活塞动作，使叶片动作，但还不是直接作用于，水轮机本身还有一个效应，与水流的动态特性有关，称之为水锤效应。调整以上框图中的参数，可以反应水轮机调节系统的特性

9、，为其数学模型。下面分别写出每个框图的传递函数为：离心正摆：,错油门：不灵敏系数，,油动活塞：是个积分环节。总位移：软硬反馈：(3-7)水锤效应：水流特性引起的效应，-水流时间常数。,二.汽轮机模型汽轮机调速系统中，汽可以压缩，因此有容积效应，无水锤效应。将汽容效应代替水锤效应。无软反馈：因为其品质上好，所以不用改善。硬反馈中 硬反馈不需要给定不同参数，而是固定的。所以总体上较简单。,调节汽门后，蒸汽容积效应时间常数为。中间再热器，蒸汽体积汽压大，时间常数不可忽略。高压缸，蒸汽体积汽压小，时间常数可忽略。,高压功率占汽机总功率的百分比用取代第(3-7)式。,常用潮流的网络方程形式为I=YU这里

10、应用于暂态还不够，有二个问题：故障时短路或断线，原来的导纳阵不够，一定要将不对称网的影响加进去，由于影响暂态稳定的是正序的电压电流,所以这里采用正序增广网络,计及了不对称造成的负序和零序的影响。（结构变化）,4网络方程,第二个问题，潮流计算时没有用d-q轴分量来表示，而研究暂态稳定时，除了 模型以外，都用d-q轴分量，所以要将方程的形式改为d-q轴分量，另外，要考虑各个发电机的相对角还必须有一个公共坐标。1）正序增广网络2）坐标,考虑这两个问题，则可以将发电机、调速系统及网络方程等联上，否则不行。有二种正序增广网络形式：一种是串型：不同序是串联的。如单相短路，两相断线；另一种是并型，不同序三相

11、是并联的，如两相短路，单相断线；如果是二重故障，则可以用一个二端口的复合序网来表示.,这样就有三种：串串型：二端口两边都是串型并并型：二端口两边都是并型串并型：一边串，一边并,串串型增广网络用阻抗表示如图：将电压、电流都按正序来写。括号中表示序。外下标表示端口号，增广网络中电压前出现负的原因是也以正序网的量来表示。,则增广网络的方程为：(3-8),并并型两重故障的正序网络如图：并并型的增广网络方程：（电压电流的关系）(3-9),对于并并型来说，要计算正序网的电流电压是很容易的，因为正序网增广网都是导纳阵，直接将增广网加于正序网，则可以计算。,同时，一般计算软件又都是导纳阵，所以也可以先计算增广

12、网，然后再加入正序网，二者的效果应该是一样的。而串串型则不容易处理，所以研究稳定问题，不管是什么故障都用类似于并并型的形式，所以要将串串型改写。,下面讲的是一种认为最简单的办法，分三步：（一）将阻抗求逆，得到一个导纳阵（二）在多重故障时，改写成，有个电压极性的问题。（三）最后得到的增广网对正序网的注入电流应该与串串型时一样。,换句话说即将以阻抗表示的网络换成以导纳表示的网络，边界效应应该不变。第一步很明显，现在来研究第二、第三步。第二步：将图另外画一下，转换前是串串型，端口改为M，N以示与前区别。正序网与增广网均按正序网的假定正方向来写，标准形式。,正,-网络,+,+,增,_,_,转换前,对照

13、转换前后的关系：转换前 转换后电压关系：正序网,没改变 增广网电压极性改变电流关系：正序网,没有变“+”极注入 增广网电流方向也相反,则将一个阻抗阵的串串型网变成导纳阵的并并型网来处理问题，增广网的方程式为：（3-10）同为式中没有正序量，均为增广网的量且是标准形，所以上式转换前后均成立。当用正序量来表示时，则可看出转换前后有差别。,转化后为：（3-11）下面要将增广网的东西加到常规的网络方程中去，这里（3-11）式还有二个问题：一般常规潮流方程都是先编节点号，然后写节点注入电流；另外，每个节点都是以节点电压来表示，,不用节点电压差，所以这里还要再改一下。将（3-11）式改成常规形式，先写增广

14、网，然后再加到正序网，这里仍将图的端口号改成常规的节点号。,按此转换关系，（3-11）式改写成的节点注入电流与节点电压表示：,现已将增广阵的网络方程表示成常规的以节点注入电流，节点电压以及导纳阵来表示，下面可以将n个节点的导纳阵表示出来，其中只有i,j,k,l,有二重故障，此节点将增广网的电流补进去。几个节点完整的网络方程为：(3-13),如上图红笔的图表示(加入的电流表示注入电流)以上讨论了发生故障时的网络方程，下面继续讨论将发电机加入网络方程。同时还要考虑以d-q轴表示的发电机方程与以上既不是以d-q轴也不是以x.y轴表示的网络方程的联立问题，即这里有一个统一坐标的问题。,一.恒定的网络方

15、程处理方法 1)画相量图 用正常的潮流解出 的大小其关系式为:(3-14),3-5 恒定与 恒定模型的网络方程,直接写入网络方程，做法是这样：写出网络方程，用消去法消去外节点和其它节点，剩下只有内节点与等效参数，内节点上的电压即为 恒定。此时，网络方程可写为:(3-15)二）恒定 接下来讨论 恒定时网络方程式的写法。由相量图可得（3-16）,写成矩阵形式(3-16)这仅表示了一台发电机，要将很多发电机联到网上，则须将 转到公共坐标上X-Y，方法与第二章讲公共坐标D-Q 的转换一样。用转换矩阵,转换到X-Y轴后为：（3-17）在网络方程中加入如图所示的发电机为电源，则又增加了一个节点，100个发

16、电机就有100个节点，则在矩阵中要增加1万个元素，现在对 恒定用另一个方法。将 的影响变成一个注入电流，,100个发电机就少了1万个矩阵元素，改写（3-17）式。结果为：(3-18),是 中的角度，是公共坐标与d-g坐标的角差。与电势有关，称之为有源项，第二项为无源项。，,每个量都是一个表达式，为：,还有一个工作要做：现在发电机已全部折到公共坐标X-Y上，但是，过去的潮流中导纳矩阵是即没有dq坐标，也没有x-y坐标。所以还要将原来的网络方程改造成x-y坐标下的网络方程。则原来的网络方程即变为：,则原来的网络方程即变为：(3-20)(3-20)式与发电机模型无关，所以总适用于任何模型的网络方程,

17、而将（3-18）式加进去之后则,成为仅适用于 恒定的计算方程式，不再是通用网络方程。g节点无注入电流，意味着二层意义：节点g即没有负荷,没有电源。没有故障，所以没有增广网络。现在将（3-18）式加到（3-20）中去，假设发电机是联到g点，则原来方程变化为：,（321）当其它节点有发电机时，则同时修改其它有关项。,一)第一个问题是写出的网络方程节点数要少。前面处理的方法是在写 时消去内节点，恒定时，则将内电势变成电流源，是个有源分量，写网络方程时，写在等式的左侧，其余写在方程式的右侧，在整个方程处理时，只有外节点，没有内节点。用3阶模型存在同样的问题，要去掉一些节点，以节省内存与计算工作量。,6

18、 三阶模型暂态稳定的计算方法,将电路改造一下：形成一个电流源 在端电压（外接点）处并联一个阻 抗为：端电压产生的电流项为。这样做和原来的效应一样。,有源项 无源项,二）三阶的方程与求解方法。三阶模型中有两个运动方程，一个转子电压方程，表示电磁暂态过程，都是微分方程形式，用计算机来处理时都用计算方法化成加减法。现在介绍隐式梯形积分法。假设已知 时的解为。求：时的解,为。用微积分来做是这样：用计算机处理是这样做：为 加后面的面积。如果步长取得足够短，则 II 的面积可以用梯形 面积来替代，则 可以近似地用下式来求：(3-23)这个式子二边都有 项，要联立求解。,下面转到暂态稳定的三阶模型上，处理方

19、法同上。1.转子运动方程,写成另一种形式，差别是单位不同。写成增量方程其中：因为要了解的是角度随时间变化，这里就用转子运动方程为：(3-24),(3-24)(3-25),用隐式梯形积分法:(3-26)(3-27)将此二式子联立，消去，得到一个式子为：再整理得,再整理得(3-28)称为差分方程，差分常数(3-29)在时间t上可为常数，在t+1可修改，每做一步，修改一次。称之为t时刻的差分常数。,2.电磁暂态过程的差分方程。(3-30),再整理一下，常数项与未知项分开，为差分方程：+（3-31）差分常数；（3-32）（3-33）t时刻的差分常数,3、励磁系统 发电机模型用三阶，还要再加上励磁系统与

20、调速系统，才能与网络方程联立求解。讨论的方法与前面相同。一个一个框写出输入输出的关系，然后消去中间变量，得到最终的输入输出的关系。例如写软反馈环节：,将方程写成：输入为,输出为差分方程整理得(3-34)t时刻的差分常数。,第一差分常数,第二差分常数。励磁系统有很多环节，每个环节都写成差分方程，最后将差分方程中的中间变量消去，得到整个励磁系统的最终差分方程：(3-36),第一，二差分常数，每个时段的差分常数。用框图表示如图。,4.调速系统，直接给出结果为：(3-37)差分常数 t时段差分常数。,5.与网络方程联立的方程本来用上（3-28）（3-31）（3-36）（3-37）四个方程再加上发电机与

21、网络的接口方程即可以与网络方程联立求解。但是这里有二个关系需要考虑：电磁转矩项与电压电流项有关，所以 项可用电压电流来表示；,在（3-28）式中有个，（3-37）中也有 个，则这二个方程可以合并，消去，（3-31）与（3-36）中都有，也可以消去。用式（3-38）代入（3-28）式，这样就得到了另一组式子,(3-39)(3-40)(3-41)(3-42)前二式包括发电机，励磁系统、调速系统，要联到电网上去，还要加二个式子，端电压式子，为发电机与电网的接口，即为后二式，这样就可以与网络方程联立了。,现在看来用数值法，使用三阶模型，推导就很麻烦，第一章讲直接法，其模型与此模型没法比，又没考虑励磁和

22、调速,为什么要用直接法？另一个想法反过来，数值法没有任何物理概念，既没有考虑稳定平衡点，也没有考虑稳定域，是否可不用而用直接法？,现在看来二者都不可少，数值法可以解决多摇摆问题的稳定计算与分析，但要进行稳定控制时，则不好，因为:等计算完，已失稳；数值法中模型与参数均靠不住，因为其对参数的依赖性太强，而稳定控制希望要向不依赖模型的方向靠拢，所以只有想办法监视各个机之间的角度是否失步来考虑问题，这时直接法则显得有效。,三）以一个例子来说明求解过程。在讲例子之前，还有一点工作要做，即前面（3-39）（3-42）式还是在dq坐标系统，必须将其转换到公共坐标系统。并且将所有的量均写在等式的一侧。如果等式

23、中有些量不准确，则等式不为零，可以看成是一个误差项，这样方程改成为一个误差方程，用于迭代时作为修正方程。,归拢来即写出发电机这四个方程，有多少个发电机，则可以写出4n个方程式，在式(3-43)-(3-44)中，共有变量6个:。,为公共坐标系与d-q坐标系的夹角,式（3-41）推出,式（3-42）推出,式（3-39）推出,式（3-40）推出,（3-43）,（3-44）,（3-45）,（3-46）,下面讨论将发电机方程与网络方程联立求解，以一个例子来说明。例题：一个系统为4个节点，3、4节点有可能出故障，1、2节点的阻抗为发电机化成电流源时并联的阻抗,列出求解暂态稳定的方程组：,第一步：按（3-4

24、3）-（3-46）列发电机增量方程式，共8个，列一号机，二号机相同，略修正：由得:得：或(3-47),式中：(3-48)(3-49)发电机2的式子与发电机1的式子完全相同，只是最后的下标换成2。,第2步：写网络方程的增量方程（或修正方程）由（3-20）或（3-21）处理方法同第一步，如令：（3-50）一般节点(3-51),则：(3-52)由给出的网络可知（没有节点注入电流）同理,要注意其它节点与本节点没有支路相联时，对应项应为零，如:中 0 与电源相联的节点，前面已介绍，以 表示的,电源将其变换成相应的电流源，消去一个内节点如：在网络方程式（3-21）中则在相应节点电流加一项，如节点1的：(3

25、-53)(3-54)(3-55),如发生不对称故障，则在原（3-20）或（3-21）式中导纳阵写入增广网，或者也可以像处理电源一样作为注入电流形式。网络方程的修正方程即如总修正方程中的下半部分。,第3步：将发电机方程与网络方程联上，写成一个完整的求解式子。与潮流方程进行比较：,(3-56),式中:其它J类似第四步:求解式(3-56)做法和潮流计算方法一样,用牛顿法.步骤:假定时间t的值已知,求 的值,1.(差分常数为确定常数,先求出)用t时的值求t时刻的差分常数X(t);2.以t时刻的参数作为 的初值;3.用初值求出(3-56)左边误差向量;4.计算雅可比矩阵(即求出各偏导数,用t时刻的值代入);,5.解修正方程(3-56),计算出修正量,为第一次迭代的值 X(t);6.用修正量求出 时的各参数X(t+t)=X(t)+X(t);7.判断 修正量?否则,返回3;8.求摇摆曲线,则,稳定计算比潮流计算迭代次数要多,用pc-486算潮流不到1分钟,而做稳定则要20分钟,因为潮流上算一步,稳定计算中分为很多时间段。,X(t),