毕业设计-基于 Matlab 的电力系统稳定性分析与仿真

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前言


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选题指导: https://blog.csdn.net/qq_37340229/article/details/128243277

大家好,这里是海浪学长毕设专题,本次分享的课题是

🎯基于 Matlab 的电力系统稳定性分析与仿真

课题背景和意义

随着我国国民经济快速增长和高新技术发展 的趋势,我国工业结构的转变和经济发展对电能质 量提出了更高更严格的要求。为了建设坚强的智 能电网,全国电网互联则是一个行之有效并且充满 前途的提高电力系统稳定性的方案。在全国电网 互联的情况下,任意扰动对电网的影响都会极大地 缩小,这也使一些机组的起停对电网的冲击变得更 小,使采用高效率大功率的机组成为可能,也可以 更加妥善地调度负荷使电网整体损耗尽可能的减 小。但电网互联也有缺点,电网互联可使故障传播 的更远、影响的元件更多,这也对电力系统网络架 构的优化提出了更高的要求。除此之外,一些先进 元件比如电力系统稳定器(PSS)的采用也可显著 地提高电力系统的稳定性。电力工业是国民经济 的先行工业,其建设速度和优化配置需适当超前于 其他行业,为其他行业的发展打好基础,建立联系 紧密、结构坚强的大电网是提高电能质量,保障电 力系统安全稳定运行,促进国民经济快速、稳定、健 康发展和提高居民生活水平质量的有效途径。

实现技术思路

一、简单电力系统仿真软件简介

Matlab 是 Matri 和 Laboratory 的缩写。Matlab功能丰富,计算能力强大,在国际许多专业领域认可度和知名度都非常高。
电力系统是一个非常庞大的动态系统,而对这样的系统进行状态评估,必须先要知道这个系统运
行的数据,而传统的人工计算显然不能适应这样庞大的系统。电力系统状态变化迅速,对计算的时效性要求十分高,计算结果只有准确才具有意义,而Matlab 则可凭借其强大的计算能力和丰富的功能为电力系统运行、监控提供强大的保障。

二、电力系统稳定性仿真分析

电网静态稳定性简介

图画出的是一简单电力系统模型和等值电路,首段是发电机,其经过变压器 TI和双回线路供电给无穷大系统。

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其中x=xTt+xd+xl+xt2。发电机发送电磁功率是

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如果不计发电机励磁调节器的影响,也就是假定发电机的空载电动势E不变,那么发电机的功一角特性曲线为图画出的正弦曲线。

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 a)正常运行方式及其等值电路 b)故障情况及其等值电路c)故障切除后及其等值电路。如果忽略原动机谓速器的影响,那么原动机发出的机械功率P不改变。

 电网静态稳定仿真分析

在小扰动时,电力系统发生较小的状态偏移和振荡,仿真配置如图所示。
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当发电机有功功率参数改为 0.737 6 pu 时,配置小干扰信号模拟系统的阶跃为 0.6 pu,运用 Simulink 进行仿真可得到发电机功角、转子转速随时间变化的曲线如图:

发电机功角变化曲线:

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发电机转速变化曲线:

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 减小线路电抗参数,使得系统电气连接薄弱,通过仿真得出发电机功角、转速变化的曲线如图所示:

可以看出当电力系统电气连接较强时,系统的静态稳定性更强。系统连接薄弱时发电机功角变化曲线:

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 系统连接薄弱时发电机转速变化曲线:

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电网的暂态稳定性简介

图画出了发电机正常运行,故障以及故障切除后3种状态下的功角特性曲线。

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1)正常运行
正行运行时发电机的功率特性曲线为P,此时向无穷大系统输送的功率P与原动机输出地机械功率p相等(假设扰动后P保持不变),图中发电机在稳定运行时,a点为正常运行点,此时的功角为δ。

 2)故障阶段
短路故障这个扰动产生以后功率特性就接着降为P,不过因为转子运动存在惯性,转子角度没可能发生突变,发电机的运行点由a点突变至b点,输出功率减小了很多,而原动机机械功率,不变,所以会出现较大的过剩功率。短路故障现象越厉害,户功率曲线幅值越低(三相短路时为零),那么两者之间的功率差越大。

由于存在过剩转矩发中机转子会有一个加速过程,其相对速度(相对于同步转速)和相对角度8逐渐增大,使运行点发生转移,即由b点向c点移动。假如故障无法消除,那么过剩转矩将会一直产生作用,发申机会持续加速,将导致与无限大系统失去同步。

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  电力系统暂态稳定性仿真分析

短路故障是一种较大的干扰,而在电力系统运 行中短路发生也较为常见,所以在研究电力系统暂 态稳定性时通常以短路故障作为检测电力系统是 否具有暂态稳定性的判据。以单机无穷大系统为 例,通过对电力系统元件建模,运用 Simulink 仿真 对简单电力系统的暂态稳定性进行分析。电力系 统暂态稳定性建立模块如图
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 在上图的仿真系统中,分别在输电线路侧和发电机侧设置短路故障,仿真得到输电线路短路时发 电机转速变化曲线和发电机短路时发电机转速变化曲线,如图

输电线路短路时发电机转速变化曲线:

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发电机端短路时发电机功角变化曲线: 

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 由上图可知,发电机端短路对电网的影响更大,则对发电机端出线的稳定性应严格保障。

电力系统内部不同故障类型对比分析
电力系统短路故障分为单相接地短路、两相短 路、两相接地短路和三相短路。在电力系统中,当 发生短路故障地点相同时,不同的短路故障类型所 带来的影响也不同。对电网设置三相短路和单相 (接地)短路分别进行仿真。 首先,在模拟模块中添加电压电流测量仪器, 对电网一些节点电量进行测量;然后,对电网同一 地点进行不同类型的短路设置,测量发电机功角和 转速,得到仿真结果如图

电网输电线路短路时电压测量情况:

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 电网输电线路短路时电流测量情况 :

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 在输电线路短路时,电压水平由发电机到短路 点逐渐降低,而电流则逐渐增加。 对比图从两种故障类型的 发电机功角和转速曲线中可以发现,当发生三相短 路故障时,电网连接更弱,则发电机功角和转速变 化幅度更大,电力系统的暂态稳定性越差。

发电机转速变化曲线(三相短路):

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 发电机功角变化曲线(三相短路):

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 发电机转速变化曲线(单相短路):

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 发电机功角变化曲线(单相短路):

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 当电网输电线路增加时,电网的连接也就更加 紧密,发生短路故障时,发电机输送电磁功率也就 相对更加充足,这样电磁功率和发电机机械功率差 也就越小,电力系统暂态稳定性也就越好。 由图可以看出,当改善电网结构,比 如增加输电线路和采用分裂导线时,可增加电力系 统的暂态稳定性。

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 增加一条输电线路时发电机转速变化曲线:

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三、结论

 Matlab 仿真模拟得出了电力系统 电压电流和发电机功角转速变化曲线。通过分析 仿真结果得出如下结论: 1)当发生三相短路故障后,若能及时断开断路 器,则可保障电力系统暂态稳定; 2)当电力系统发生短路后,电压从发电机到短路点逐渐降低,电流逐渐增大;3)当采用一定措施后,比如增加输电线路数,可以增加电力系统的稳定性。 

实现效果图样例

电力系统暂态电压稳定评估的方法:

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暂态电压稳定和暂态电压失稳场景的抗噪性能测试如图所示。相较于MLE具有较强的抗干扰能力,即使测量信号存在SNR为10dB的噪声,仍能准确判别电力系统的暂态电压稳定状态。

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最后

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