1、 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 设计 (论文 )题目： 电力系统稳定性的研究与仿真分析 学生姓名： 指导教师： 1004103003 二级学院： 机电工程学院 专 业： 电力工程及其自动化 班 级： 10 电气（ 1）班 学 号： 1004103003 提交日期： 2014 年 5 月 3 日 答辩日期： 年 月 日 金陵科技学院学士学位论文 目录 I 目 录 摘 要 . II Abstract. II 绪 论 . III 第一章 电力系统概述 . 1 1.1 电力系统的稳定性概述 . 1 1.2 我国的电力系统 . 1 1.2.1 电力建设任务艰巨 . 2 1.2.2 电力发展需求强劲 .
2、 2 第二章 电力系统稳定性分析 . 4 2.1 电力系统稳定的研究方法 . 4 2.2 电力系统稳定的判定方法 . 5 2.2.1 等面积定则 . 5 2.2.2 极限切除角 . 7 2.3 电力 系统暂态稳定性 . 8 2.3.1 引起电力系统大扰动的原因 . 8 2.3.2 提高电力系统稳定性的措施 . 9 第三章 基于 MATLAB 的电力系统仿 真 . 11 3.1 MATLAB 简介 . 11 3.2 Simulink 简介 . 11 第四章 基于 SIMULINK 的单机无穷大系统的稳定性仿真 . 13 4.1 单机 无穷大系统原理 . 13 4.2 采用的模块及其参数设置 .
3、14 4.2.1 仿真系统模型步骤 . 14 4.2.2 模块参数设置 . 16 4.2.3 电力系统稳定性仿真 . 25 第五章 对仿真模型进行故障扰动分析 . 29 5.1 单相短路接地故障分析 . 29 5.2 单相断路故障 . 31 第六章 结 论 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 35 金陵科技学院学士学位论文 摘要 II 电力系统稳定性的研究与仿真分析 摘 要 随着社会的进步，对电力的需求也越来越大，这就使全世界大规模建设超高电压，超大规模的电力系统。然而电力系统愈发复杂，若出现故障造成的事故影响将会非常大。所以我们迫切需要研究电力系统的稳定性以求提前预防或及时解决故障。
4、本文介绍了电力系统的稳 定性以及分析方法，在电力系统中 MATLAB 软件的应用，以及利用动态仿真工具 Simulink 进行仿真的基本方法。在 Simulink 仿真平台上， 以单机 无穷大系统为建模对象，通过选择模块，参数设置，以及连线，对电力系统 可能遇到的 的多种故障进行仿真分析。 将仿真波形经过 示波器 清晰地显示在界面上以便比较和分析。 关键词 ： 电力系统；稳定性； MATLAB； 单机 无穷大； 金陵科技学院学士学位论文 Abstract III Research and simulation analysis of power system stability Abstrac
5、t With the progress of society, the demand for electricity is also growing, which makes ultra-high voltage large-scale construction around the world, ultra-large-scale power systems. However, power systems become more complex, if the impact of the accident caused by a fault occurs will be very large
6、. Therefore, we urgently need to study the stability of the power system in order to advance the prevention or timely troubleshooting. This paper introduces the stability of power system and analysis method, the application of MATLAB software in power system, and the basic method of using dynamic si
7、mulation tool Simulink simulation. On the simulation platform, with single - infinity system for modeling object, by selecting module, parameter Settings, as well as the attachment, you may encounter a variety of fault in power system with the simulation analysis. Simulation waveform through the osc
8、illoscope will be clearly displayed on the interface to the comparison and analysis. Key words: power system; Stability; MATLAB; Single - infinity; 金陵科技学院学士学位论文 绪论 IV 绪 论 随着电力工业的 快速 发展，电力系统的规模日益 巨 大和复杂， 一旦出现事故，会给发电厂 及很多 用户 的 安全带来威胁，并有可能导致电力系统事故的扩大， 所以我们需要研究电力系统稳定性来降低事故发生率，然而 从技术和安全上考虑直接进行电力试验 的 可能性很
9、小， 在电力系统的运行和研究中，仿真软件的应用越来越广泛。 依据电网用电供电系统电路模型运用电力仿真来解决这些问题， 本论文使用 MathWorks 公司开发的 MATLAB 软件。在 MATLAB 中，电力系统模型可以在Simulink 环境下直接搭建，也可以进行封装和自定义模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。更重要的是， MATLAB 提供了丰富的工具箱资源，以及大量的实用模块，使我们可以更加深入地研究电力系统的行为特性。本篇论文将在熟练掌握 MATLAB 软件的基础上，对电力系统的故障进行建模、仿真、分析，并且用示波器来反映故障波形。 金陵科技学院学士学位论文 第一章 电力系统概述 1
10、 第一章 电力系统概述 1.1 电力系统的稳定性概述 电力系统稳定性分析是研究给定运行条件的电力系统在受到扰动后，凭借系统本身应有的能力和控制设备的作用，重新回复到运行平衡 状态的能力。 电力系统中的大多数变量可维持在一定的范围，使整个系统能稳定运行。根据性质的不同，电力系统稳定性可分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三类。在分析功角稳定时，还可以进一步分为以下三类：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。 (1)电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰（这里的小干扰一般指正常的负荷和参数变动，例如少量电动机的接入或断开，少量负荷的增减，架空线路因风吹摆动，环境温度等引起的参数变化）后，不发生非周期性的失步，
11、并且自动恢复到起始的运行状态的能力。 (2)电力系统暂态稳定指的是电力系统经受大干扰后 （这里的大干扰指短路故障，突然断线或发电机突然断开），各发电机保持同步运行并过渡到新的稳定运行状态或恢复到原来稳定运行状态的能力。 (3)电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程运行稳定性的能力（不发生因振幅不断增大的振荡而失步）。 1.2 我国的电力系统 中国电力工业自 1882 年在上海诞生第一台 12kw 的蒸汽发电机以来，经历了艰难曲折、发展缓慢的 96 年， 1978 年发电装机容量达到 5712 万千瓦，发电量达到 2566 亿千瓦时，分别跃居世界第 8 位和
12、第 7 位。改革开放之后，电力 工业体制不断改革，在政府实行多种有效政策的激励下，电力工业发展迅速，在发展规模、建设速度和技术水平上不断刷新纪录。发电装机容量先后超过法国、英国、加拿大、德国、俄罗斯和日本，从 1996 年底开始一直稳居世界第 2 位。进入新世纪以后，我国的电力工业发展遇到了前所未有的机遇，呈现出快速发展的态势。 我国目前的开发方针为大力发展水电，优化发展煤电，积极发展核电。近几年我国电力发展结构优化呈现出几个显著特点： 1. 火电比重下降，可再生能源比重上升。 2. 火电参数继续向高参数，大容量，环保型机组发展。 3. 核电建设步伐加快。 4. 积极推 动风电规模化发展。 金
13、陵科技学院学士学位论文 第一章 电力系统概述 2 1.2.1 电力建设任务艰巨 进入新世纪以后，我国的电力工业进入 快速发展时期，但随着目前电网进一步扩展，技术更加复杂，需要协调的问题更多，发生事故后波及的范围会更广，造成的损失会更大。然而当前我国经济尚属于高投入、高消耗、高排放、不协调、难循环、低效率的粗放型增长模式，突出表现为以下两点： 1.资源条件相对匮乏。我国水能、煤炭较丰富，油、气资源不足，且分布很不均衡。水能资源，煤炭探明保有储量丰富，然而人均储量却远低于世界平均的水平，风能和太阳能等新能源发电受技术因素的限制，多为间歇性的 能源。 2.电力发展与环境、资源矛盾日益突出。电力生产非
14、常依赖煤炭，大量的燃烧和开发煤炭将引发严重的生态环境问题。火力发电需要消耗大量的水资源，而我国淡水资源极度短缺，人均占有量仅为世界平均水平的四分之一，且分布严重不均。同时，我国也是世界上水土流失、土地荒漠化和环境污染严重的国家之一。 从我国的现阶段发展分析，未来很多年，都是人与自然之间冲突极为激烈、大量耗用资源的时期。目前的能源消耗和发展方式，是我国能源、水资源和环境容量无法支撑的。因此，经济增长方式需要根本性转变，以保证国民经济可持续发展。 1.2.2 电力发展需求强劲 目前我国处于工业化的阶段，重化工业产业发展迅速，社会用电以工业为主，工业用电以重工业为主的格局还将持续一段时间。未来十多年
15、，中国国民经济将继续持续较快发展，工业化、城镇化、市场化、国际化步伐加快，人民生活进一步改善。与此相适应，电力需求仍将继续保持稳定增长。电力发展需求更为强劲。用电负荷增长速度高于用电量增长。 我国目前的开发方针为大力发展水电，优化发展煤电，积极发展核电。在此方针的指导下，结合近期电力工业建设重点及目标，我国电力发展将呈现以下四个鲜明特点： 1.自动化水平 逐步提高、安全性和可靠性受到充分重视。随着保护装置、自动化系统、稳定控制系统的广泛应用。电网网架结构的加强、自动化水平的提高，发生事故的数量会大幅下降。 2.经济、高效和环保。随着大容量机组的应用、电网的发展以及先进技术的广泛采用，煤耗与网损
16、逐年下降。在电网建设方面，将采用先进技术提高输电能金陵科技学院学士学位论文 第一章 电力系统概述 3 力、降低网损，加强环境和景观保护，城市电网将逐步提高电缆化率、推广变电站紧凑化设计。 3.结构调整力度将会继续加大。将重点加快建设大型水电基地，因地制宜开发中小型水电站。提高煤电技术水平和经济性。全面掌握新一代核 电站工程设计和设备制造技术。在电力负荷中心、环境要求严格、电价承受力强的地区，建设适当规模的天然气电厂。在风力资源丰富的地区，开发较大规模的风力发电场；在大电网覆盖不到的边远地区，发展太阳能光伏电池发电；因地制宜发展地热发电、潮汐电站、垃圾发电、生物质能与沼气发电等。 4.技术进步和
17、产业升级步伐将会加快。电力工业化要以科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染小的新型工业化为目标，电力设备的创新与设计需要重视。牢记“引进，吸收，创新“的方针。通过深化电力需求侧管理，通过节能、节电，加强全国联网，调整产业 结构，逐步降低单位产值能耗等综合措施。 随着社会的进步和科技的发展，近年来世界各国也建设了一些大的电力系统，这些系统通常具有范围广、强非线性的特点。随着电力市场化和全国联网的不断推进，电网运行状态越发复杂多变且接近其极限水平 ,在运行中，由于某种破坏性的原因，有时会引起电力系统崩溃的问题，如发生在 2003 年 8 月 14 日的美加大停电， 2012 年 7 月 30
18、 日的印度电网大停电。这都给我国的电网的运行带来了很多警示。 金陵科技学院学士学位论文 第二章 电力系统稳定性分析 4 第二章 电力系统稳定性分析 2.1 电力系统稳定的研究方法 暂态能量函数法 的理论基础 根据 李亚普洛夫稳定性定理 得出 ，该方法是通过系统临界稳定时的暂态能量值 以及 扰动结束时暂态能量函数值 的相互 比较来判别系统稳定性的。暂态能量函数法 的缺点在于它 不计算系统实际故障后的发电机的 转子 的 摇摆曲线，所以从临界轨迹 处 获得的都不是临界能量 的 VCR。 因为 临界能量的确定方法 的 不同 ,形成了 许多种 不同方法的暂态稳定 的 分析 ,现如今 国内外研究的 比较多
19、 的主要有势能界面法 (PEBS)、基于稳定域边界的主导 UEP(BCU)法、相关不稳定平衡点法 (RUEP)等 几种 暂态能量函数法。各种方法在计算 VCR时都会 有一些 近似误差 。 (1)在 PEBS 法中 ， 势能界面与持续故障轨迹相交的一点就 可以 近似 的 等于UEP， 可以用这一 点的势能作为故障位置的临界能量。 然而这种近似的缺陷在于它需要一定的条件，所以会带来一定的误差 (2)在 BCU 法中， 我们 近似出口点 是 经过主导 UEP 的恒值能量面 ， 恒值能量面 用来 代替稳定流形。 然而 以偏差功率方程为零确定的主导 UEP 点的势能作为VCR 也 是有误差的。 (3)在
20、 RUEP 法中，主导失稳模式的准确判别是有困难的。 而且，实际多机系统的运动轨迹并不经过 RUEP 点，所以用 RUEP 点的势能作为 VCR,也有一定的误差。 时 域法是将电力系统 的 各元件 的 模型根据元件 的 拓扑关系形成全系统 的 模型，这是微分 以及 代数联立的方程组，然后以稳态工况 以及 潮流 计算 解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和 代数量随时间的变化曲线，并根据发电机功角值大于某一特定阀值来判别系统能 否在大扰动后维持暂态稳定运行。时域法 的优点是 具有广泛模型的适应性，但是 缺点也很明显 由于 利用 数值求解，计算速度 较 慢；阀值的选取 则 是通过工程经
21、验得到的，缺乏理论依据 的依托 ；也不能 直接给出 稳定裕度 。 总之，直接法 的优点在于 无需数值求解功角摇摆 的 曲线，计算速度 比较 快，还 能给出稳 定裕度。但是 缺点比较明显 模型较简单，分析结果偏保守，且只能判别首摆 的 稳定性。 扩展等面积 法的基本思想是在给定故障 的 扰动 条件 下系统的机组 可以 分为临界机组 以及 非临界机组两 种 ，基于保稳变换和轨迹聚合，分别 使用 等值机对这两 种 机组进行动态等效，进而又 可以 等值 成 单机无穷大系统， 进而 可 以 利用等面积法则 来 评估系统的暂态稳定性。 扩展等面积 法 还 包括 SEEAC、 DEEAC 和 IEEAC金陵
22、科技学院学士学位论文 第二章 电力系统稳定性分析 5 三种形式。与直接法相比， 扩展等面积 法法 还 可实现多摆 的 稳定性判别， 然而 它评估的正确性 比较 依赖于同调群的正确识别。 直接法、时域仿真法、混合法、 扩展等 面积 法都是基于电力系统 的 数学模型和理论暂稳 的 评估方法，计算速度和精度 都 难以协调。 然而 人工智能方法可 以 进行非模型的电力系统 的 暂态稳定判别，具有在线计算速度快、容易生 成的启发规则等优点，因此传统暂态稳定分析方法与 其 构成了良好的互补。目前，人工智能方法主要有：支持向量机法、模糊理论、神经 网络、模式识别。对 用 传统方法 很难 解决 的 输入特征选
23、择的问题 ， 人工智能方法 有 一种 采 用多信息融合技术的支持相量机暂态稳定 的 评估方法。但是人工智能法在实际 中很 难应用：难以获取准确的、大量的学习样本，而实际电力系统运行方 式、扰动地点、扰动类 型复杂多变，所以 借助于模拟仿真 所 得到的样本 的 数据 有 可能与电力系统 的 实际运行情况 不一定相符 ； 而且由于 缺乏在线自动学习有效算法， 所以很 难从大量数据中提取 出有效信息。 目前电力系统的静态稳定分析的方法也有很多 ,其中特征值分析法是电力系统小扰动稳定分析广泛采用和比较成熟的方法 。特征值分析法是通过状态方程中系数矩阵的特征值判断系统的稳定性。若状态 方程系数的矩阵特征
24、值的实部全为负，那么系统是稳定的，否则系统是不稳定的 。对电力系统进行稳定性的分析时，我们不仅要对系统是否稳定进行研究，对如何 提高电力系统的稳定性以及不稳定的 原因也同样需要研究。特征值法之所以得到广 泛应用的原因是它不仅能够对系统的稳定性进行判断 ,而且还可以得到与系统稳定性有关的信息。例 如特征值的虚部提供振荡模式的频率信息 , 由特征值的实部提供振荡模式的阻尼信息 ,而特征向量则反映出在该振荡模式下系统状态变 量参与系统动态的行为等信息。 2.2 电力系统稳定的判定方法 2.2.1 等面积定则 当不考虑震荡中的能量损耗时，可以在功角特 性上，根据等面积定则确定最大摇摆角 max ，并判断系统稳定性 。从前面的分析可知，在功角由 0 变到 X 的过程中，原动机输入的能量大于发电机输出的能 量，多余的能量将使发电机转速升高并转化为转子的能量而存在于转子中；而当 功角由 C 变到 max 时，原动机输入的能量小于发电机输出的能量，不足部分由发 电机转速降低而释放的动能转化为电磁能来补充。 转 子由 0 到 c 移动时，过剩转矩所做的功为
