【正文】 ....... 16 例題 81 穩(wěn)定性分析 ...................................................................................................... 18 單相短路設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 23 兩相短路設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 25 三相短路設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 27 結(jié)論 ............................................................................................................................................... 29 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 30 謝辭 ............................................................................................................................................... 31 附錄 1 《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》例題 36 的 BPA 潮流計(jì)算程序 ............................................. 32 附錄 2 《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》例題 81 的 BPA 潮流計(jì)算程序 ............................................. 33 附錄 3 《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》例題 81 的 BPA 單相短路暫態(tài)分析程序 ............................. 34 附錄 4 《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》例題 81 的 BPA 兩相短路暫態(tài)分析程序 ............................. 35 IV 附錄 5 《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》例題 81 的 BPA 三相短路暫態(tài)分析程序 ............................. 36 故障類型對(duì)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的影響分析 1 第 1 章 緒論 研究背景 伴隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛 速發(fā)展 ，科學(xué)技術(shù) 和社會(huì)發(fā)展 也與時(shí)俱進(jìn) 。 電能是社會(huì)發(fā)展 和科學(xué)技術(shù)前進(jìn)中必不可少 因素 。 由于我們處于電氣時(shí)代，現(xiàn)階段基本可以認(rèn)為 ， 電能 已經(jīng)是 人類賴以生存 和發(fā)展的基本能源 保障。因此電力行業(yè)在社會(huì)發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步 中 發(fā)揮著舉足輕重的作用。從反方面而言，失去電力工業(yè)的支持和應(yīng)用，那么就一定不會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)階段如此飛速發(fā)展的社會(huì) 經(jīng)濟(jì) 和科學(xué)技術(shù) 。 為了 保持著飛速發(fā)展的 社會(huì)經(jīng)濟(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展，必須保證 穩(wěn)定的電力系統(tǒng) ，并且有它提供優(yōu)質(zhì)的電能。世界各國(guó) 對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行 和管理有這樣幾個(gè)基本要求。第一電能的安全，第二是 優(yōu)質(zhì) 的電能質(zhì)量，第三是 經(jīng)濟(jì) 面向 和滿足 用戶 的需求 。 在 世界的生產(chǎn)生活中我們都知道沒(méi)有穩(wěn)定的電壓，用電設(shè)備就不能滿足用 戶的要 求 ，更嚴(yán)重的會(huì)影響用戶的生產(chǎn)生活。因此電壓是衡量電能質(zhì)量的中一個(gè)非常重要 的因素 。 學(xué)習(xí)和查閱相關(guān)電氣工程及其自動(dòng)化的專業(yè)的書(shū)籍 ， 我總結(jié)出功角和電壓一樣扮演著電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要角色，具體的說(shuō)是保障電力電力系統(tǒng)穩(wěn)定是否穩(wěn)定運(yùn)行必不可少 因素 。 因此 保障 供電 系統(tǒng) 功角 穩(wěn)定能使電力系統(tǒng)安全可靠為用戶提供 優(yōu)質(zhì)的 能源 。保障電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性同時(shí)能 夠減少 電力系統(tǒng)運(yùn)行成本。這符合現(xiàn)階段 國(guó)家 提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 。 隨著發(fā)電機(jī)逐漸形成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性 也成為 是一個(gè) 越來(lái)越 復(fù)雜的問(wèn)題， 因此 對(duì)它的研究 已經(jīng)成為世界各國(guó)電力工 作者和 教學(xué) 科研工作者 等 面對(duì) 重要問(wèn)題。 人們 經(jīng)過(guò) 多年的 研究 探索與實(shí)踐 經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 系統(tǒng)的功角 能否 穩(wěn)定對(duì) 電力系統(tǒng) 穩(wěn)定性有著重大的影響。面對(duì) 如此龐大 電力市場(chǎng)挑戰(zhàn)下，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性 涉及到 各行各業(yè)各個(gè)方面的實(shí)際 利益。所以 各類學(xué)者對(duì) 電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定 的研究是有必要有目的性的研究 。 電力系統(tǒng) 的功角穩(wěn)定包括 三 個(gè)方面的穩(wěn)定 ： 。 在我們研究范圍內(nèi) 電力系統(tǒng) 正常運(yùn)行時(shí)遇 到 某些 小干擾后， 整個(gè)電力 系統(tǒng) 不發(fā)生非周期 失步， 通過(guò)一段時(shí)間后系統(tǒng)能 自動(dòng)恢復(fù)到 初始正常 運(yùn)行狀態(tài)的能力 。 與靜態(tài)穩(wěn)定 存在部分 相同點(diǎn) ， 它 們的 不同點(diǎn)是 電力系統(tǒng)遇 到大干擾 ， 系統(tǒng) 是 能 恢復(fù)到初始 正常狀態(tài)或者還 能 夠達(dá)到 新的穩(wěn)定 的 運(yùn)行狀態(tài)的能力 。 就是說(shuō)我們所研究的 系統(tǒng)受到干擾后 。 不發(fā)生振幅不斷增大的振蕩而失步 [1]。 福州大學(xué) 至誠(chéng) 學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 研究意義 從我們的國(guó) 家性質(zhì)和現(xiàn)階段的國(guó)情出發(fā) ，電力 這個(gè)行業(yè) 從建國(guó) 到現(xiàn)在和大多數(shù) 能源行業(yè)一樣 ，受 國(guó)家壟斷 經(jīng)營(yíng) 并且管理 的一體化 。 面對(duì)人們對(duì)電力行業(yè)的巨大需求以及 電力 行業(yè)飛速 的 發(fā)展 等挑戰(zhàn) ， 這種 由國(guó)家壟斷的管理方式逐漸 出 現(xiàn)了一些 或大或小的問(wèn)題。 這些問(wèn)題主要有 ： 長(zhǎng)時(shí)間 不可預(yù)測(cè) 和控制的停電、發(fā)電廠內(nèi)部設(shè)備浪費(fèi)、電 歇不穩(wěn)定 等等 [2]。 通過(guò) 近年來(lái)人們研究 ， 各大國(guó) 總結(jié)出不少 寶貴的 經(jīng)驗(yàn) 。 另一個(gè)重大的問(wèn)題 是 —— 電力市場(chǎng)。 電力系統(tǒng)的功角 與電力市場(chǎng)有著潛移默化的關(guān)系。兩者無(wú)論哪一方出現(xiàn)了問(wèn)題都將相互影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在未來(lái)可能要 對(duì)過(guò)去 經(jīng)營(yíng)進(jìn)行改革 和創(chuàng)新。 遵循公平競(jìng)爭(zhēng) 等 原則， 在有限的能源下走可持續(xù)發(fā)展道路，進(jìn)行 優(yōu)勝劣汰， 取其精華，去其糟粕 ，完善電力工業(yè)體制，根據(jù) 實(shí)際情況 提出了新的要求 和方法 。 研究 和探索 的 故障類型對(duì)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的影響分析問(wèn)題 就是基于以上進(jìn)行的 。 在我們國(guó)家電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題 尤為突出， 值得我們指出的是我國(guó)家是個(gè)重電源 建設(shè)而輕電網(wǎng)建設(shè)的國(guó)家，這樣的模式在建國(guó)初期能夠滿足國(guó)家和人民的要求，但是長(zhǎng)期的這樣運(yùn)行，導(dǎo)致對(duì)電力系統(tǒng)的電壓控制較為薄弱。這樣就出現(xiàn)了穩(wěn)定性的問(wèn)題。伴隨著生產(chǎn)生活的進(jìn)步，目前我國(guó)的負(fù)荷急速上升同時(shí)，如何保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究極其必要的，只有保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定才能達(dá)到人們生產(chǎn)生活的要求 。 隨著近幾年的電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展和人們不斷的革新，域仿真法從理論上已經(jīng)是非常成熟，為了更進(jìn)一步它完善方法，世界各國(guó)主要目標(biāo)是建立更加完善準(zhǔn)確的發(fā)電機(jī)高階模型和負(fù)荷模型；當(dāng)然選擇更精確有效率的數(shù)值積分方法并且盡可能節(jié)省機(jī)時(shí)與內(nèi) 存，從而加快計(jì)算速度，使它更具效率，也是另一個(gè)突破方向。 分析方法 《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》中對(duì)功角穩(wěn)定的 分析方法主要以 數(shù)值積分 為基礎(chǔ)的時(shí)域仿真法和以 能量函數(shù) 為基礎(chǔ) 的直接法。 本書(shū)對(duì)于功角穩(wěn)定的分析主要有以下這些方法。第一個(gè)是 時(shí)域仿真法， 利用 數(shù)值計(jì)算 的 方法， 根據(jù)所列出的數(shù)值 求出受擾動(dòng)微分方程組 關(guān)于 時(shí)間 的 解， 做好根據(jù)發(fā)電機(jī)的功角的變化來(lái)判別電力系統(tǒng)是否穩(wěn)定 。 將系統(tǒng)中的任意兩臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 功角 是否超過(guò) 極限切除角 作為暫態(tài)是否失去穩(wěn)定的判別依據(jù)。 時(shí)域仿真方法是從穩(wěn)定性的本質(zhì)出發(fā)，由于它 計(jì)算準(zhǔn)確可靠，經(jīng)過(guò)多年的見(jiàn)證 時(shí)域仿真法符合工程實(shí)際的需 求。 這個(gè)方法得到廣泛的利用。另一個(gè) 方法是直接法。 由于時(shí)域仿真法的計(jì)算量很復(fù)雜 ， 需要的計(jì)算的參數(shù)比較多。時(shí)域仿真法只能根據(jù)功角來(lái)判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定 ，不能得出 穩(wěn)定裕度， 因故障類型對(duì)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的影響分析 3 此 不能滿足 部分 要求。 更重要的是它輸出信息利用率很低。世界各國(guó)為了克服這些缺點(diǎn)，科學(xué)家關(guān)于能量 函數(shù)的直接法由此誕生了。這種方法是根據(jù)能量的角度來(lái)做為判別依據(jù)。 原理是就是利用一個(gè)輔助函數(shù)（即李雅普諾夫函數(shù)）的性質(zhì)來(lái)判斷系電力統(tǒng)穩(wěn)定與否 [2]。 它先 構(gòu)造一個(gè)李雅普諾夫函數(shù)，這個(gè)函數(shù) 必須符合系統(tǒng)穩(wěn)定。確定 和系統(tǒng)臨界穩(wěn)定 時(shí) 所對(duì)應(yīng)的 李雅普諾夫函數(shù)值；這樣就可以比較擾動(dòng)結(jié)束時(shí)的李雅普諾夫函數(shù)值。將利亞若夫的值 和臨界值的大小做為判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [2]。近幾年通過(guò)不斷的革新，能量函數(shù)的直接法得到的飛速發(fā)展，世界各國(guó)已經(jīng)順利的制作出許多性能良好的軟件，但目前直接法在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算中仍然無(wú)法取代時(shí)域仿真法的現(xiàn)實(shí) 。 本文主要應(yīng)用時(shí)域仿真發(fā)進(jìn)行分析電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的例子。 研究?jī)?nèi)容 合理科學(xué)的控制電力系統(tǒng)功角既能 提高了 穩(wěn)定性能、電力系統(tǒng)的安全水平，同時(shí)給電力行業(yè)從經(jīng)濟(jì)效益上帶來(lái)十分可觀的效益，然而電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題是一個(gè) 個(gè)非常復(fù)雜的非線性 問(wèn)題， 在眾多的方法中 確定最佳求解方法 已經(jīng)成為現(xiàn)階段電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的趨勢(shì) 。 本論文 通過(guò)總結(jié)和探討電力系統(tǒng)性，研究功角穩(wěn)定的基本原理，在通過(guò)結(jié)合教材上的例子。利用 BPA 電力系統(tǒng)仿真軟件 進(jìn)行潮流計(jì)算，在其中的得到報(bào)告表，分析某些 短路類型 對(duì)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的影響。 福州大學(xué) 至誠(chéng) 學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 第 2 章 同步發(fā)電機(jī)模型 同步發(fā)電機(jī)關(guān)于電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定現(xiàn)象與機(jī)理 功角穩(wěn)定性 問(wèn)題在部分教材上也被稱為發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題。 電力系統(tǒng)的功角能否穩(wěn)定的最根本原因是 發(fā)電機(jī)這一部分引起的。也就是說(shuō) 電力系統(tǒng)功角從穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定的根本原因是 發(fā)電機(jī)的輸入和輸 出功率不平衡造成的。 在系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行時(shí) 0 Tpp? 進(jìn)一步的解釋就是在 正常 運(yùn)行 的穩(wěn)態(tài)情況下， 之所以能讓所有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度保持恒定，是因?yàn)?系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩平衡 原因 。 當(dāng)然可能因?yàn)槟承┰蚶缍搪?，斷線等大擾動(dòng)使 整個(gè)電力 系統(tǒng)的 部分 結(jié)構(gòu)和 系統(tǒng) 參數(shù)發(fā)生了比 較大的變動(dòng) ， 接著整個(gè)系統(tǒng)的潮流與系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)之間的輸出功率發(fā)生了巨大的變化，最終結(jié)果 導(dǎo)致破壞了原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率平衡， 也就是說(shuō) 0 Tpp? ，在分 析 81 的例子中，系統(tǒng)突然發(fā)生短路，原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率 Tp 不變，但是輸出功率嚴(yán)重降低，因此 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生不平衡轉(zhuǎn)矩， 這個(gè)過(guò)剩的轉(zhuǎn)矩 導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化。轉(zhuǎn)子的速度發(fā)生了變化導(dǎo)致 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間 同時(shí)產(chǎn)生 相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 由于發(fā)電機(jī)的的輸出功率和轉(zhuǎn)子 的相對(duì)角度 是相互影響相互作用的 ， 由于故障的并沒(méi)有切除轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子之間的先對(duì)角度繼續(xù)發(fā)生變化。 當(dāng)然這種情況也有個(gè)限度，這個(gè)限度就是 發(fā)電機(jī)相對(duì)角度超越穩(wěn)定極限 ，最后發(fā)生了 失穩(wěn)。 這就是電力系統(tǒng)暫態(tài)書(shū)里關(guān)于電力系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)跟 電磁 功率變化的機(jī)電暫態(tài)過(guò)程 [3]。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè) 首要前提是每 臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子 速度保持一致 ， 這樣的同步轉(zhuǎn)速也就是論文所探討的發(fā)電機(jī)功角 恒定使得系統(tǒng) 不會(huì)發(fā)生震蕩 ，保持正常運(yùn)行。 部分的發(fā)電機(jī)組的功角失穩(wěn)的同時(shí)，也導(dǎo)致其他 機(jī)組的轉(zhuǎn)子 失去同步造成 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的破壞。電力系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間 功角 不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)保護(hù)發(fā)生誤動(dòng) 作， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生電力事故， 大面積停電，導(dǎo)致系統(tǒng)解列嚴(yán)重的影響用戶生產(chǎn)生活 ，更嚴(yán)重的造成運(yùn)行人員傷亡 。 因此本論文研究發(fā)電機(jī)功角 ，根據(jù)電力系統(tǒng)仿真軟件計(jì)算出穩(wěn)定與不穩(wěn)定的極限切除時(shí)間 。 同步發(fā)電機(jī)的模型 意義 由于電力系統(tǒng)是一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)，它不是有簡(jiǎn)單的一臺(tái)發(fā)電機(jī)構(gòu)而是由數(shù)百臺(tái)發(fā)電機(jī)組成的一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)還包括加勵(lì)磁系統(tǒng)，調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)等等，這些參數(shù)將會(huì)出現(xiàn)多維的復(fù)雜綜合問(wèn)題，給計(jì)算帶來(lái)很大的不便。為了方便在不同的場(chǎng)合下使用，人們常對(duì)同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型做不同程度的的簡(jiǎn)化，使故障類型對(duì)電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定的影響分析 5 之能夠運(yùn)用與實(shí)際工程問(wèn)題當(dāng)中，而不是只存在與書(shū)本當(dāng)中。 dq0 坐標(biāo)下的同步發(fā)電機(jī)方程，如果單獨(dú)考慮與定子 d繞組， q繞組相獨(dú)立的零軸繞組，則在計(jì)及dqfDQ5 個(gè)繞組的電磁過(guò)度過(guò)程以及轉(zhuǎn)子機(jī)械過(guò)程時(shí)，電機(jī)分為 7 個(gè)模型 [6]。對(duì)于一個(gè)擁有數(shù)百 臺(tái)發(fā)電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)中，外因此我們通過(guò)巧妙的簡(jiǎn)化和替換，來(lái)減少計(jì)算帶來(lái)的壓力。對(duì)于不同的實(shí)際問(wèn)題及分析工具，電機(jī)模型當(dāng)然也做了不同的的簡(jiǎn)化，因此同步電機(jī)實(shí)際的模型也有不同形勢(shì)。同步電機(jī)的實(shí)際模型最重要的是簡(jiǎn)化假定是忽略定子繞組暫態(tài)。從而令定子電壓微分方程中的 ..0dqpp????，這樣就把它化 為代數(shù)方程。這里其中有個(gè)條件就是在電力網(wǎng)絡(luò)和同步電機(jī)接口時(shí)。 只讓基波正序電量進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子繞組，以便使定子電壓方程代數(shù)化 [6]。下面介紹各階的的導(dǎo)出思路。 首先根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愕贸鐾桨l(fā)電機(jī) 10 個(gè) 基本方程（ .dqfDQu 、 ..dqfDQψ ）： . . . .d d d r qu ri pψ ω ψ? ? ? ? . . . .q q q r du ri pψ ω ψ? ? ? ? . . . .f f f fu r i pψ? ? ? . . .0