电力系统在线暂态稳定数字仿真研究

论文摘要

随着全国各大电网互联工作的全面展开,电网结构,控制及其运行方式将越来越复杂,稳定性问题也越来越重要。运行人员需要及时地掌握系统的稳定水平,因此迫切地需要在线、快速和准确地分析电力系统的暂态稳定性。作为研究暂态稳定问题的工具,暂态稳定数字仿真应尽早实现在线应用。本文主要研究暂态稳定分析的数值算法以满足在线暂态稳定分析对快速性和精准性的要求。本文首先详细阐述了暂态稳定分析的模型以及数值求解方法,并指出微分-代数方程组的现有数值解法各自的缺点。随后援引双向迭代的基本思想,利用电力系统各元件间的物理联系,引申出机网接口的概念以及“形成接口方程前代”和“回代求解发电机系统变量”的方程组求解步骤,实现了另一种形式的联立求解。该算法在计算精度上和在元件扩展性上分别继承了现有方法的优点,而且在非线性环节处理上更加便捷。另外本文对网络方程大规模矩阵和发电机子系统小规模矩阵,采用不同稀疏存储格式和求解器,充分提高计算效率。本文在研究过程中发现在处理电力系统控制器中的非线性环节时,如果方法不当会引发数值振荡。经过对系统仿真中数值振荡问题的细致研究,指出数值振荡的产生机理——隐式梯形法将突变前变量值引入方程,导致方程为了平衡变量突变前后的差值而产生周期性的补偿亦即数值振荡;利用数值振荡高频的特点,从数字滤波的角度提出一种新型消除振荡的方法——均值消振法,经过消振效果对比表明均值消振法的有效性和便捷性;针对系统非线性环节总结出一套行之有效的具体处理方案,并给出后续消除数值振荡的方法,在算例中得以应用。最后依照本文提出的算法思想采用C++语言编写电力系统暂态稳定在线分析程序,在IEEE4机11节点试验系统以及华北电网实际系统上进行仿真计算,并与电力系统暂态仿真软件BPA进行了比对、分析,证明了本文算法及模型实现在速度以及精确度上均可满足在线暂态安全稳定分析的需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电力系统仿真概述
• 1.2.1 电力系统模拟研究方法
• 1.2.2 电力系统数字仿真的特点和用途
• 1.3 电力系统数字仿真的发展现状
• 1.4 电力系统数字仿真发展所面临的问题
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 电力系统暂态稳定分析数学模型
• 2.1 电力系统暂态稳定分析概述
• 2.2 同步发电机数学模型
• 2.2.1 坐标变换式
• 2.2.2 同步发电机的转子运动方程式
• 2.2.3 同步发电机转子不同阶数数学模型
• 2.3 负荷数学模型
• 2.4 网络的数学模型
• 2.5 励磁系统的数学模型
• 2.6 电力系统稳定器的数学模型
• 2.7 原动机及其调速系统的数学模型
• 第三章 电力系统暂态稳定分析数值求解
• 3.1 全系统数学模型的组成及关系
• 3.2 微分方程组的求解方法
• 3.2.1 隐式梯形积分法的精度
• 3.2.2 隐式梯形积分法的数值稳定性
• 3.3 非线性方程组的求解方法
• 3.4 微分-代数方程组的数值解法
• 3.5 暂态稳定数值解法的流程
• 3.5.1 暂态稳定分析的基本流程
• 3.5.2 动态元件与网络的连接——机网接口
• 3.6 本章小结
• 第四章 数字仿真中数值振荡处理方法探究
• 4.1 数值振荡发生的数学机理
• 4.1.1 电磁暂态仿真中网络结构突变导致数值振荡
• 4.1.2 机电暂态仿真中控制器非线性环节导致数值振荡
• 4.2 数值振荡的抑制手段
• 4.2.1 后退欧拉法
• 4.2.2 阻尼法
• 4.2.3 均值消振法
• 4.2.4 各种方法对比
• 4.3 本章小结
• 第五章 算例分析
• 5.1 数字仿真中数值振荡的现象及处理
• 5.1.1 网络结构突变导致数值振荡的现象及处理
• 5.1.2 非线性环节导致数值振荡的现象及处理
• 5.2 仿真算例分析
• 5.2.1 IEEE4 机11 节点小型试验系统仿真对比
• 5.2.2 天津电网2007 年实时数据仿真对比
• 第六章 全文总结
• 附录A 四机十一节点系统
• 附录B 网络结构突变导致数值振荡分析程序Matlab代码
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢