第一章  緒論 

1.1  引言 
電力系統(tǒng)是目前在世界上人造的最為復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)，其通過發(fā)電設(shè)備將機(jī)械能、熱能、光能、化學(xué)能等能量轉(zhuǎn)換為電能，通過變壓器、輸電線路等輸電裝置由發(fā)電側(cè)傳輸?shù)接脩魝?cè)，通過配電變壓器、配電網(wǎng)絡(luò)等配電設(shè)備傳送到終端用戶。從 1878 年托馬斯·愛迪生通過發(fā)明電燈構(gòu)建早期的直流輸電網(wǎng)絡(luò)、1888 年尼古拉·特斯拉提出將交流電應(yīng)用于大規(guī)模電力傳輸開始，電力系統(tǒng)通過數(shù)百年的發(fā)展和進(jìn)步，已經(jīng)成為人類社會(huì)生存和發(fā)展不可或缺的基本要素。 隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模隨著輸電距離的增加、區(qū)域互聯(lián)的增強(qiáng)變得越來越復(fù)雜。系統(tǒng)容量伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷擴(kuò)大，電壓等級(jí)也不斷提高，超高壓直流輸電系統(tǒng)、靈活交流輸電系統(tǒng)等新型電力電子裝置也不斷投入到實(shí)際電網(wǎng)中，這些都對(duì)電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中各個(gè)子網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平下降，系統(tǒng)安全裕度隨之下降；電力電子元件的非線性特性會(huì)帶給系統(tǒng)復(fù)雜的高次諧波，從而影響到繼電保護(hù)裝置的參數(shù)整定和動(dòng)作特性。隨著世界范圍內(nèi)對(duì)能源問題和環(huán)境問題的不斷關(guān)注，傳統(tǒng)的火電、核電在系統(tǒng)中所占的份額有所下降，新興的風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)等等新型發(fā)電系統(tǒng)開始逐步接入到電力系統(tǒng)。智能電網(wǎng)和微網(wǎng)的快速發(fā)展，進(jìn)一步打破了電力系統(tǒng)輸配電自上而下的單向特性，對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)安全分析提出了新的挑戰(zhàn)。 在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)，受到電力系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的約束，雖然理想但是基本不可能的。采用基于物理模型的動(dòng)態(tài)模擬方法在面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)問題時(shí)，同樣遇到了困難，而數(shù)字仿真則顯示了其優(yōu)越性。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真在電力系統(tǒng)規(guī)劃、保護(hù)、調(diào)度、穩(wěn)定性研究中，發(fā)揮了獨(dú)特的作用，成為電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)分析的基本工具。 
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1.2  電力系統(tǒng)數(shù)字仿真概述 
電力系統(tǒng)數(shù)字仿真作為電力系統(tǒng)分析的一個(gè)重要研究課題，通過對(duì)實(shí)際電網(wǎng)中的元件建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值計(jì)算方法求解，在計(jì)算機(jī)上直觀地反映出電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的實(shí)現(xiàn)，可以分成以下三個(gè)步驟： ①建立數(shù)學(xué)模型：根據(jù)系統(tǒng)仿真的目的，考慮系統(tǒng)中各個(gè)元件的相互作用，選取合適的數(shù)學(xué)模型，通過系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)的方法得到數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)過大量試驗(yàn)，最終確立描述系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 ②建立數(shù)字仿真模型：針對(duì)不同形式的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的算法，通過編程和調(diào)試，使數(shù)學(xué)模型能夠靈活地接入仿真程序。通常，數(shù)學(xué)模型由三種形式組成：高階微分方程組、傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程�？紤]到仿真中的數(shù)值穩(wěn)定性和誤差，選擇合適的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行求解。 ③仿真實(shí)驗(yàn)和分析：通過在計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)際系統(tǒng)完成的各種實(shí)驗(yàn)和研究項(xiàng)目，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。 
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第二章  電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)的仿真方法 

電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真反映的是系統(tǒng)中各個(gè)元件微秒級(jí)的動(dòng)態(tài)行為，如同步發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等。為了能夠?qū)@些元件進(jìn)行正確的仿真，需要建立一個(gè)靈活、開放的電磁仿真軟件平臺(tái)。本章首先介紹適合于電磁仿真的微分方程組的求解方法，其次以基本元件為例介紹電磁仿真的基本原理，并對(duì)電磁暫態(tài)仿真中的開關(guān)元件和短路故障進(jìn)行建模，最后說明電磁仿真軟件的基本流程。 

2.1  微分方程組的求解方法
求解上述方程組的數(shù)值解法通常采用差分法，差分法可以分為單步法和多步法、顯式法和隱式法，如歐拉法、后退歐拉法、隱式梯形法、龍格庫塔法等。在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，包含著大量的非線性元件和開關(guān)操作，這些操作不可避免的會(huì)引起數(shù)值振蕩：即非狀態(tài)變量產(chǎn)生不正常的擺動(dòng)。綜合考慮數(shù)值振蕩現(xiàn)象，和仿真過程中數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，本文采用阻尼梯形法[19]作為求解上述方程組的數(shù)值解法。電力系統(tǒng)仿真中存在許多誤差，例如：截?cái)嗾`差、舍入誤差、交接誤差、近似化誤差和限值誤差等[21]。其中，截?cái)嗾`差和舍入誤差是在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)無法避免的誤差。在數(shù)值積分法求解微分方程組的過程中，一個(gè)步長(zhǎng)終點(diǎn)的誤差是上一步長(zhǎng)計(jì)算所引起的總誤差（包含各種誤差）和本步長(zhǎng)計(jì)算所留下誤差的函數(shù)。考慮到數(shù)值積分中誤差的傳遞性，只有當(dāng)每一步產(chǎn)生的誤差與上一步可以互相抵消衰減下去，積分方法才能保證穩(wěn)定性。 
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2.2  電磁暫態(tài)仿真基本元件的數(shù)學(xué)模型及其求解方法
電磁暫態(tài)仿真中最基本的元件包括電阻、電感和電容，它們通�？梢宰鳛榈戎惦娐返囊徊糠郑瑫r(shí)，也可以通過組合，模擬發(fā)電機(jī)、變壓器、集總輸電線等其他電力系統(tǒng)的復(fù)雜元件。初始狀態(tài)下，各個(gè)電阻值均取一個(gè)較大的數(shù)，如 10e6。根據(jù)故障不同，可以在故障時(shí)刻更改對(duì)應(yīng)電阻值。如模擬 a 相單相短路，則可以令 Ra=0.0001；模擬 ab 兩相相間短路故障時(shí)，令 Rab=0.0001；模擬三相故障時(shí)，則全部電阻均取較小的數(shù)，如 0.0001。 斷路器作為電力系統(tǒng)常見元件，其滅弧過程十分復(fù)雜，即使斷路器已經(jīng)斷開，由于電弧的存在，電流依然不能立即變?yōu)榱�。本文不考慮這一復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，僅采用最簡(jiǎn)單的電阻斷路器模型（如圖 2-5(b)所示）。實(shí)際線路短路故障只能在電流過零點(diǎn)才能恢復(fù)，同時(shí)實(shí)際交流斷路器在滅弧時(shí)也利用了電流自然過零的特點(diǎn)。電磁暫態(tài)仿真中，對(duì)于開關(guān)的斷開和閉合是一個(gè)復(fù)雜的過程，在 PSCAD 中，通過“預(yù)測(cè)-校正”的方法通過插值法確定開關(guān)動(dòng)作時(shí)間。本文為了簡(jiǎn)化仿真流程，認(rèn)為流過線路的電流穿越零點(diǎn)后的第一步近似為過零點(diǎn)（如圖 2-6 所示）。 
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第三章   基于電機(jī)參數(shù)的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電磁仿真方法.....20 
3.1  同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型..........20
3.2  同步發(fā)電機(jī)的初值計(jì)算..........25 
3.3  同步發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)仿真方法..........26 
3.4  本章小結(jié)..........30 
第四章   機(jī)電-電磁混合仿真接口技術(shù)研究 .......31 
4.1 EMTP/TSP 混合仿真的基本原理 ...........31 
4.1.1 EMTP/TSP 混合仿真網(wǎng)絡(luò)的劃分 ........31 
4.1.2 混合仿真中接口模型的基本原理........33 
4.2 EMTP 仿真的接口電路模型 ...........33
4.3 TSP 仿真的接口電路模型 .......38
4.4   EMTP/TSP 混合仿真的接口規(guī)則 ........40 
4.5   EMTP/TSP 混合仿真的計(jì)算流程 ........41 
4.6   本章小結(jié)........41 
第五章   算例分析.........43 
5.1  基于阻尼梯形法的電磁暫態(tài)仿真方法分析 ..........43
5.2  同步發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)仿真算例分析..........47 
5.3  機(jī)電-電磁暫態(tài)混合方法仿真算例分析.........49 

第五章  算例分析 

前面各章分別討論了基于阻尼梯形法的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真基本原理和實(shí)現(xiàn)方法；基于電機(jī)參數(shù)的同步發(fā)電機(jī)的伴隨電路模型及其與電磁網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求解的方法；機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真方法。本章通過算例分析，對(duì)上述方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。 

5.1  基于阻尼梯形法的電磁暫態(tài)仿真方法分析 

在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，包含著大量的非線性元件和開關(guān)操作，這些操作不可避免的會(huì)引起數(shù)值振蕩：即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致非狀態(tài)變量產(chǎn)生不正常的擺動(dòng)，本文采用的阻尼梯形法，能夠在仿真過程中被動(dòng)地逐漸消減數(shù)值振蕩。不考慮電磁仿真開關(guān)動(dòng)作時(shí)電流過零點(diǎn)的判斷，開關(guān)直接在 0.005s 斷開。記錄圖中節(jié)點(diǎn)的電壓值u(t)。圖 5-2 所示的分別是阻尼因子的仿真結(jié)果，可以看出，隱式梯形法將不可避免引起數(shù)值振蕩，而后退歐拉法則能夠完全抑制數(shù)值振蕩。 圖 5-3 給出的是阻尼因子不同取值下，阻尼梯形法抑制數(shù)值振蕩的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，隨著取值的逐漸增加，阻尼梯形法抑制數(shù)值振蕩的能力逐漸增強(qiáng)。 

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總結(jié) 

電磁暫態(tài)仿真作為電力系統(tǒng)分析的一個(gè)基本工具，在科研和實(shí)際工程中都具有十分廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。 首先從微分方程數(shù)值解法出發(fā)，介紹了基于阻尼梯形法的電磁暫態(tài)仿真方法的原理，并分析了阻尼梯形法抑制數(shù)值振蕩的性能和特點(diǎn)，給出了不同阻尼因子的仿真誤差分析。本文采用 C++語言進(jìn)行編程，初步搭建了包含電網(wǎng)中電感、電容、短路故障、斷路器等基本元件的電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)。 同步發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)中的基本元件，其仿真的準(zhǔn)確性直接影響著系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的結(jié)果。與傳統(tǒng)的原始參數(shù)的同步發(fā)電機(jī)仿真方法不同，本文從同步發(fā)電機(jī)的電機(jī)參數(shù)方程出發(fā)，采用阻尼梯形法處理發(fā)電機(jī)的微分方程，通過公式推導(dǎo)，建立了對(duì)應(yīng)的同步發(fā)電機(jī)伴隨電路模型，確立了同步發(fā)電機(jī)在電磁暫態(tài)仿真中的仿真方法和接口技術(shù)。通過仿真算例，驗(yàn)證了本文提出的伴隨電路方法的正確性，同時(shí)比較了兩種不同模型的同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，說明不含阻尼繞組的同步發(fā)電機(jī)能夠滿足實(shí)際工程的需求。 隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，，系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壓直流輸電系統(tǒng)和柔性交流輸電系統(tǒng)逐漸投入到電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行之中，同時(shí),系統(tǒng)中也逐漸投入大量的電力電子設(shè)備。這就要求電力系統(tǒng)仿真不僅能夠反映模擬大規(guī)模互聯(lián)系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)過程，同時(shí)還能夠反映出局部系統(tǒng)在數(shù)微秒內(nèi)的電磁暫態(tài)過程。傳統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)和傳統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真技術(shù)均受到一定的限制，無法達(dá)到上述要求。 機(jī)電暫態(tài)仿真基于正序、基頻、相量模型，適用于對(duì)大規(guī)模電網(wǎng)仿真；而電磁暫態(tài)仿真針對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)元件的電磁特性進(jìn)行研究，適用于局部系統(tǒng)的快速響應(yīng)分析。綜合上面兩種方法，機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真根據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)各個(gè)區(qū)域研究的不同需求，將電力系統(tǒng)分為機(jī)電暫態(tài)子系統(tǒng)和電磁暫態(tài)子系統(tǒng)，分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)的仿真。該方法既能夠精確模擬局部系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)特性，又規(guī)避了電磁仿真規(guī)模的限制，同時(shí)能夠反映機(jī)電網(wǎng)絡(luò)故障中功角搖擺對(duì)局部網(wǎng)絡(luò)的影響，具有廣泛的應(yīng)用前景。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：95081