电力系统仿真作业

电力系统仿真一、思考题1.简述电力系统仿真的概念及其分类。答：（1）电力系统仿真，是指利用虚拟现实技术，将像是世界的工业厂房及设备在计算机中虚拟化，利用数据库技术、数据采集与监视控制技术，将生产设备的运行状态参数实时传回虚拟电站系统中，在三维虚拟场景中即可实现对设备的查询管理。（2）电力系统仿真可以有多种分类方法，按系统模型的类型，可分为连续系统仿真——系统模型以微分方程描述；间断（事件）系统仿真——系统模型可以面向事件、面向进程、面向活动的方式描述；连续/间断（事件）混合系统仿真；定性系统仿真——系统模型以模糊理论等描述。按仿真的实现方法和手段，可分为：物理仿真；计算机仿真，又称数学仿真；实物在回路中的仿真，一般称为半实物仿真。2.电力系统数字仿真中常用的坐标系统有哪些？它们各适用于什么场合？它们之间是如何转换的？答：（1）电力系统仿真中常用到的坐标系有abc自然坐标系、dq0旋转坐标系、αβ0静止坐标系、xy0同步选装坐标系、120对称分量坐标系。（2）dq0旋转坐标系适合分析对称的暂态过程，如三相短路、自励磁、次同步振荡过程等；αβ0静止坐标系适用于分析电机不对称运行，如同步电机的两相短路，单相对中性点短路或单相同步电机等；120对称坐标系可用于分析三相不对称绕组的磁势，同步机的异步运行等（3）dq0坐标和abc坐标之间的变换成为派克变化，是将某一时刻abc坐标中的分量分别向dq0坐标系投影并乘以待定系数，以得到dq0坐标系中的分量；αβ0坐标与abc坐标之间的转换，又称克拉克变换，是静止坐标与静止坐标之间的转换，αβ0静止坐标系是dq0旋转坐标系当θ=0且q轴超前d轴的特殊情况，因此易求得其恒相幅值变换及功率变换的变换矩阵。dq0坐标系与xy0坐标系之间的变换是旋转坐标与旋转坐标之间的变换。这两个坐标系的区别在于qd0旋转坐标系的旋转角速度发生变化，而xy0坐标系的旋转角速度始终未额定值。3.什么是机电暂态仿真？什么是电磁暂态仿真？什么是机电-电磁暂态混合仿真？答：（1）机电暂态过程是指电力系统中发电机和电动机电磁转矩变化引起的电机转子机械运动变化的过程，持续时间常常在几秒到十几秒。机电暂态仿真是对电力系统中机械暂态过程和电磁暂态过程的综合分析研究。（2）电磁暂态过程是指电力系统各个元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程，电磁暂态仿真对电力系统中从几微秒到几秒之间的电磁暂态过程进行仿真。（3）电力系统中常规交流部分的动态响应过程相对较慢，采用机电暂态程序仿真；而对需要进行详尽研究的局部区域或特定元件采用更为精确的电磁暂态仿真程序，在混合仿真这种，当一侧进行仿真时，另一侧采用合适的等值电路来代替，数据交换时刻只发生在机电暂态步长点，即每隔一个机电步长的时间两侧才交换一次数据，在一个机电步长的仿真过程中，两侧没有数据交换。4.仿真计算中，有时会出现数值振荡，何谓数值振荡？如何消除？答：在电力系统仿真计算的过程中，当网络的结构发生变化时，网络中的非状变量（如电感元件的电压、电容元件的电流）将会发生突变。对于一个复杂的电力系统来说，要求解突变αβ之后的状态变量十分为难的。因此很多仿真程序不计算突变后的电量，在修改网络伴随导纳矩阵后，仍以突变前的电量计算下一时刻的等值注入袁，这是出现数值振荡的根本原因。要消除数值振荡，要么能够正确求解突变后的非状态变量；要么选择一种积分格式避开非状态变量。许多研究表明，前一种方法对的大规模电力系统的计算是不现实的，智能想办法避开非状态变量，同时又希望积分方法有尽可能高的精度，能彻底消除数值振荡的方法，必须在积分格式中避开非状态变量在突变时刻的值。后退欧拉法和阻尼法是常采用方法。后退欧拉法计算某一时刻的状态只需利用上一时刻的状态变量，而不利用非状态变量，这样当非状态变量发生变化突变时不会引起数值振荡现象。5.简述并行计算在电力系统仿真中的作用；以求解大规模线性方程组为例，介绍并行计算的基本思想。答：并行计算是指在计算机上，将一个应用分解成多个子任务，分配给不同的处理器，各个处理器相互协同，并行的执行子任务，从而加快求解的速度，或者提高求解应用问题规模的目的。将并行计算应用于电力系统仿真中，可以提高求解速度和扩展仿真电网的规模。大规模线性方程组的求解问题在科学计算和工程中非常重要，为求解更大规模的线性方程组，高性能并行计算机上的并行求解算法是目前主要的途径。在边界元法和矩量法求解偏微分方程中，离散化所产生的线性方程组通常是稠密的。主要是对三对角方程组、块对角方程组、周期三对角方程组的计算。二、仿真作业1.仿真题目：含光伏发电系统的配电网控制策略仿真2.仿真目的及内容：在分布式电源接入配电网之前，传统配电网主要通过有载调压变压器以及电容器来使网络中各节点电压运行在一定的范围内，而大量分布式电源接入后，一方面将引起并网点电压升高，并可能超过规定的电压上限；另一方面，网络的潮流将双向流动，网络的电压分布也不再具有规律性，基于本地量测信息的传统电压控制设备的动作将有可能使电网电压越上限或者越下限。光伏逆变器在其有功出力小于逆变器的额定容量时，具有一定的无功调节裕度，若光伏并网引起并网点电压越限，可以利用光伏逆变器的无功功率来参与电网电压调节。为了使大量光伏并网后，电网电压仍能维持在一定的范围内，给出了一种利用光伏逆变器以及有载调压变压器共同调节电网电压的控制策略。3.仿真原理：一、光伏逆变器无功功率控制策略光伏逆变器无功功率控制采用基于电压的Q(U)控制策略。Q(U)控制策略特性曲线如图1所示。当电压在U1和U2之间，光伏逆变器发出一定的无功功率来支撑电网电压，当电压在U2和U3之间，光伏逆变器以单位功率因数并网，当电压在U3和U4之间，光伏逆变器吸收一定的无功功率来限制电网电压升高。U(p.u.)QQmax-QmaxU1U2U3U4图1Q(U)控制策略特性曲线根据电压大小来确定无功功率参考值，其分段函数表达式为：2233434,(),-0()-max1max1max1213maxmax4QUUQUUQUUUUUUUUQQUUUUUUUQUU，，，式中电压U1、U2、U3、U4分别设定为0.93p.u.、0.94p.u.、1.06p.u.、1.07p.u.二、有载调压变压器分接头控制策略在光伏逆变器自身无法使电网电压保持在规定的范围内时，有载调压变压器on-loadtapchangingtransformer(OLTC)可以利用其分接头来调节电网电压，为了防止其误动作，给出了基于电网电压最大最小值的分接头控制策略，电网电压最大与最小值通过安装在电网关键节点上馈线自动化终端单元feederterminalunits(FTU)FTU的信息估计得到。光伏接入配电网后，会抬高接入点的电压，光伏出力过大时，接入点的电压会超过馈线首端电压，因此，电网电压最大点存在于光伏接入点、接有无功补偿装置的节点以及馈线首端节点。在这些节点上，安装FTU可以实时测量得到电网电压的最大值。电网电压最小点存在于馈线末端、两个光伏之间以及光伏与无功补偿装置之间的节点上。馈线末端节点电压可通过FTU测量得到。电网电压最小值估算以光伏并网点、无功补偿装置接入点、馈线分支开关作为分割边界，估算出每个区域内的电压最小值，取其中的最小值作为电网电压的最小值。以图4来说明电压最小值的估算。电压最大最小值Umax,UminUmaxUupper且T≥Tdelay?UminUlower+dN且N≤Nmax且K≤Kmax?变压器分接头上调一档UminUlower且T≥Tdelay?UmaxUupper-dN且N≥Nmin且K≤Kmax?变压器分接头下调一档是否是是是结束否否否图2电压最小值估算示意图进行电压最小值估算时，假定负荷集中在两个元件（光伏或无功补偿装置）的中间[6]，则由PV1估算得到的电压值为：电压最大最小值Umax,UminUmaxUupper且T≥Tdelay?UminUlower+dN且N≤Nmax且K≤Kmax?变压器分接头上调一档UminUlower且T≥Tdelay?UmaxUupper-dN且N≥Nmin且K≤Kmax?变压器分接头下调一档是否是是是结束否否否由PV2估算得到的电压值为：电压最大最小值Umax,UminUmaxUupper且T≥Tdelay?UminUlower+dN且N≤Nmax且K≤Kmax?变压器分接头上调一档UminUlower且T≥Tdelay?UmaxUupper-dN且N≥Nmin且K≤Kmax?变压器分接头下调一档是否是是是结束否否否(为了估计的更精确，取两者的平均作为区域电压最小值：电压最大最小值Umax,UminUmaxUupper且T≥Tdelay?UminUlower+dN且N≤Nmax且K≤Kmax?变压器分接头上调一档UminUlower且T≥Tdelay?UmaxUupper-dN且N≥Nmin且K≤Kmax?变压器分接头下调一档是否是是是结束否否否分接头控制算法流程图如图3所示。当估计得到的电网电压最大值Umax大于上限电压值Uupper且时间T大于设定的动作延时Tdelay时，此时判断分接头N是否达到分接头最大档位Nmax、分接头动作后电网电压最小值Umin不越电压下限Ulower并且分接头动作次数K小于最大分接头动作次数Kmax，如果条件都满足，则变压器分接头上调一档；当估计得到的电网电压最小值Umin小于电压下限值Ulower且时间T大于设定的动作延时Tdelay时，此时判断分接头N是否达到最小档位Nmin、分接头动作后电网电压最大值Umax不越电压上限Uupper并且分接头动作次数K小于最大分接头动作次数Kmax，如果条件都满足，则变压器分接头下调一档。电压最大最小值Umax,UminUmaxUupper且T≥Tdelay?UminUlower+dN且N≤Nmax且K≤Kmax?变压器分接头上调一档UminUlower且T≥Tdelay?UmaxUupper-dN且N≥Nmin且K≤Kmax?变压器分接头下调一档是否是是是结束否否否图3分接头控制算法流程图4．仿真软件：DIgSILENT/PowerFactory仿真软件5．仿真过程在DIgSILENT/PowerFactory仿真软件中建立了分布式光伏发电系统接入配电网的仿真模型，如图4所示。仿真采用DIgSILENT/PowerFactory的有效值仿真算法。仿真模型参数如表1所示。将5个光伏发电系统分别接入节点12、16、22、25、31，其中PV1~PV3额定功率为0.5MVA，PV4~PV5额定功率为1MVA。光照强度变化曲线如图5（a）所示。负荷功率变化曲线如图5（b）所示。其中节点1上无负荷，节点2、3、4、19、23上的负荷类型为类型1，其余节点上的负荷类型为类型2，负荷变化过程中功率因数保持不变，其中负荷类型1的功率因数为0.85，负荷类型2的功率因数为0.95。为了对电网电压值进行估计，在节点1、3、4、7、12、16、18、22、25、31、33上分别配置一个FTU。PV5102345678910PV11112131415161718192021222324252627282930313233PV3PV2PV4图4修改过的IEEE33节点系统示意图图5典型光照和负荷曲线表1仿真模型参数外部电网短路容量：1000MVAR/X比值：0.1有载调压变压器HV：110±8×1.25%kV，LV：10.5kV，20MVA，YNd11，P0：24kw，Pk：93kw，I0%：0.69%，Uk%：10.5%6.仿真结果及分析有载调压变压器分接头控制器根据变压器二次侧电压改变分接头，分接头控制器参数Ulower、Uupper、Tdelay分别设定为1.04p.u.、1.06p.u.、40s；光伏发电系统以单位功率因数并网。随着光照强度以及负荷的变化，对电网中节点1~33的电压分别取最大值和最小值，其变化曲线如图