交直流电力系统的动态过程

1交直流电力系统的动态过程华南理工大学电力学院蔡泽祥[e-mail]13922443321云南曲靖2008.321、电力系统动态过程概述2、电力系统电磁暂态过程3、电力系统机电暂态过程主要内容3一、电力系统动态过程概述1、电力系统的动态系统特征2、电力系统动态过程的时间尺度3、电力系统动态过程的分析手段41.1电力系统的动态系统特征电力系统的两种运行状态：9电力系统的稳态运行：指电力系统正常的、相对静止的运行状态―稳态分析；电力系统正常的、三相对称运行状态的分析和计算（如潮流计算）。9电力系统的暂态过程：指电力系统从一种稳定运行状态向另一种稳定运行状态的过渡。51.1电力系统的动态系统特征（2）电力系统本质上是一个动态系统，物理元件包含储能元件，数学模型根本上应为微分方程描述；物理过程表现为系统从一个稳态到另一个稳态需要时间，是一个过程。因此所谓“稳态”是一个近似的相对概念：即相对于我们研究问题的主要特征，有些暂态被忽略了。61.1电力系统的动态系统特征（3）发电机（空载）突然短路暂态过程曲线71.1电力系统的动态系统特征（4）高肇直流极1发生换相失败直流电压暂态过程曲线81.1电力系统的动态系统特征（5）贵广直流双极闭锁，切机后保持暂态稳定91.2电力系统动态过程的时间尺度9电磁暂态过程：研究电力系统各元件中电场、磁场以及相应的电压、电流的变化过程。时间从几个到几个ms。¾目的是分析系统故障和操作后可能出现的过电压、过电流，直流系统所涉及的动态过程就是这个阶段。另还有：继电保护、防雷、接地、电磁兼容、谐振过电压等应用。¾模型特点：分布参数、波过程，忽略了时间常数较大的动态行为。时间电磁暂态机电暂态中长期动态sμ101.2电力系统动态过程的时间尺度(2)9机电暂态过程：研究系统在故障扰动后，发电机（电动机）电磁转矩变化所引起的电机转子机械运动的变化过程。机电暂态过程的涉及面很广，大致分为两大部分：¾发电机功角（同步）稳定问题：目的是分析电力系统中同步旋转的发电机能否保持同步稳定运行的能力（不失步、解列）。低频振荡、暂态稳定等即属于这一范畴。111.2电力系统动态过程的时间尺度(3)¾暂态电压（负荷）稳定问题：主要分析电力系统在受到扰动后，考虑感应电动机、有载调压变压器等无功电压动态调节特性时，系统电压是否能保持稳定。¾电压稳定问题和功角稳定问题往往是交融在一起的，在电力系统受到一个扰动后，这两个问题往往同时存在。¾电压稳定问题主要涉及负荷区域与负荷特性；而功角稳定更关心是远距离输电的发电机。因此，电压稳定本质上属于负荷稳定问题，而功角稳定问题本质上为发电机稳定问题。12¾模型特点：功角稳定研究以发电机机电动态为主；而暂态电压稳定问题以感应电动机和有载调变压器分接头动态为主。时间尺度上以发电机、电动机机电时间常数为中心，忽略小时间常数的快过程（认为已结束），忽略大时间常数的慢过程（认为未开始）。¾电压稳定问题相对比较新，因此在传统的电力系统稳定问题研究中未涉及，形成了相对独立的研究体系。1.2电力系统动态过程的时间尺度(4)131.2电力系统动态过程的时间尺度(5)9中长期动态过程：研究系统同步稳定结束后，系统过渡到新的稳态运行状态的动态过程。¾目的是研究系统因有功、无功功率不平衡造成的系统全局性稳定问题。涉及系统大面积停电的频率崩溃、电压崩溃、系统恢复控制问题都属于这一范畴。¾典型的频率崩溃过程：大面积停电事故发电机低频保护动作丢失重要电源⇒→→⇓↓→Σ↓→⇒ΣΣ→Δ→→min)3(fffPfPPPkGLGh14¾模型特点：忽略了系统各发电机（电动机）间的相对运动，将系统看作是一个刚性的整体，计及时间常数较大的锅炉、汽机、AGC等时间常数。1.2电力系统动态过程的时间尺度(6)151.3电力系统动态过程的分析手段现场故障（试验）录波数据¾故障录波装置目前的采样频率已达到5000～10000Hz，是微机保护的5～10倍，可以反映电力系统故障过程的细节。故障录波数据已成为检验实际故障过程和继电保护动作的依据。目前，已有多种软硬件工具（故障录波分析软件和继电保护测试仪）可以完成故障录波数据回放。¾继电保护故障信息系统：二次设备SCADA。16基于同步相量测量（PMU）的广域测量系统（WAMS）电力系统是一个电路系统，如果知道各节点（母线）电压相量（幅值和相位），则很容易求得各支路（供电线路）的电流、功率等。•电力系统各母线的电压相量是表征电力系统状态的状态量。•电压幅值比较容易测量，很早就有了测量装置。17•电压相位的直接测量比较复杂，其难点在于如何在高精度下保持不同地点测量的同步性。对于50Hz的工频量而言，1ms的同步误差即可产生18°的相位误差；而要保证相位误差不超过0.1°，其同步精度应不大于5.5μs。同步相量测量原理18基于电压过零的电压相位检测基于GPS的同步相量测量PMU原理框图19•各PMU的采样时钟在GPS同步信号作用下，保证各测量点采样的同步进行。各PMU的CPU利用带有时间顺序编号的电压(电流)进行数据采样，不断地计算出电压(电流)的基波相量，并给它们置以相应的“时间标签”。•将计算结果连同它们的时间标签实时传送至调度中心。由于各测量点的采样是同步进行的，同一时刻计算出的相量将具有统一的参考基准，其相位关系可直接进行比较。由此可实现对整个系统的相量同步测量。•目前南网和各省电网正在建立覆盖所有主要厂站的WAMS系统。由于该系统的建立，使人们第一次真正“看见”了系统的功角振荡。2021222324电力系统动态模拟试验¾电力系统动态模拟试验是物理仿真，基于标幺值相等的原理用小机组模拟大机组、用RLC元件模拟线路，用电动机、灯泡等模拟负荷。通过电流（电压）互感器输出的是与实际电网相近（二次电流、电压数量级也一致）的实时故障电流。动模试验已成为继电保护装置进入电网实际运行前必须通过的一个试验环节。我国高校昀大的动模实验室（9台机）在清华大学，是国家重点实验室。25计算机实时仿真系统¾动模试验的昀大优势是物理仿真，一定程度上是“真”的，可以反映数学模型未描述的现象。其昀大缺点是定量性差，维护量大，很难建立大系统。随着计算机并行计算和计算机硬件的发展，计算机实时计算已有可能。计算机实时仿真系统即是通过计算机并行计算实时求解微分方程，通过D/A将计算结果转换为模拟量，经过功放输出为（二次系统数量级）的故障电流、电压，用于测试继电保护装置的动作情况，分析电力系统的动态过程等。26¾目前，国际上昀具代表性的3家产品：RTDS、Hypersim、Arane。国内许多继电保护厂家、高校和中试所都购买了RTDS产品，昀大的在电科院，是为三峡电网模拟的，可以模拟36机的系统。¾南网技术中心的RTDS系统在直流仿真方面在国内是昀先进的。¾华工电力学院引进的是Hypersim仿真系统。¾国内中国电科院的ADPSS和殷图公司的DDRTDS具有类似功能，但模型和性能有待加强，价格和维护费用较低。计算机实时仿真系统27计算机仿真计算软件¾以上都是面向实际装置的电力系统故障动态研究工具。由于大电网的复杂性，实际工作中有可能要求分析系统极端工况和故障情况下的继电保护运行状况，而这样的极端情况是没有故障录波数据的。动模试验和RTDS由于规模限制难以体现一个大电网系统级的运行环境和故障条件，也难以反映同一故障过程的不同断面或连锁故障序列。28¾因此作为运行方式分析、系统电网规划、系统研究等更多的需要，（离线）的计算机仿真计算软件是应用昀广泛的而且也廉价得多。电力系统计算机仿真计算软件是应用计算机算法、程序求解描述电力系统的数学模型，将结果通过曲线或图表表示出来。计算机仿真计算软件29¾计算机软件的昀大优势是计算规模可以非常庞大、数学模型可以任意精细；缺点是计算速度较慢。目前，我国电力系统较多采用的计算分析软件有：¾EMTP/EMTDC/ATP：电力系统电磁暂态计算程序。¾BPA、PSASP：电力系统综合分析程序（机电暂态），潮流、短路、稳定。¾其他软件：TSAT/VSAT/IPFLOW，PSS/E，NETOMAC，SIMPOW。计算机仿真计算软件30二、电力系统电磁暂态过程1、电力系统电磁暂态过程概述2、电磁暂态分析的基本模型和方法3、PSCAD/EMTDC软件介绍312.1电力系统电磁暂态过程概述9电力系统电磁暂态过程的实质是电力系统中广泛存在大量的电场和磁场储能元件，也即描述这些元件电磁关系采用的是微分方程。9电力系统电磁暂态过程分析的主要目的在于分析和计算故障或操作后电力系统中可能出现的暂态过电压和过电流，以便对电力设备进行合理设计，确定已有设备能否安全运行，并研究相应的限制和保护措施。322.1电力系统电磁暂态过程概述(2)9此外，对于研究新型快速继电保护装置的动作原理、高压直流输电运行与控制、故障测距原理以及电磁干扰等问题也常需要进行电磁暂态过程分析。9电力系统电磁暂态分析更关注的是系统层面，对元件的描述侧重其电磁动态特性对系统的影响。因此一般不适合于研究元件内部的电磁暂态机理，如：换流器内部器件故障、均压、均流机理，高电压中的局放、电弧熄弧和重燃等。339由于电磁暂态过程变化很快，一般需要分析和计算持续时间在毫秒级以内的电压、电流瞬时值变化情况，因此在分析中需要考虑元件的电磁耦合，计及输电线路分布参数所引起的波过程，有时甚至要线路三相结构不对称、线路参数的频率特性以及电晕等因素的影响。2.1电力系统电磁暂态过程概述(3)349随着计算机和计算方法的发展，现在已研究和开发出一些比较成熟的数值计算方法和程序来对电磁暂态过程进行分析和研究，如基于H.W.Dommel模型的电磁暂态程序EMTP、EMTDC，具有很强的计算功能和良好的计算精度，已得到国际上的普遍承认和广泛应用，并仍在继续发展。2.1电力系统电磁暂态过程概述(4)35电磁暂态分析的基本思路是列出可以描述元件电压和电流关系的微分方程，然后应用数值方法进行求解。由于隐式梯形积分法比较简单，而且具有相当的精度和良好的数值稳定性，并能较好的适应刚性微分方程组，因此电磁暂态程序大多采用这种积分法。2.2电磁暂态分析的基本模型和方法36隐式梯形积分公式对于常微分方程,根据微分定义，在上式可近似：因此，)(xfdtdx=]),([tttΔ−}{2)]([)]([)()(ttxftxftttxtxΔ−+=ΔΔ−−{})]([)]([2)()(ttxftxftttxtxΔ−+Δ+Δ−=37集中参数元件的暂态等值计算电路以电感元件为例：图电感元件电路（）实际电路；（）暂态等值计算电路()jkit()jut()kut()jut()kut()jkitLR()LItt−Δ38电感元件的微分方程：应用梯形积分公式化为差分方程即：其中：其暂态等值计算电路如图2-1b所示。kjjkuudtLdi−=/)]}()([)]()({[2)()(ttuttututuLtttitikjkjjkjkΔ−−Δ−+−Δ+Δ−=)()]()([1)(ttItutuRtiLkjLjkΔ−+−=tLRLΔ=/2)]()([1)()(ttuttuRttittIkjLjkLΔ−−Δ−+Δ−=Δ−集中参数元件的暂态等值计算电路39分布参数线路的等值计算电路¾电磁波的在线路中的传播接近光速：即，一条300km线路中电磁波从一端传递到另一端需要。¾当分析问题的时间尺度远远大于这一时间时（如暂态稳定仿真的步长大约为10ms），可以认为线路的电气量是瞬时地从一端传递到另一端。这时可以将线路看作一个整体，即用RLC集中参数模拟。skm/1035×ms140分布参数线路的等值计算电路¾而电磁暂态分析的时间尺度大约为0.1ms级，也即线路的电气量从一端传递到另一端需要时间（10个步长），也即：线路电气量在线路的空间上有差异，这时就必须采用分布参数模型才能体现这一过程。相应的电气量在线路中是一个波过程传递的。¾继电保护中研究行波暂态保护和故障测距时，必须基于分布参数线路模型。41分布参数线路的等值计算电路¾对如图所示