基于PSASP的九節(jié)點電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析

摘要：電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的主要目的是檢查電力系統(tǒng)在受到大的擾動情況下，如發(fā)生故障、切機、切負荷、重合閘操作等，各發(fā)電機機組間是否能保持同步運行，且運行電壓和頻率是否在規(guī)定范圍內(nèi)，若是，則表明該系統(tǒng)在這一大的擾動下運行是暫態(tài)穩(wěn)定的。現(xiàn)將九節(jié)點電力系統(tǒng)中的各元件模型，根據(jù)元件間拓撲關(guān)系形成全系統(tǒng)模型，并通過PSASP仿真，以潮流解為初值，模擬相應(yīng)的擾動類型，求系統(tǒng)擾動下的數(shù)值解，根據(jù)母線電壓和發(fā)電機功角判斷該電力系統(tǒng)在大的擾動下運行的暫態(tài)穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：暫態(tài)穩(wěn)定;PSASP;母線電壓;發(fā)電機功角

0 引言

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是保證電力系統(tǒng)正常運行必須考慮的重要問題。當(dāng)電力系統(tǒng)受到大的擾動時，各發(fā)電機組間需要保持同步運行，且運行電壓和頻率需控制在規(guī)定范圍內(nèi)，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文以九節(jié)點電力系統(tǒng)在受到擾動時的運行情況為模型，進行PSASP仿真，根據(jù)輸出圖形直觀判斷電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 潮流計算

潮流計算是指在給定電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲、元件參數(shù)和發(fā)電、負荷參量條件下，計算有功功率、無功功率及電壓在電力網(wǎng)中的分布情況。

現(xiàn)在通常用牛頓法進行潮流計算，其原理：在直角坐標(biāo)下，節(jié)點功率表示為Pi+jQi;節(jié)點電壓表示為ei+jfi。

對于PQ節(jié)點，其節(jié)點有功功率平衡、節(jié)點無功功率平衡公式為：

ΔPi=Pis-Pi=0 ? ?ΔQi=Qis-Qi=0

式中：Pis和Qis為第i個PQ節(jié)點給定的有功功率和無功功率;Pi和Qi為第i個節(jié)點的有功功率和無功功率。

對于PV節(jié)點，其節(jié)點有功功率平衡、節(jié)點電壓平衡公式為：

ΔPi=Pis-Pi=0 ? ?ΔVi 2=Vis 2-Vi 2=0

式中：Pis和Vis為第i個PV節(jié)點給定的有功功率和電壓幅值;Pi為節(jié)點有功功率;Vi為節(jié)點電壓。

在極坐標(biāo)下，對于每個PQ節(jié)點及PV節(jié)點，都可以列寫一個有功功率不平衡量方程式ΔPi=0，而對于每一個PQ節(jié)點還可以列寫一個無功功率不平衡量方程式ΔQi=0。

本文通過繪制九節(jié)點電力系統(tǒng)潮流計算模型進行潮流計算，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，母線電壓標(biāo)幺值均在0.95～1.05，該系統(tǒng)潮流分布合理。

2 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

對于電力系統(tǒng)某一特定的穩(wěn)定運行狀態(tài)，某一特定的擾動，系統(tǒng)如果在受到擾動后可以達到一個可以接受的穩(wěn)定運行狀態(tài)，則對此初始狀態(tài)及擾動而言，稱之為暫態(tài)穩(wěn)定。

本文采用時域仿真法對九節(jié)點電力系統(tǒng)進行暫態(tài)穩(wěn)定分析。首先將電力系統(tǒng)各元件模型根據(jù)元件間拓撲結(jié)構(gòu)，形成全系統(tǒng)模型（已在潮流計算中進行構(gòu)建），然后以穩(wěn)態(tài)工況或潮流解為初解，求系統(tǒng)擾動下的數(shù)值解，并根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)子搖擺曲線來判別系統(tǒng)在大的擾動下能否保持同步運行。

2.1 ? ?故障前后電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性

本文對圖1所示的九節(jié)點電力系統(tǒng)進行暫態(tài)穩(wěn)定分析，當(dāng)該電力系統(tǒng)無擾動時，各機組功角穩(wěn)定，呈一條直線，各母線電壓值也穩(wěn)定，呈一條直線。

模擬該系統(tǒng)在母線7與母線8之間發(fā)生三相短路接地故障，1 s時發(fā)生故障，1.1 s后切除故障，計算的總時間T為10 s，積分步長Δt為0.01 s，得到故障發(fā)生后電力系統(tǒng)各機組功角與各母線電壓圖形分別如圖2、圖3所示。

由圖2可知，在母線7與母線8之間發(fā)生三相短路接地故障后，各機組的功角差值均小于180°，且各機組功角差值隨著時間的變化最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。

由圖3可知，在發(fā)生故障時，母線1～9電壓均出現(xiàn)不同程度的跌落，隨著故障的切除，各母線電壓均恢復(fù)并保持到原有水平。其中，離故障點較遠的母線1、母線3、母線4、母線5、母線6電壓跌幅較小，離故障點最近的母線7、母線8電壓跌幅最大。

2.2 ? ?故障時間對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

故障時間對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性來說十分重要。當(dāng)該系統(tǒng)在母線7與母線8之間發(fā)生三相接地短路故障時，假設(shè)故障切除時間為0.1 s、0.3 s、0.5 s，分別查看發(fā)電機2與發(fā)電機3之間的功角差曲線（因為發(fā)電機2與發(fā)電機3之間的功角差值最大），如圖4所示。

由圖4可知，在故障時間為0.1 s與0.3 s時，各機組的功角差值均小于180°，且各機組功角差值隨著時間的變化最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。而當(dāng)故障時間為0.5 s時，發(fā)電機2與發(fā)電機3之間的功角差值大于180°，系統(tǒng)運行失去穩(wěn)定性。

2.3 ? ?故障極限切除時間的確定

由2.2可知，不同的故障切除時間對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性影響很大，為此，要是電力系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)下，需要確定故障切除時間的極限值。當(dāng)故障切除時間為0.314 9 s與0.315 0 s時各機組的功角曲線如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，當(dāng)故障切除時間為0.314 9 s時，該系統(tǒng)運行能夠保持穩(wěn)定，當(dāng)故障切除時間為0.315 0 s時，該系統(tǒng)運行將失去穩(wěn)定。因此，該電力系統(tǒng)故障極限切除時間為0.314 9 s。

3 結(jié)語

本文運用PSASP對三機組九節(jié)點電力系統(tǒng)進行了潮流計算與暫態(tài)穩(wěn)定分析。在無擾動工況下，該電力系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定運行;當(dāng)電力系統(tǒng)受到大的擾動時，距離擾動較遠的母線受到的影響較小，距離擾動越近的母線受到的影響越大;故障切除時間越短，各機組之間的功角差值越小，系統(tǒng)就越穩(wěn)定;當(dāng)故障切除時間超過0.315 0 s時，系統(tǒng)將失去穩(wěn)定，需要采取另外的措施來保證系統(tǒng)的正常運行。

[參考文獻]

[1] 倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2] 劉天琪.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析理論與方法[M].北京：中國電力出版社，2007.

收稿日期：2020-08-07

作者簡介：李愷（1993—），男，山東高密人，助理工程師，從事低壓配電工作。