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電力系統全電磁暫態仿真 版權信息
- ISBN：9787030693938
- 條形碼：9787030693938 ; 978-7-03-069393-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
電力系統全電磁暫態仿真 本書特色
本書可供電力系統科研、工程設計、系統分析、調度運行人員以及高 等院校電氣工程專業的師生參考。 圖
電力系統全電磁暫態仿真 內容簡介
本書全面闡述了電力系統全電磁暫態仿真的模型和算法，以及軟件開發技術，共分為八章。第1章概述電力系統仿真的基本原理，第2～4章詳細介紹電力系統常規設備數學模型、新能源發電設備模型、常規直流及柔性直流數學模型，第5～7章重點介紹電磁暫態仿真算法、電磁暫態并行仿真技術和電磁暫態仿真的初始化技術，第8章介紹全電磁暫態仿真程序在實際電網中的應用。
電力系統全電磁暫態仿真 目錄
目錄
“智能電網技術與裝備叢書”序
前言
第1章 概論 1
1.1 系統仿真概述 1
1.2 電力系統仿真 3
1.2.1 電力系統非實時仿真技術 4
1.2.2 電力系統實時仿真技術 8
1.2.3 實時仿真技術與離線仿真技術選擇 11
1.3 電力系統仿真技術的發展與挑戰 11
參考文獻 12
第2章 電力系統常規設備數學模型 13
2.1 同步發電機 13
2.1.1 同步發電機電氣部分模型 13
2.1.2 同步發電機機械部分模型 16
2.2 輸電線路 17
2.2.1 集中參數模型 17
2.2.2 Bergeron模型與Dommel模型 17
2.2.3 考慮參數頻變效應的線路模型 20
2.2.4 各種線路模型的優缺點 21
2.2.5 多相輸電線路的等效電路 22
2.3 變壓器 23
2.3.1 雙繞組變壓器模型 23
2.3.2 三繞組變壓器模型 24
2.3.3 非線性勵磁回路的處理 26
2.3.4 其他類型的變壓器模型 28
2.4 負荷模型 29
2.4.1 ZIP靜態負荷模型 30
2.4.2 感應電動機模型 31
2.5 本章小結 34
參考文獻 34
第3章 新能源發電設備模型 37
3.1 鎖相環及交流電壓正負序分離 37
3.2 常用電氣量的測量與計算 39
3.3 雙饋感應風力發電機 43
3.3.1 雙饋風力發電機變換器及其控制系統 44
3.3.2 風機保護裝置 44
3.4 直驅風力發電機 46
3.5 光伏發電模型 47
3.6 靜止同步補償器模型 48
3.7 風電場的等效與建模 50
3.8 本章小結 53
參考文獻 53
第4章 常規直流及柔性直流數學模型 55
4.1 常規直流輸電系統構成及控制 55
4.2 MMC拓撲結構及電磁暫態模型 68
4.2.1 三相MMC拓撲結構及子模塊工作狀態 68
4.2.2 MMC電磁暫態模型 70
4.3 MMC高效電磁暫態模型 71
4.3.1 MMC戴維南等效模型 71
4.3.2 MMC高效戴維南模型 72
4.3.3 基于雙向堆排序的不完全電容電壓排序算法 73
4.3.4 MMC高精度閉鎖仿真 76
4.3.5 全橋型MMC高效戴維南模型 78
4.4 柔性直流輸電控制系統模型 78
4.4.1 外環控制器模型 79
4.4.2 孤島控制器模型 79
4.4.3 內環控制器模型 80
4.4.4 環流抑制控制模型 81
4.4.5 調制環節控制模型 82
4.5 本章小結 83
參考文獻 83
第5章 電磁暫態仿真算法 84
5.1 電磁暫態數值算法簡介 84
5.2 幾種基本電磁暫態元件模型及網絡解法 85
5.3 電力電子仿真中遇到的問題 89
5.4 主要的處理方法 91
5.4.1 插值技術 91
5.4.2 阻尼梯形法 93
5.4.3 臨界阻尼法 95
5.5 考慮任意重事件發生的多步變步長電磁暫態仿真算法 95
5.6 本章小結 99
參考文獻 100
第6章 電磁暫態并行仿真技術 101
6.1 利用長傳輸線解耦的分網并行算法 101
6.2 基于MATE的并行算法 102
6.3 節點分裂分網并行算法 103
6.4 基于大電網網絡分割的全電磁暫態異步并行方法 106
6.5 本章小結 108
參考文獻 109
第7章 電磁暫態仿真的初始化技術 110
7.1 交直流系統初始化問題分析 110
7.1.1 交流系統的初始化方式分析 111
7.1.2 常規直流的初始化方式分析 114
7.1.3 柔性直流輸電系統的初始化方式分析 116
7.1.4 FACTS設備的初始化方式分析 119
7.2 常規直流輸電系統初始化方法 121
7.2.1 潮流模型誤差分析 121
7.2.2 晶閘管測量的誤差分析 122
7.2.3 三階段初始化策略 125
7.2.4 算例分析 127
7.3 分網初始化方法 129
7.3.1 分網初始化策略 129
7.3.2 算例分析 131
7.4 本章小結 134
參考文獻 135
第8章 全電磁暫態仿真程序在實際電網中的應用 136
8.1 全電磁暫態仿真程序應用場景一：蒙西電網 136
8.2 全電磁暫態仿真程序應用場景二：華東電網 141
8.3 全電磁暫態仿真程序應用場景三：如東海上風電柔直送出工程 155
8.4 本章小結 163
參考文獻 163
“智能電網技術與裝備叢書”序
前言
第1章 概論 1
1.1 系統仿真概述 1
1.2 電力系統仿真 3
1.2.1 電力系統非實時仿真技術 4
1.2.2 電力系統實時仿真技術 8
1.2.3 實時仿真技術與離線仿真技術選擇 11
1.3 電力系統仿真技術的發展與挑戰 11
參考文獻 12
第2章 電力系統常規設備數學模型 13
2.1 同步發電機 13
2.1.1 同步發電機電氣部分模型 13
2.1.2 同步發電機機械部分模型 16
2.2 輸電線路 17
2.2.1 集中參數模型 17
2.2.2 Bergeron模型與Dommel模型 17
2.2.3 考慮參數頻變效應的線路模型 20
2.2.4 各種線路模型的優缺點 21
2.2.5 多相輸電線路的等效電路 22
2.3 變壓器 23
2.3.1 雙繞組變壓器模型 23
2.3.2 三繞組變壓器模型 24
2.3.3 非線性勵磁回路的處理 26
2.3.4 其他類型的變壓器模型 28
2.4 負荷模型 29
2.4.1 ZIP靜態負荷模型 30
2.4.2 感應電動機模型 31
2.5 本章小結 34
參考文獻 34
第3章 新能源發電設備模型 37
3.1 鎖相環及交流電壓正負序分離 37
3.2 常用電氣量的測量與計算 39
3.3 雙饋感應風力發電機 43
3.3.1 雙饋風力發電機變換器及其控制系統 44
3.3.2 風機保護裝置 44
3.4 直驅風力發電機 46
3.5 光伏發電模型 47
3.6 靜止同步補償器模型 48
3.7 風電場的等效與建模 50
3.8 本章小結 53
參考文獻 53
第4章 常規直流及柔性直流數學模型 55
4.1 常規直流輸電系統構成及控制 55
4.2 MMC拓撲結構及電磁暫態模型 68
4.2.1 三相MMC拓撲結構及子模塊工作狀態 68
4.2.2 MMC電磁暫態模型 70
4.3 MMC高效電磁暫態模型 71
4.3.1 MMC戴維南等效模型 71
4.3.2 MMC高效戴維南模型 72
4.3.3 基于雙向堆排序的不完全電容電壓排序算法 73
4.3.4 MMC高精度閉鎖仿真 76
4.3.5 全橋型MMC高效戴維南模型 78
4.4 柔性直流輸電控制系統模型 78
4.4.1 外環控制器模型 79
4.4.2 孤島控制器模型 79
4.4.3 內環控制器模型 80
4.4.4 環流抑制控制模型 81
4.4.5 調制環節控制模型 82
4.5 本章小結 83
參考文獻 83
第5章 電磁暫態仿真算法 84
5.1 電磁暫態數值算法簡介 84
5.2 幾種基本電磁暫態元件模型及網絡解法 85
5.3 電力電子仿真中遇到的問題 89
5.4 主要的處理方法 91
5.4.1 插值技術 91
5.4.2 阻尼梯形法 93
5.4.3 臨界阻尼法 95
5.5 考慮任意重事件發生的多步變步長電磁暫態仿真算法 95
5.6 本章小結 99
參考文獻 100
第6章 電磁暫態并行仿真技術 101
6.1 利用長傳輸線解耦的分網并行算法 101
6.2 基于MATE的并行算法 102
6.3 節點分裂分網并行算法 103
6.4 基于大電網網絡分割的全電磁暫態異步并行方法 106
6.5 本章小結 108
參考文獻 109
第7章 電磁暫態仿真的初始化技術 110
7.1 交直流系統初始化問題分析 110
7.1.1 交流系統的初始化方式分析 111
7.1.2 常規直流的初始化方式分析 114
7.1.3 柔性直流輸電系統的初始化方式分析 116
7.1.4 FACTS設備的初始化方式分析 119
7.2 常規直流輸電系統初始化方法 121
7.2.1 潮流模型誤差分析 121
7.2.2 晶閘管測量的誤差分析 122
7.2.3 三階段初始化策略 125
7.2.4 算例分析 127
7.3 分網初始化方法 129
7.3.1 分網初始化策略 129
7.3.2 算例分析 131
7.4 本章小結 134
參考文獻 135
第8章 全電磁暫態仿真程序在實際電網中的應用 136
8.1 全電磁暫態仿真程序應用場景一：蒙西電網 136
8.2 全電磁暫態仿真程序應用場景二：華東電網 141
8.3 全電磁暫態仿真程序應用場景三：如東海上風電柔直送出工程 155
8.4 本章小結 163
參考文獻 163
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電力系統全電磁暫態仿真 節選
第1章 概論 1.1 系統仿真概述 在科學研究和工程實踐中，人們往往不能直接對所研究的對象進行試驗，常常通過建立一個與研究對象（一般稱為系統）相似的模型，間接地研究原型的規律，這種間接試驗技術就是系統仿真技術[1-5]。 仿真是利用模型來模擬實際系統的運動過程并進行試驗的技術。通常對系統仿真的定義是，建立系統的模型，并在模型上進行試驗。系統仿真有三個基本的過程，即系統建模、仿真算法和仿真試驗。聯系這三個過程的是系統仿真的三要素：物理系統、數學模型和計算機（包括硬件和軟件）。它們的關系可用圖1.1表示。 物理系統是由具有特定功能的、相互間有機聯系并且相互作用著的要素所構成的整體。根據研究目的的不同，物理系統會進行相應的近似簡化，具體構成將由研究內容來確定。 數學模型是對物理系統的一種數學表示，用以描述系統的結構、形態以及信息傳遞的規律，數學模型通常是物理系統的一種簡化和抽象。針對不同的研究目的，同一個系統的模型的精確度和所包含的內容可能不同。 計算機指通過硬件配置和仿真程序來完成數學模型的計算機實現，用于滿足不同目的的仿真要求。 系統仿真的一般過程可用圖1.2來表示。首先要明確系統仿真的目的和基本要求，明確仿真要解決的問題和研究對象。系統建模通過對物理系統的觀測，在忽略次要因素的基礎上，用數學或物理的方法進行表示，從而獲得實際系統的簡化近似模型。仿真算法根據系統的特點和仿真的要求選擇合適的算法，這時應保證算法的穩定性、計算精度和計算速度能夠滿足仿真的基本要求。仿真程序實現將仿真算法和模型用計算機能夠執行的語言來描述，同時還應包括對仿真試驗要求的設定，如仿真運行參數、控制參數、輸出要求等。當然，程序的檢驗是必不可少的，一方面是調試程序，另一方面是檢驗所選仿真算法和模型的合理性。*后一個重要步驟是檢驗仿真結果的正確性，即通過仿真模型校驗和確認，檢驗仿真結果與物理系統的一致性。 仿真技術是一門綜合性的技術學科，在現代社會中已廣泛應用于電力、航空航天、交通運輸、通信、化工、核能等各個領域，在系統規劃、設計、運行、故障分析及性能改進等各個階段，都發揮著至關重要的作用。 特別是在下列情況下，不能在實際系統上進行試驗，而只能在建立的系統模型基礎上進行試驗。 （1）系統還處在設計或設想階段，并沒有真正建立起來，但是需要對設想/設計結果進行原理和技術性驗證，進一步完成不同方案之間的技術性能的比較。 （2）實際系統的某個時間區間中的運行過程已不能重現，甚至實際運行情況已經消失，不可能在實際系統上進行試驗。 （3）在實際系統上做試驗時，試驗具備危險性，會破壞系統的正常運行，無法恢復。 （4）在實際環境中做試驗時，試驗條件很難控制或重現，或者難以進行試驗觀測，無法對試驗結果的優劣做出正確的判斷等。 （5）實際系統試驗時間過長，費用太大，如果希望在較短的時間內能觀察到實際系統運行的全過程，并估計某些參數對系統行為的影響，那么仿真可以通過縮短或放大時間比例尺控制模型的運行時間，從而適合對長期運行系統或過程進行研究。 通過仿真試驗可以達到以下目的。 （1）通過仿真對選擇的各種方案進行技術方面的比較，以選擇合理的系統方案。 （2）分析被控系統對象元部件的動態特性，以及它們對系統性能的影響，合理地選擇系統的結構或元部件的性能。 （3）確定系統的控制規律，選擇合理的控制參數，并對系統的性能進行優化。 （4）對初步設計的系統或樣機進行仿真，或將實物放到仿真系統中，以檢驗其性能指標是否滿足要求，并進行修改。 1.2 電力系統仿真 電力系統是由發電、變電、輸電、配電、用電等設備和相應的輔助系統組成的復雜的大系統，存在著前述不能在實際系統上進行試驗的各種情況，使得在實際電力系統上進行各種試驗研究會有很大的限制，有時甚至是不可能的，因而必須采用仿真系統作為試驗手段[6-11]。 電力系統仿真可分為數字仿真和物理仿真兩類。電力系統數字仿真是在數字計算機上，為電力系統的物理過程建立數學模型，并用數學方法求解以進行試驗研究的過程。數字仿真可按模型中的物理量與實際系統物理量之間的時間尺度關系分為實時仿真和非實時仿真。如果模型與實際系統中的時間比例系數為1∶1，即模型中的動態與實際系統中的動態以相同的速度進行，則這種仿真是實時仿真；如果這一比例系數不為1∶1則是非實時仿真，一般用于離線仿真計算。 電力系統物理仿真系統是由專門制造的小型發電機、變壓器、Π形線路、電動機、換流器以及其他電力系統元件的模擬設備組成的與原型電力系統性能相一致的物理仿真裝置。由于建造物理仿真系統的代價大、參數難以調整、仿真規模受設備限制、功率不能太大、模擬復雜系統困難等，其大部分功能已由數字仿真系統取代。 1.2.1 電力系統非實時仿真技術 非實時仿真即數字仿真模型響應速度比實際系統的響應速度慢，也就是觀測模型t時段的運行狀態，需要仿真計算的時間往往遠超過t時段。離線仿真軟件一般運行在普通的計算機上，其仿真運行需要的時間遠超實際系統的原因，一方面是普通計算機本身的操作系統以及硬件能力上的不足，另一方面是在建模和計算時沒有基于實時運行進行優化，導致時間確定性比較差。 電力系統仿真中，動態元件對系統電壓和頻率變化的響應時間可從微秒、毫秒到數小時。圖1.3表示了電力系統動態元件響應特性的時間范圍。 目前，電力系統離線仿真軟件針對不同的動態過程，采用不同的仿真方法，可以歸納為電磁暫態仿真、機電暫態仿真和中長期動態過程仿真三種。 1.電磁暫態仿真 電磁暫態仿真是用數值計算方法對電力系統中從微秒至數秒之間的電磁暫態過程進行仿真模擬。電磁暫態仿真一般應考慮輸電線路參數的分布特性和頻率相關特性、發電機的電磁和機電暫態過程以及一系列元件（避雷器、變壓器、電抗器等）的非線性特性。因此，電磁暫態仿真的數學模型必須建立這些元件和系統的代數或微分、偏微分方程，工程上一般采用的數值積分方法為隱式積分法。 電磁暫態仿真程序主要針對：①由系統外部引起的暫態過程，如雷電過電壓等；②由故障及操作引起的暫態過程，如操作過電壓、工頻過電壓等；③諧振暫態過程，如次同步諧振、鐵磁諧振等；④控制系統暫態過程，如一次與二次系統的相互作用等；⑤電力電子裝置（包括風力發電機組、太陽能光伏發電機組、直流輸電、柔性交流輸電系統（FACTS）相關裝置等）中的開關快速動作和非正弦量的暫態過程等進行數字仿真。 由于電磁暫態仿真不僅要求對電力系統的動態元件采用詳細的非線性模型，還要計及輸變電網絡的暫態過程，需采用微分方程描述，電磁暫態仿真程序的仿真規模受到了限制。一般對大規模電力系統進行電磁暫態仿真時，都要對電力系統進行等值化簡。 電磁暫態仿真目前普遍采用的是電磁暫態程序（electromagnetic transients program，EMTP），其特點是能夠計算具有集中參數元件與分布參數元件的任意網絡中的暫態過程。程序中采用的模型及計算方法對計算機的適應性強，求解速度快，精確度能滿足工程計算的要求。1987年以來，EMTP的版本更新工作在多國合作的基礎上繼續發展，如ATP-EMTP、EMTP-RV、EPTPE（中國電力科學研究院繼續完善版本）。具有與EMTP相似功能的程序還有加拿大馬尼托巴直流研究中心的PSCAD/EMTDC、加拿大哥倫比亞大學（UBC）的MicroTran和德國西門子的NETOMAC等。 中國電力科學研究院進一步完善和改進了電磁暫態仿真算法，重新開發了PSModel和ADPSS全電磁暫態仿真軟件，具備分網并行、自動建模和初始化能力，并且具有很強的電力電子仿真和大規模電力系統仿真能力。 2.機電暫態仿真 機電暫態仿真，主要研究電力系統受到大擾動后的暫態穩定和受到小擾動后的靜態穩定性能。其中暫態穩定分析研究電力系統受到諸如短路故障、投切線路/發電機/負荷、發電機失去勵磁、沖擊性負荷等大擾動時，電力系統的動態行為和保持同步穩定運行的能力；靜態穩定分析研究電力系統受到小擾動后的穩定性能，為確定輸電系統的輸送功率極限、分析靜態穩定破壞和低頻振蕩事故的原因、選擇發電機勵磁調節系統/電力系統穩定器和其他控制調節裝置的型式和參數提供依據。 電力系統機電暫態仿真的數學模型可寫為 （1.1） 式中，t為時間；x為元件的狀態變量，由機電暫態仿真中的各種動態元件內部決定；y為電力系統運行變量，常見為母線電壓。**行微分方程表示電力系統動態元件特性，是系統的狀態方程；第二行代數方程表示電力系統靜態元件特性，是系統的網絡方程，必須滿足基爾霍夫基本定律的要求。 電力系統機電暫態仿真的算法就是求解微分方程式和代數方程式構成的微分代數方程組，獲得物理量的時域解。微分方程組的求解方法主要有隱式梯形積分法、改進歐拉法、龍格-庫塔法等，其中隱式梯形積分法由于數值穩定性好、簡單實用而得到*廣泛的應用。代數方程組的求解方法主要有適用于求解線性代數方程組的三角分解算法和適于求解非線性代數方程組的牛頓法，按照微分方程和代數方程的求解順序可分為交替解法和聯立解法。目前，因為全國電網的節點數目達到八萬個以上，這種微分代數方程組的求解規模超過二十萬階。 目前，國內常用的機電暫態仿真程序是中國電力科學研究院電力系統研究所開發的PSD（PSD是電力系統研究所英文Power System Department的縮寫）電力系統分析軟件包和電力系統分析綜合程序（PSASP）。國際上常用的有美國PTI公司的PSS/E、美國電力科學研究院（EPRI）的ETMSP。國際著名的電氣公司開發的程序，如ABB的SYMPOW程序和西門子的NETOMAC，也具備機電暫態穩定仿真功能。 3.中長期動態過程仿真 電力系統中長期動態過程仿真是電力系統受到擾動后較長過程的動態仿真，即通常的電力系統長過程動態穩定計算。計算中要計入在一般暫態穩定過程仿真中不考慮的電力系統長過程和慢速的動態特性，包括繼電保護系統、自動控制系統、發電廠熱力系統和水力系統以及核反應系統的動態響應等。電力系統長過程動態穩定計算的時間范圍可從幾十秒到幾十分鐘，甚至數小時。 電力系統長過程動態穩定計算主要用來分析電力系統長時間（幾十秒到數小時）的動態過程，其主要仿真和研究的范圍如下。 （1）復雜和嚴重事故的事后分析，以了解事故發生的本質原因，研究正確的反
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