外文文獻翻譯譯文---電力系統機電暫態(tài)仿真的過程及其建模方法

1、<p><b>　　中文3350字</b></p><p>　　畢 業(yè) 設 計（論 文） </p><p>　　外 文 文 獻 翻 譯</p><p>　　學 號 姓 名： </p><p>　　所在院系： 電力工程系 專

2、業(yè)班級： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　原文標題： A METHOD OF TRANSIENT ELECTROMECHANICAL </p><p>　　PROCESSES MODELING IN POWER SYSTEMS </p><p

3、>　　2010年 6 月 20 日</p><p>　　出處：PowerTech, 2009 IEEE Bucharest. IEEE, 2009: 1-6</p><p>　　電力系統機電暫態(tài)仿真的</p><p><b>　　過程及其建模方法</b></p><p>　　摘要：本文介紹了一種任意拓撲網

4、絡的電力系統機電暫態(tài)過程計算非迭代方法以及RL等效網絡法。在這種方法中，電機模型（包括同步發(fā)電機和感應電動機）和靜態(tài)RL負荷都要寫成電流和角速度形式的柯西公式。在從網絡方程中除去有關電流的項之后我們可以得到一組代數方程用來計算節(jié)點電壓。模型的生成過程建議采用自動生成系統模型的方法。最后，新方法的驗證采用的是在含有15個節(jié)點的電力系統中暫態(tài)過程仿真。</p><p>　　關鍵詞：機電暫態(tài)過程的非迭代計算法 自動生

5、成系統模型的方法</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　電力系統機電暫態(tài)包括穩(wěn)定性與質量調節(jié)研究兩個方面。在這種情況下，我們面對的最基本的問題是被調查系統是非線性的，而且是動態(tài)變化且規(guī)模不定的。雖然我們所采用的計算技術越來越進步，但是在計算上的速度與內存量的限制仍然會阻礙技術的發(fā)展，這是當代所有自動化系統中都存在的問題。而自動建立數學模型

6、的過程是這個問題中較為復雜的部分，是主要的制約量。評價一個數學模型是否有效的重要標準就是這個模型的規(guī)模，計算所用時間和內存的大小。</p><p>　　在編寫暫態(tài)穩(wěn)定計算程序的過程中，忽略電機和電力線聯網系統組件的定子線圈電磁暫態(tài)過程[1,2,3]。一般來說，當引入電力系統元件的微分方程時可以選擇一定的步長來計算以取得一個近似值。但是這樣進行簡化后的計算結果與實際系統的響應有一定的誤差。</p>&

7、lt;p>　　常見的程序是EMTP [4]模型，它可以用來研究多節(jié)點網絡的電磁暫態(tài)。在將網絡中的微分方程轉化成有關電壓，電流以及其他已知量的代數方程時可以采用梯形法。將所得的代數式聯立形成節(jié)點方程組，然后用三角分解法來求解暫態(tài)過程。在文獻[5,6]中提到了EMTP模型中采用二端網絡，補償以及預測的方法來實現旋轉機械的其他仿真功能。在仿真過程中我們經常會發(fā)現電機失步的現象（這用來確定時間步長的大小，但是在計算中存在各種的時間常數以及

8、需要根據速度的變化來反復迭代得到的常數，這就要求在每一個時刻都要進行矩陣的計算得到震蕩的數值）。</p><p>　　雖然有可能細節(jié)性仿真電力系統（包括定子與網絡的暫態(tài)過程），但在一般情況下用來連接不同元件的聯絡線的電容比較小，基本上是可以忽略的，尤其是在與電源系統直接相連時。</p><p>　　文獻[7]中提出了建立電力系統的狀態(tài)空間模型的程序。這個程序利用基爾霍夫電流定律建立在每個母

9、線所謂的根機定子電流。在根機狀態(tài)模型中，定子電流及其衍生量為輸入量；定子電壓為輸出量。連接到該母線的所有其它機器都稱為非根機。作為跟電機輸入量的定子電流衍生量是由所有非根電機和連接到根電機(母線)的定子電流的衍生量求和得出的。這個程序的基本缺點是它的復雜性。</p><p>　　文獻[8,9]中，提出了計算含有自主動力系統輻射網暫態(tài)過程的非迭代運算法則，包括或不包括定子和聯絡線的暫態(tài)過程均可。通常的算法源于一節(jié)點

10、的根電阻，不包括網絡方程式中定子繞組的衍生量。在文獻[10]中，開發(fā)和增加了可以計算任意電力系統，包括定子和聯絡線的暫態(tài)過程的非迭代算法。本文的目的是進一步發(fā)展和補充非迭代的研究方法。</p><p>　　2 電力系統的元件模型</p><p>　　所使用的方法的基本問題是模型自動生成，各種干擾的仿真和研究過程的數值模擬。</p><p>　　電氣設備模型(同步發(fā)電

11、機、感應電動機)和和靜態(tài)RL負荷以電流和角速度的形式寫成柯西表中。</p><p>　　常見的方法中，發(fā)電機方程式以和它的轉子(以角速度旋轉)有關的d、q、0軸為坐標軸，但電動機和靜態(tài)負荷方程式以同步速的d、q、軸(以同步速旋轉)為坐標軸。</p><p><b>　　同步發(fā)電機：</b></p><p>　　其中A B是在附錄中定義的參數矩

12、陣，下標r、 s分別代表定子和轉子分別變量和參數；</p><p><b>　?。?；；</b></p><p>　　是電磁轉矩。是原動機轉矩，是轉子機械時間常數。</p><p><b>　　定子繞組：</b></p><p>　　定子方程式通過乘以轉化矩陣轉化成同步坐標系統：</p>

13、<p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　為轉化矩陣；為轉子相對于同步坐標系的相角差。；；</p><p>　　我們把式子(3)寫成柯西形式：</p>

14、<p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　其中。</b></p><p><b>　　感應電動機：</b></p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　其中A B是在附錄中定義的參數矩陣；下標r、 s分別

15、代表定子和轉子分別變量和參數。；；；為電磁轉矩。為負荷轉矩，一般是電機的機械輸入；是轉子機械時間常數。</p><p><b>　　定子繞組：</b></p><p><b>　　(7)</b></p><p><b>　　RL負荷：</b></p><p><b>

16、　　(8)</b></p><p>　　其中A B是在附錄中定義的參數矩陣。</p><p><b>　　連接線：</b></p><p>　　電力系統的聯絡線根據它們的拓撲連接分類為連接線和連接樹。連接線的方程式寫成柯西形式(如圖一所示)。</p><p><b>　　連接線：</b>

17、</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　其中A B是在附錄中定義參數矩陣。</p><p><b>　　連接樹：</b></p><p><b>　　(10) </b></p><p>　　其中Z和L是在附錄中定義的參數矩陣。&

18、lt;/p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　3 系統描述與模型建立</p><p>　　由各個獨立的元件模型的組成一個普通的系統模型是通過電氣方法建立電力系統整體模型的關鍵問題。在此過程中采用基爾霍夫定律是比較好的方法，因為它允許簡單地仿真一個不同的干擾和計算未知的節(jié)點電壓，即在元模型(1)，(6)，(8)的右側。</

19、p><p>　　首先，將系統線路分為連接線(9)和連接樹(10)。每單個元件構成一個連接線模型，所有的連接線模型與連接樹模型一同構成普遍的電力系統模型。</p><p>　　對于每一個包含電氣設備的節(jié)點，通過它的電流可以通過各節(jié)點的靜態(tài)負荷以及連接線得到：</p><p><b>　　(11)</b></p><p>　　其

20、中為比例系數，為元件視在功率；為所有發(fā)電機總的視在功率；為節(jié)點電流列向量，它的組成部分是與節(jié)點相連的元件電流和；p是連接到節(jié)點k的元件的數目。</p><p>　　節(jié)點的基爾霍夫電流定律可以寫成以下形式：</p><p><b>　　(12) </b></p><p>　　其中n為電力系統節(jié)點數。</p><p>

21、;<b>　　差分方程為：</b></p><p><b>　　(13)</b></p><p>　　用方程(5)，(7)，(8)，(9)的右側取代上式中的差分項，得到：</p><p><b>　　(14) </b></p><p><b>　　其中；</b&

22、gt;</p><p>　　；m為連接到節(jié)點k的元件的數目。</p><p>　　用節(jié)點電流和和它的差分項代替方程式(10)中的連接樹電流和它的差分項，，在式子(14)中用差分項的右側代替差分項并增加連接樹方程。我們可以得到：</p><p><b>　　(15)</b></p><p>　　其中

23、 </p><p>　　為節(jié)點電壓、節(jié)點電流和以及各自的H向量；；； 分別是與節(jié)點相連的電感，阻抗的對角線矩陣（是節(jié)點矩陣）；和是描述網絡拓撲結構的矩陣。</p><p>　　從網絡等式方程中除去有關電流的項以后，我們得到一組可以用非迭代法解未知節(jié)點電壓的代數方程。這是這種方法的最基本的優(yōu)點。第二個

24、優(yōu)點就是由于等式（15）的矩陣均為對角陣（除了N1和N2外）,所以可以由等式（15）來自動建立普通的電力系統模型并且獲得節(jié)點向量會比較簡單。</p><p>　　所有的矩陣中只有網絡矩陣N1和N2是奇異矩陣的形式。它的結構與矩陣N1p和N2p相一致。每個單元的模式元素對應于N1 和N2這樣的3x3大小。它的結構顯示在如圖二所示的電力系統的例子中。顯然，矩陣N1p是關聯矩陣的樹形圖，其中所考慮的例子有以下形式：&l

25、t;/p><p>　　考慮的矩陣模型如下圖所示。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　矩陣介紹了用節(jié)點電流來替代連接樹電流的代換。每一行對應于一個連接樹的電流，每一列對應于一個節(jié)點電流。對于矩陣也可以這樣處理。從最后一行開始計算，用當前行乘以它的上一行，所得的結果用來修正當前行的電流的邏輯關系如下：</p>

26、<p><b>　　(16)</b></p><p><b>　　如果，則；</b></p><p><b>　　如果，則；</b></p><p>　　其中，n為系統的節(jié)點數。</p><p>　　對于我們所考慮的例子，將有以上的形式。</p>&l

27、t;p><b>　　4 擾動仿真</b></p><p>　　本文提出的暫態(tài)計算方法允許模擬由于調節(jié)器，網絡參數，元件數目和網絡拓撲結構的變化引起的電力系統擾動。元件(發(fā)電機，電動機，靜態(tài)負載)的投入/切除的可以由在相應的節(jié)點進行的模型進行添加/刪除來模擬。同時相應節(jié)點的向量和，矩陣也相應改變。如果發(fā)電機的投入或切除，有必要重新計算發(fā)電機的視在功率和比例系數。</p>&

28、lt;p>　　網絡拓撲結構發(fā)生變化時有必要執(zhí)行最高操作。在那種情況下，有必要建立一個新的N1p和N2p矩陣模型以及新的方程組(15)。一些網絡的較小變化，例如一條線路的投切，可以通過可以通過投切線路的參數(矩陣、)的變化來仿真。</p><p>　　給定節(jié)點的故障與此點保護裝置的動作可以由RL負荷參數的變化來仿真。</p><p>　　圖3—7給出了仿真節(jié)點12處在時間1500rad

29、發(fā)生故障1550rad切除故障，得到的部分結果。顯示的曲線是：(3-4的角度)；節(jié)點12的電壓()；(12-2的角度)；線路16的電流(ILL16)；發(fā)電機12的電流(IG12)。</p><p>　　圖7-8給出了節(jié)點14的同步發(fā)電機的AVR調節(jié)系統的參考電壓在1500rad由1pu變化到1.08pu，1550rad又回到初始狀態(tài)所得的部分結果。顯示的曲線是：發(fā)電機12角速度(wk12)和靜態(tài)負荷2的電流(IS

30、L2)。</p><p><b>　　圖3 </b></p><p><b>　　圖4 </b></p><p><b>　　圖5 </b></p><p><b>　　圖6 </b></p><p><b>　　圖7

31、</b></p><p><b>　　圖8 </b></p><p><b>　　圖9 </b></p><p><b>　　5 結論</b></p><p>　　本文介紹了一種自動建立模型的新方法。它可以用來解決包含任意數量與種類元件，任意拓撲結構的電力網絡的機電

32、暫態(tài)過程。使用這種方法建立的數學模型是最有效的，因為它們使用的計算資源(內存和計算時間)最少。使用了計算機編程可以很容易地實現這種方法。配套文件[11]顯示的是在MATLAB環(huán)境下的實現結果。從獲得的實驗結果可以看出這種方法的正確性和高效率。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　系統元素參數</b></p&

33、gt;<p>　　這些電氣設備模型被寫成具有相同的互感系統和電動勢的小系統。所有的數值為p.u級跟與機器的等級相一致。下面給出矩陣A、B、Z、L的非零元素。</p><p><b>　　同步發(fā)電機：</b></p><p><b>　　感應電動機：</b></p><p><b>　　靜態(tài)RL負載