9-电力系统仿真原理与方法汇总

电磁暂态仿真：计算给定初始运行状态和给定扰动条件下的系统的 us~ms 级的电磁暂态过程
模型：动态模型（微分方程或微分-代数方程，DAE)，计及分布特性、非线性 算法：高阶非线性 DAEs，常用算法为隐式积分法 仿真时间：数微秒-数秒，典型如 10-6s ~ 10-2 (or 10-1)s 应用：保护暂态行为、G的电磁暂态特性、暂态过电压、电力电子系统暂态特性

机电暂态仿真：计算给定初始状态和给定扰动条件下的 s 级的机-电暂态过程
模型：G、Load 等用动态模型，一般不计磁路饱和的非线性；网络用稳态模型 算法：高阶非线性 DAEs，通常用隐式积分法、欧拉法、龙格-库塔法等 仿真时间：数秒至数十秒（典型者如5 s ~ 30 s） 应用：小扰动功角（同步）稳定性；大扰动功角、电压暂态稳定性
V1
I2
V2
2) 移相器 稳态（准稳态）模型 1 1 y Ii zT KzT Vi T 1 V j yT I j 1 2 Kz ˆ ˆ K zT K T
y T K Vi yT V j 2 K
Hunan University
5 阶实用模型：
机械动态 + 励磁暂态 + 阻尼暂态
(δ、ω、Eq′、 Eq 〞、 Ed 〞)
' ' '' Td' 0 pEq E f k d Eq (k d 1) Eq '' ' '' ' '' Td''0 pEq Eq Eq (Xd Xd )Id '' '' ' '' Tq''0 pEd Ed (Xq Xq )Iq T j p ( P T P e ) D ( 1) p ( 1) 2 f 0 '' '' U d Ed X q I q Ra I d '' '' U q Eq X d I d Ra I q '' kd X d X d
2、电力元件模型的数学模型
3、电力系统仿真工具（简介） 4、电力系统数字仿真技术展望
电力系统数字仿真的基本原理与方法 2、 电力元件模型—— I 电力线路模型
1) 稳态（准稳态）模型
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应用：稳态计算（潮流计算、短路电流计算）、（机电）暂态稳定计算
a) 一般线路——集中参数模型：π等值模型 b) 长线路——分布参数模型：集中参数等值电路，修正模型参数
I1
R jX
I2
无损 长线 稳态 模型
B tan( / 2) 2 /2
G/2
jB/2
jB/2
V1
G/2
V2
B tan( / 2) 2 /2
= c1l1 = b1 x1
,
l l b1 x1
1 1 Ii Zl j 2 Bl 1 / Zl I j
PG const QG const
电压源模型
由潮流计算确定
V V
PG f (V ) QG (V ) PQ节点 PG const V const
(or jxd , xd ) jxd
V V
E (or E , Eq )
E f Eq (Xd Xd )Id Td0 pEq T j p P T P e D ( 1) P ( 1) 2 f 0 U d X q I q Ra I d Xd I d Ra I q U q Eq
3 阶实用模型：
机械动态 + 励磁暂态 (δ、ω、Eq′)
4阶模型：
在 3阶 模型基础上，计及转子 g 绕组暂态 (δ、ω、Eq′、Ed′) 更加适用于精确描述汽轮发电机实心转子的暂态（瞬变）过程
电力系统数字仿真的基本原理与方法
2、电力元件模型——III 同步发电机模型 2) 动态模 ——（机电）暂态稳定计算
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等效地描述电力元件和电力系统特性的数学方程式（组）—— 电力系统模型 准确的模型是保证仿真计算结果准确、可信赖的重要基础 对数学模型的基本要求：
准确刻画元件特性；
真实准确的模型参数； 数学模型分类：
尽可能简单且物理意义清晰的模型结构；
模型的普适性。
1）按建模原理：机理模型、非机理模型 2）按是否反映对象的时变特性：静态模型、动态模型 3）按描述对象： 元件模型：同步发电机模型、电力变压器模型、电力线路模型、

长过程动态稳定仿真：给定初始状态和扰动条件下，考虑慢动态元件动态特性的过渡过程仿真
模型：s 级动态元件静态/动态，10s 级及以上慢动态元件用动态模型；网络稳态模型 仿真时间：数10s~数10min 或更长时间 应用：大扰动或负荷持续快速增长条件下，机电暂态仿真不能明确系统的稳定性
基本内容
1、电力系统数字仿真的基本概念
zT
k:1
I i yT I j yT K
yT K Vi yT V j 2 K
I1
kyT (1-k)yT k( k-1) yT
V1
I2
I1
z T/k zT/(1-k) zT /k(k-1)
V2
TA pU A U A K A (U Re f U t U S U FP ) TE pEqe U A ( K E S E ) Eqe KF TF pU FP U FP U A ( K E S E ) Eqe T E R Eqe f u f xad
电力负荷的特点
220kV 110kV 110kV 10kV 10kV 10kV 10kV 0.38kV
220kV母线综合 负荷
110kV母线综合 负荷
10kV
0.38kV
0.38kV
0.38kV
特点——成分复杂多样，高维、强非线性、随机时变性；
特别关注：综合负荷的构成特性——组成成分及其比例。
电力系统数字仿真的基本原理与方法
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成熟的元件模型：发电机、变压器模型、线路模型 亟待完善的模型：综合负荷模型、二次系统模型 ——准确的元件模型和参数是决定仿真结果可信度的关键和基础 B）数值计算方法——计算效率、收敛速度 C）计算机技术——硬件支持
D）编程技术——面向对象、可视化
电力系统数字仿真的基本原理与方法 1、电力系统数字仿真的基本概念
2 阶经典 模型：
考虑转子机械动态 ( δ 、 ω)
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T j p P T P e D ( 1) p ( 1) 2 f 0 U d X q I q Ra I d Xd I d Ra I q U q Eq
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URef ：参考电压 Ut： 发电机机端电压 US：其他信号输入(如PSS) UFP ：软负反馈电压 UA ：放大器输出电压 Eqe：励磁机空载电势 uf ：发电机励磁绕组电压
励磁系统模型
举例：IEEE-I 型 可控硅励磁调节器
KA：放大环节的放大倍数
TA：放大环节的时间常数 KE：与励磁机类型 （自励或他励等）
数字 仿真 系统 整体 结构
电力系统数字仿真的特点： 近似；规模大；灵活；开发周期短；投入小、效率高。
电力系统数字仿真的基本原理与方法
1、电力系统数字仿真的基本概念
（2）电力系统数字仿真的基本要求与关键问题
1）基本要求： 精度；灵活/扩展；规模；速度（离线/在线/实时） 2）关键问题 A）建模理论与技术——元件建模、系统建模
X
' d
'' Xd
6 阶模型：
在5阶模型基础上，计及转子 g 绕组的暂态 (δ、ω、Ed′、Eq′、 Eq 〞、 Ed〞、) 7 阶模型：机械动态 + 励磁暂态 + 阻尼暂态 + 定子暂态
( δ、ω、Eq′、Eq〞、Ed〞、id、iq(ψd、ψq) ）
电力系统数字仿真的基本原理与方法
2、电力元件模型——IV 同步发电机的
应用：稳态计算（潮流计算、 短路电流计算）、（机电） 暂态稳定计算
3) 电磁暂态模型——RLC动态微分方程模型；考虑铁芯饱和，匝间和相间分布电 容的影响。 应用：电磁暂态计算
电力系统数字仿真的基本原理与方法
2、电力元件模型——III 同步发电机模型 1) 稳态模型
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PQ、PV、Vθ
（3）电力系统数字仿真的目的与意义
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目的：通过仿真计算，确定系统运行状态。具体目的与应用背景有关 意义：为电力系统运行状态分析、控制提供科学依据，应用非常广泛 ——大规模的电力系统试验只有通过数字仿真才能实现。
1）动模试验规模很小。 2）实际电力系统试验可行 a)电网的安全稳定运行不允许； b)实验耗费的人力、物力、财力、时间巨大； c)某一次无法获得具有推广意义的结果（结论），但又不可在实际系统中进行 频繁的试验。
1 / Zl Vi 1 1 V j 2 Bl Zl j
2) 电磁暂态模型——RLC动态微分方程模型,考虑分布特性影响 应用：电磁暂态计算
电力系统数字仿真的基本原理与方法
2、电力元件模型——II 电力变压器模型
1) 稳态（准稳态）的系数
TE ：励磁机的时间常数 KF：软负反馈放大倍数 TF：软负反馈时间常数
SE：饱和系数
电力系统数字仿真的基本原理与方法
2、电力元件模型——V 电力负荷模型 电力负荷的涵义：综合负荷——用电设备或其集合。
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可以是：单一用电设备； 行业综合负荷； 线路综合负荷； 母线综合负荷； 变电站综合负荷 综合负荷=用电设备的集合 + 供配电网络（含补偿设备）+ 地方电源
基本内容
1、电力系统数字仿真的基本概念
2、电力元件模型的数学模型
3、电力系统仿真工具（简介） 4、电力系统数字仿真技术展望
电力系统数字仿真的基本原理与方法
1、电力系统数字仿真的基本概念
（1）电力系统的数字仿真及其特点
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借助计算机的强大运算功能，根据电力系统的数学模型，采用一定的数值计算方法、设计 （编写）合理的计算程序，根据给定的初始运行条件，求解系统数学模型以得到系统运行状态 的过程——电力系统的数字仿真
综合负荷模型、新型电力元件模型
网络模型：描述电力网络特性的数学模型
电力系统数字仿真的基本原理与方法
1、电力系统数字仿真的基本概念
（5）电力系统数字仿真的基本类型

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稳态仿真：计算给定条件下、无扰动时的运行状态（单一 或 运行状态序列）
模型：稳态模型（代数方程），不计分布特性和非线性 算法：高阶非线性代数方程组，最基本的算法为牛顿法 应用：LF(潮流)、OPF（最优潮流）、静态电压稳定、SC（短路计算）
2、电力元件模型——V 电力负荷模型
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母线A
工程仿真常用的电力负荷模型的通用结构
从而使得，电力系统的数字仿真成为： 电力系统规划与设计的决策基础和科学依据 电力系统运行调度与控制的决策基础和科学依据； 电力系统事故分析的科学依据 电力系统科学研究的重要手段/工具
电力系统数字仿真的基本原理与方法 1、电力系统数字仿真的基本概念
（4）电力系统的数学模型
电力系统的数学模型及其意义
PG f (V ) V const PV节点
V V V const const
应用：潮流计算
Vθ节点
应用：短路电流计算；简化模型下的 (机电)暂态稳定计算
电力系统数字仿真的基本原理与方法
2、电力元件模型——III 同步发电机模型 2) 动态模 ——（机电）暂态稳定计算