稳态分析讲义 之 高等电力系统稳态分析 第五章 电力系统复杂故障分析

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– 由于对称分量法是序分量法的一种,所以只需 要写出对称分量法的序网,其他序分量法就可 以直接使用。Байду номын сангаас
– 在对称分量坐标下,三相对称元件的正序导纳( 阻抗)和负序导纳(阻抗)是相同的。反过来也是 正确的,即如果元件的正序导纳(阻抗)和负序 导纳(阻抗)相同,就可以认为是具有三相对称
二、序分量原理
• 对称分量法作为序分量法的一种,也具有 与其他序分量法相同的特点。只不过由于 能够较好地处理发电机的问题,在序分量 法中表现出更好的适应性。
一、复杂故障计算
• 在电力系统的实际运行中,单相短路故障 占全部短路故障的最大百分率,其次是两 相接地和两相短路故障,出现三相对称短 路的机率是很少的。但是,往往用三相短 路作为最严重的故障方式来校验电气设备 的能力。所以,在短路电流计算中大部分 是不对称短路计算。
一、复杂故障计算
• 在实际运行中,往往同时出现多重故障及 不正常运行方式(如单相重合闸时短路和断 线的同时存在),在复杂电力系统的设计及 继电保护整定中也要求考虑多重故障的可 能性,所以要求研究电力系统多重复杂故 障的计算方法。在多重复杂故障计算中, 除了包括上述对称或不对称短路故障外, 还包括各种断线及三相线路参数不对称(如 串联电容单相或两相保护间隙击穿)等复杂 情况。
一、系统对称性分析:
– 三相对称性的充分必要条件是元件支路方程中
的导纳矩阵Ypp、Ypq、Yqp、 Yqq 都是非对角元全
部相等的循环对称矩阵,其描述如下:
二、序分量原理
• 电压和电流的序分量只是一种坐标变换。 对于任意的3 ×3 可逆矩阵T ,都可以定义
• 分别称 VS 、IS为电压和电流的序分量。 • 对于三相对称元件,如果可逆矩阵T ,使得
三、三相对称运行
• 时,式中α是复数算子,
,电流
的符号的上角标1表示正序。则有
•即 • 式中:
三、三相对称运行
• 对于输电线元件,(11-1)式中xm=xn,此时, 当通以三相平衡的正序电流时,式仍成立 ,但每相电抗变成x1=xs-xm
• 我们把x1称为每相正序电抗。它是一个等值 电抗,相间互感抗已包含其中。
– 在这种情况下,相分量法就表现出明显的优势 。它可以直接计算不对称元件组成的系统,无 需做任何处理。
第二节 对称分量
Symmetrical Components
一、系统对称性分析:
• 电力系统的对称性反映在对称元件的特点 上。
• 轮换对称元件
– 设两节点pq 之间存在双端口支路元件C1,满足 相分量支路方程
第五章 电力系统复杂故障分析
Complex Fault Analysis
参考书籍
• 《电力系统故障分析(第二版) 》刘万顺
第一节 概述
一、复杂故障计算
• 电力系统中发生故障的原因,大部分是由于相与 地间的短路和相与相间的短路。
• 电力系统在发生短路故障时,将流过较正常运行 方式大得多的短路电流,使系统中各节点的电压 降低,因此负荷的正常工作将受到影响。很大的 短路电流(在现代大系统中可达几万安,甚至几十 万安)对电气设备的各组成部分有很大的危害,当 短路电流通过时产生的机械和热效应超过设备本 身所具有的机械和热稳定性时,就使设备受到损 坏。电力系统的短路故障往往导致系统稳定性的 被破坏,系统解列,造成大面积的停电事故。在 不对称短路情况下,很大的零序电流分量往往造 成对邻近通讯线路的严重干扰。
二、复杂故障计算的方法
– 在诸多的序分量法中,最为经典的就是对称分 量法。国内著名的电科院暂态计算程序软件包 ,就是基于对称分量法开发的。近年来出现的 许多用于电力系统分析的EMS/DMS 软件包, 其故障计算部分,也基本上围绕对称分量法和 序网分解做文章。
– 在大多数地方,甚至教科书中也仅仅教授对称 分量法,把它作为基本常识来掌握,似乎从来 就没有过相分量法一样。在继电保护领域,对 称分量法也基本上成为最重要的分析计算工具 。
四个矩阵元素的满足YS=T-1YT为对角矩阵, 则该元件就可以在此序分量空间中解耦。 式(4-5)将变为
二、序分量原理
• 由于系数矩阵的四个元素都是对角阵,就可以将 方程写成三组,独立求解。这就是序分量法的原 理。
• 求于变求换式(矩5-阵3)T所使示Y的S=矩T-阵1Y对T为角对化角的阵方。法可。以根看据到矩相阵当 原理,如果可以对角化,则对角化后的矩阵为原 矩阵的特征值矩阵,可逆矩阵T为特征值对应特征 向量组成的矩阵。计算式(5-3)所示矩阵的特征值 ,有
• 当三相流过负序电流时,即
三、三相对称运行
• 仍有
• 式中x2=x1 • 当三相流过零序电流时,即当
三、三相对称运行
• 仍有
• 成立,式中
四、对称分量法
• 电流相量 • 式中
四、对称分量法
• 电压相量 • 序分量的电流电压关系 • 式中
• 在一般解决电气设备的选择、继电保护的整定及 运行方式分析等问题时,往往只需要计算故障后 某一瞬间(如故障后t=0秒时)电流和电压的周期分 量。
二、复杂故障计算的方法
• 相分量法
– 相分量是客观存在的。 – 因此相分量法能够准确地反映电力网络的所有
实际问题,故障处理方法直观实用。由于相坐 标空间里元件参数存在耦合的问题,相分量计 算方法的计算量比较大,同时复杂的耦合关系 也使得相分量法在网络处理上不同于单相的情 况,比采用单相网络的分析计算技术要困难得 多。 – 方便的系统运行描述和准确地系统参数仿真是 相分量法最大的优势。国外许多大型研究机构 都将相分量法作为主要的计算工具。一个著名
一、系统对称性分析:
– 则称元件具有轮换对称的特点,简称为可轮换 元件或轮换元件。
– 需要说明的是:轮换不是随意交换。ABC 转到 BCA 或者CAB 都是轮换,而ABC 转到ACB 则 不是轮换。
– 显然,元件具有轮换对称的充分必要条件是元
件支路方程中的导纳矩阵Ypp、Ypq、Yqp、 Yqq 都
• 以克拉克法为代表的部分序分量法完全使 用实数作为变换矩阵的元素,在坐标转换 上的计算量小于对称分量法,这也是这类 序分量法赖以存在的理由。
三、三相对称运行
• 按交流三相制运行的电力系统是由三相对称元件 组成的,元件各相两两之间通常都有互感。对于 全换位输电线,其各相间互感相等,对旋转电机 元件三相间互感抗也具有某种持殊的对称的性质( 循环对称)。一般情况下,对于有互感的三相元件 上的电流电压之间的关系要用三相电流电压来分 析,但是,如果三相元件各相流过的电流具有某 种特殊性质,例如三相交流电流幅值相等,任意 两相之间时间上相位相差同样角度(三相平衡电流) 时,由于元件三相之间的互感具有对称的性质, 或完全对称或循环对称,所以三相中每相电流电 压之间的关系都相同,其等值电路每相的电流电 压相互独立,我们可以取出其中的一相进行研究
• 三相对称元件
– 如果各端三相电压之间发生任意交换,各电压 值对应的电流值能够始终不变。则称该元件具 有三相对称性。并称此元件为三相对称元件。
– 三相对称性的要求要比轮换对称性苛刻。显然 ,三相对称的元件一定是轮换对称的元件,反 之则未必。
– 对于线路和变压器而言,轮换对称就意味着三 相对称。因此这些对称元件都可以在任何一个 序分量坐标空间中解耦。而对于同步电机而言 ,不能使用三相对称的情况进行描述,只能使 用轮换对称。
二、复杂故障计算的方法
• 序分量法
– 序分量是相分量经过数学变换得到的, – 序分量法通过坐标变换使在相坐标空间存在三
相耦合关系的对称元件在序分量坐标空间得到 解耦,在完全由对称元件组成的系统中,耦合 的三相网络可以等效成三个独立的序分量对称 网络,在网络分析方面与三个单相网络相同, 可以使用单相网络分析的方法进行处理,并且 能够大幅度简化计算。 – 序分量法因为模型简单、算法组织性强和计算 速度快而得到了更广泛的认同,在更多的实用 化的电力系统分析计算软件包中得到了应用。
三、三相对称运行
• 例如发电机元件其三相绕组之间有互感, 因转子沿一固定方向旋转,定子三相绕组 每两相之间的互感沿不同的方向有不同的 数值,可示意地用下式表示其三相电流电 压之间的关系;
三、三相对称运行
• 式中xs是自感抗,xm和xn是互感抗。系数矩 阵是循环对称的(circulant Type symmetry)。 一般情况下,三相电流和电压之间有耦合 ,不能用单相电路分析。但当三相流过的 是三相平衡的正序电流时,即当
是轮换矩阵或者称为循环对称矩阵,其描述如 下:
一、系统对称性分析:
• 轮换矩阵(循环对称矩阵)的特点
– 由于轮换元件的导纳参数矩阵都是轮换矩阵, 而轮换矩阵之间的四则运算结果仍然是轮换矩 阵,所以与轮换节点相关的自导纳和互导纳矩 阵都是轮换矩阵。
– 对于任意的轮换矩阵,恒有:
– 其中
一、系统对称性分析:
二、复杂故障计算的方法
• 复杂故障处理方法
– 对称分量法为代表的序分量法可以十分方便地 通过序网连接方式的改变来仿真单一不对称简 单故障,但是对于继电保护专家们感兴趣的任 意复杂故障,比如一点同时发生断线和短路故 障时,序网的边界条件不易实现,同时序网的 连接方式随故障的不同而变化,不利于程序的 实现。
– 展开表示为
一、系统对称性分析:
一、系统对称性分析:
– 其中,Ip 、Iq为对应支路电流。Vp 、Vq为对应 节点电压。
– 设支路元件与节点p 的连接端口为1、2、3,分 别对应节点p 的A、B、C 相,与节点q 的连接 端口为4、5、6,分别对应于节点q 的A、B、C 相。在给定两端的三相电压后,就可以唯一的 确定支路的三相电流。设
二、序分量原理
• 可以求得
• 由于有重根,其特征向量只有两组,而重 根对应的组有两个自由基:
二、序分量原理
• 由于特征向量与矩阵Y 无关,因此所有的形 如式(5-3)的矩阵都可以通过特征向量所组
成的矩阵对角化。显然根据不同的特征向
量可以构造不同的变换矩阵,也就对应了
不同的序分量法。
• 当 xk3x=kα1=x2=k2e=j124时0o,,构利成用两xk个3=α不=同ej的120特o和征向量,
就是对称分量法的变换矩阵。
3/2
• 当xk1=xk2=1时,利用xk3=-1/2和xk3= , 构成两个不同的特征向量,就是克拉克法 的变换矩阵。
二、序分量原理
• 序分量法有如下的结论:
– 三相对称元件序导纳(阻抗)在所有序分量法坐 标下显然都是相同的,都等于其相导纳(阻抗) 矩阵的特征值。只不过,其称呼将随序分量称 呼的变化而变化。
一、复杂故障计算
• 严格地讲电力系统的短路故障或其他复杂的故障 都伴随着复杂的电磁和机电暂态过程。在整个故 障期间电力系统各部分的电流和电压是随时间变 化比其中不仅包括幅值随时间变化的工频周期分 量,同时还有随时间衰减的非周期分员以及其他 频率的周期分量。所以,完整的短路电流及复杂 故障计算要求解微分方程和代数方程组。
– 相分量法能够轻松地处理任意的复杂故障,程 序实现也极其方便。
二、复杂故障计算的方法
• 不对称网络系统计算
– 随着电力工业的飞速发展,三相参数不对称的 元件不断出现,电力系统三相参数不对称的问 题越来越突出。由于参数的三相不对称,元件 不能实现在序分量坐标空间解耦,也就不能形 成独立的序网,因而序分量的序网连接的故障 处理方法也就不能继续使用了。
– 目前常见的不对称的因素有:
• 无换相的高压输电线 • 变压器的结构不对称 • 交直流变换器的存在 • 系统负荷不平衡
二、复杂故障计算的方法
– 以上一些不对称的情况和未来即将使用的统一 潮流控制器、静止无功补偿器等不对称元件一 样,都会使元件在序分量坐标空间的解耦失效 ,从而不能实现序网的分离。序分量法的应用 因此遭到严重影响,即使简单故障的分析也不 能采用序分量法计算。目前文献中采用序分量 法处理三相参数不对称元件的主要途径就是采 用补偿法。
– 则电流可以解得:
一、系统对称性分析:
– 如果节点p 、q 同时发生相位轮换,即端口1、2 、3 分别对应节点p 的B、C、A 相,端口4、5 、6 分别对应节点q 的B、C、A 相,在同样的 三相电压相量作用下,可以写成节点p 、q 的电 压相量发生轮换,有
– 各电压相量对应的电流相量能够始终不变,即 :
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