机电暂态和电磁暂态仿真中的发电机组动态等值算法研究

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电力系统机电暂态过程和电磁暂态过程是两个用不同数学模型表征、具有不同时间常数的物理过程。在传统的电力系统分析工具中,通常对这两个过程分别进行数字仿真。相对于机电暂态仿真,电磁暂态下电力设备数学模型更复杂,所关注的动态时间常数更小,大大增加了仿真的计算量和计算时间,实现一定规模系统的实时数字仿真要困难得多。随着区域电网的互联和直流输电的发展以及FACTS、SVC等电力电子装备在电力系统中的大量应用,电网不仅在规模上不断扩展,而且动态特性也日趋复杂。研究大电网的动态行为仅依靠机电暂态仿真已经不够。依据不同的分析要求,将大规模的复杂电力系统进行局部动态等值,并使动态等值的结果能适应于机电暂态仿真和(或)电磁暂态仿真的需要已经变得越来越重要。动态等值对于分析研究电力动态特性,改善电力系统控制和保护水平,提高电力系统运行的稳定性和可靠性,有着重要的理论价值和现实意义。本论文的主要目标是建立基于机电暂态仿真和电磁仿真过程中的发电机动态等值的算法,并验证其在电力系统分析中的应用。 论文首先介绍了同调等值算法的基本原理,分析了基于同调性分析划分等值子系统以及对等值子系统的母线和网络进行静态等值的过程和存在的问题。重点介绍和分析了等值机聚合的现有研究成果。 机组动态等值聚合的关键是机组及其控制模型类型的确定和模型参数的计算。论文从理论上详细推导了基于发电机2阶、3阶和5阶模型的等值聚合公式,并针对小规模算例系统分析了采用不同发电机模型和励磁机模型对动态等值算法的影响。 针对等值模型参数的估计问题,论文对频域拟合法和系数矩阵保持一致法两种聚合参数求解方法进行了研究,并开发了相应的计算软件。这两类计算软件适用于计算任意同调发电机组的参数聚合。频域拟合是目前比较成熟的一种算法,它是以最小二乘法曲线拟合为基础,采用奈魁斯特和尼柯尔斯两种形式的目标函数,通过寻优方法获得一组拟合效果最优的等值发电机模型参数。目前国内已经有相关的软件。系数矩阵保持一致法,是近两年国外文献中提出的较新的发电机聚合算法,在国内并没有相关的软件,它是通过各环节推导的时域矩阵方程中保持系数矩阵相同的结构从而求得发电机各环节参数。论文将此两种方法应用于IEEE新英格兰39系统进行机电暂态仿真验算,评估了这两种算法的有效性。 在机电暂态等值的基础上,论文将发电机动态等值方法应用于电磁暂态仿真进行了初步研究和验证。在Matlab的SimPowerSystems环境下,以IEEE三机九节点扩展模型为例,确定了频域拟合中的最佳扫频范围。研究了发电机5阶模型扩展到7阶模型的方法和过程,并与原网络的电磁暂态特性进行对比研究。
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