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电力网潮流分析与计算电力系统综合自动化课程设计报告

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电力系统综合自动化课程设计报告

题目 电力网潮流分析与计算

院 系
课 程 名 称
专 业
班 级
学 号
学 生 姓 名
指 导 教 师

XX年XX月XX日

目录
目录 2
摘要 4
第一章 绪论 5
1.1 设计背景 5
1.2 设计目的 5
1.3 设计题目 5
1.4 设计内容和要求 6
1.4.1 设计内容 6
1.4.2 设计要求 7
1.5 设计思路 7
第二章 潮流计算与分析 8
2.1 元件参数 8
2.1.1 发电机参数 8
2.1.2 变压器参数 8
2.1.3 线路参数 9
2.2 等值电路 10
2.3 手工潮流计算 10
第三章 MATLAB/Simulink仿真分析 16
3.1 SimPowerSystems工具箱介绍 16
3.2 各元件的选择与参数设置 16
3.2.1 发电机选型 16
3.2.2 变压器选型 18
3.2.3 线路选择 20
3.2.4 负荷模型 23
3.2.5 母线选择 24
3.3 Simulink建模 25
3.4 仿真运行 26
3.4.1 初始化参数设置 26
3.4.2 潮流计算仿真 28
3.5 潮流分布计算结果分析 29
第四章 总结 30
参考文献 31

摘要
潮流计算是电力系统中最基础、 最常见的一种重要分析计算。根据系统给定的各种条件、 网络以及元件参数, 经过潮流计算能够确定各母线上的电压、 系统中的功率分布情况以及损耗分布情况, 从而检验电力系统能否满足各种运行方式的要求。电力系统潮流计算还是电力系统稳定性与故障分析的基础, 在电力系统的规划、 生产运行、 调度管理中都有着广泛的应用。
电力系统是一个具有高度非线性特点的复杂系统, 在潮流计算是涉及到大量的矢量计算与矩阵运算, 手工计算无法满足日益扩大的系统要求。另外, 传统的朝里计算程序, 缺乏图形用户界面, 结果不直观也不便于对系统进行针对性的调整修改, 本设计的主要目标就是利用MATLAB/Simulink来构建电力系统仿真模型, 利用其强大的矩阵计算能力, 为电力系统分析与计算提供一个便捷、 高效的计算平台。
本课程设计, 经过对手工潮流与仿真系统潮流结果的比较更加深化了对与电力系统潮流计算的认识。

关键词: 潮流计算; MATLAB/Simulink; SimPowerSystems

第一章 绪论
1.1 设计背景
潮流计算作为最基础也是最重要的电力系统计算, 一直都是电力系统科学研究的热点。随着电力系统规模的不断扩大, 对计算的要求不断提高, 而且对系统的修改、 适应能力也提出了新的要求。
1.2 设计目的
本课程设计是高校工科电气类相关专业的一门专业实践课。其目的是:
(1) 进一步提高收集资料、 专业制图、 综述撰写能力;
(2) 经过设计掌握基本专业理论、 专业知识、 工程计算方法、 工程应用能力及基本设计能力;
(3) 培养理论设计与实际应用相结合的能力, 开发独立思维和看法的能力;
(4) 培养独立分析和寻求并解决工程实际问题的工作能力;
(5) 为毕业设计和实际工作打下坚实的基础。
1.3 设计题目
网络接线图如图1.1所示。图中, 发电厂F母线II上所联发电机发给定运算功率40+j30MVA, 其余功率由母线I上所联发电机供给。

图1.1 网络接线图
设连接母线I、 II的联络变压器容量为60MVA, RT=3Ω, XT=110Ω; 线路末端降压变压器总容量为240MVA, RT=0.8Ω, XT=23Ω; 220kV线路, R1=5.9Ω, X1=31.5Ω; 110kV线路, xb段, R1=65Ω, X1=100Ω; bII段, R1=65Ω, X1=100Ω。所有阻抗均已按线路额定电压的比值归算至220kV侧。
降压变压器电导可略去, 电纳中功率与220kV线路电纳中功率合并后作为一10Mvar无功功率电源连接在降压变压器高压侧。
设联络变压器变比为231/110kV, 降压变压器变比为231/121kV; 发电厂母线I上电压为242kV。
1.4 设计内容和要求
1.4.1 设计内容
(1) 根据电力系统网络图, 手工计算模型中各个元件的参数( 或写全计算过程) ; 画出潮流分布计算等值电路图( 数学模型) ; 计算网络中的潮流分析。
(2) 利用MATLAB/Simulink的SimPowerSystems工具箱, 建立电力系统潮流分布计算用仿真模型; 将系统中的发电机、 变压器、 线路模型联结起来, 形成电力系统仿真模拟图。
加入测量模块, 并对各元件的参数进行设置后, 用measurement和sink中的仪器能够观察各元件的电压、 电流、 功率的大小。
在Simulink中按照电力系统原型选择元件进行建模。
在电力系统模型的建立工程中主要涉及到的是: 元器件的选择及其参数的设置; 发电机选型; 变压器选型; 线路的选择; 负荷模型的选择; 母线的选择。
在powergui模块中设置好潮流和电机的初始化参数以后, 就能够在Simulink环境下进行潮流计算仿真运行; ( 可选择采用牛顿拉夫逊法、 P-Q分解法等算法)
(3) 分析系统潮流分布计算结果;
(4) 撰写课程设计说明书。
注:
①上述步骤2中的短路计算能够直接经过MATLAB编写m程序并调试运行获得短路电流计算结果, 如此能够不搭建Simulink模型。
②设计也能够采用matpower软件( 下载地址: ) , 此软件包能够直接运行在MATLAB环境下。
1.4.2 设计要求
(1) 提交设计资料, 具体包含纸质报告和所有设计相关电子档资料( 含设计报告word文档、 matlab文件、 matpower文件、 设计时下载的参考文献)
(2) 纸质报告与 1月8日( 第19周周日) 上午10点送至D4-502; 电子资料打包压缩之后发至, 压缩文件名和邮件标题均为: 课程设计-学号后4位-姓名, 比如: 课程设计 1001 曹航宇
1.5 设计思路
(1) 熟悉本次课程设计的原始资料, 根据题目要求, 结合电力系统网络图, 初步分析潮流分布情况。
(2) 根据所给数据, 手工计算各个元件的参数, 包括发电机、 变压器、 线路。计算标幺值, 方便后续的MATLAB/Simulink仿真参数设置。
(3) 利用简化的回路电流法进行环形网络的潮流计算, 手工得到题目要求电力系统网络的潮流分布。
(4) 在MATLAB/Simulink环境中, 利用SimPowerSystems工具箱, 选择符合题目要求的各元件模型, 根据之前的手工计算结果设置相关参数。
(5) 将电力网络中的发电机、 变压器、 线路等模型联结起来, 得到仿真电力系统。经过加入的测量模块, 在仿真运行中进行各种电气量的测量, 包括电流、 电压、 功率。
(6) 分析仿真结果, 与手工计算的潮流结果进行比较。

第二章 潮流计算与分析
2.1 元件参数
设功率基准值为SB=100MVA, UB=220kV, 则ZB=U2 B/SB=4.84。根据题目原始资料, 分别计算发电机、 变压器和线路的参数有名值及其标幺值。
2.1.1 发电机参数
根据题目所给数据, 母线I上所联发电机为输出功率不固定的松弛节点, 本设计中记为GI,在潮流计算及仿真系统中作为平衡节点。
母线II上所联的发电机发给定运算功率40+j30MVA, 因此在潮流计算及仿真系统中作为输出恒定有功无功的PQ节点类型, 记为GII。
2.1.2 变压器参数
根据原始数据, 联络变压器记为T1, 其容量为60MVA, RT=3Ω, XT=110Ω; 降压变压器记为T2, RT=0.8Ω, XT=23Ω。本设计采用励磁支路以阻抗表示的双绕组变压器等值电路来进行参数计算, 如图2.1所示。

图2.1 双绕组变压器的等值电路
由此, T1高压侧R1-1取1.5Ω, L1-1=55/(2πf)=0.175H。
低压侧R1-2=1.5/(231/110)2=0.34Ω, L1-2=0.175/(231/110)2=0.0397H。
计算标幺值得
R*1-1= R1-1/ZB=1.5/4.84=0.3099, L*1-1=0.175/4.84=0.0362
R*1-2=0.34/4.84=0.07025, L*1-2=0.0397/4.84=0.0082
T2高压侧R2-1取0.4Ω, L2-1=23/2/(2πf)=0.0366H。
低压侧R2-2=0.4/(231/121)2=0.10975Ω, L2-2=0.0366/(231/121)2=0.01004H。
计算标幺值得
R*2-1= R1-1/ZB=0.4/4.84=0.08264, L*2-1=0.0366/4.84=0.00756
R*2-2=0.10975/4.84=0.022676, L*1-2=0.01004/4.84=0.00207
至于两变压器励磁支路的阻抗大小, 由于题目没有给出具体数值, 在之后的仿真元件参数设置中统一取励磁电阻标幺值10000, 电抗为无穷大, 以反映模拟开路情况。
2.1.3 线路参数
根据原始资料, 电力系统网络中存在三条线路, 分别为220kV线路, 记为LinegI, R1=5.9Ω, X1=31.5Ω; 110kV线路, xb段, 记为Linexb, R1=65Ω, X1=100Ω; bII段, 记为LinebII, R1=65Ω, X1=100Ω。本设计采用П型线路模型, 如图2.2所示。

图2.2 输电线路的П型等值电路
由于所有阻抗均归算到220kV侧, 因此只需要重新计算Lxb与LbII的参数即可。
三条线路单位长度的正序和零序电阻值与电感值分别为
RgI-1=5.9/150=0.0393Ω/km
RgI-0=3×RgI-1=3×0.0393=0.1179Ω/km
LgI-1=31.5/(2πf)/150=6.6845e-4H/km
LgI-0=3×LgI-1=0.002H/km
Rxb-1=65/(231/110)2/120=0.1228Ω/km
Rxb-0=3×0.1228=0.3684Ω/km
Lxb-1=100/ (2πf) / (231/110)2/120=6.015e-4 H/km
Lxb-0=1.8045e-3 H/km
RbI-1=65/(231/121)2/60=0.2972Ω/km
RbI-0=0.8917Ω/km
LbI-1=100/ (2πf) / (231/121)2/60=0.0014556H/km
LbI-0=0.004367H/km
由于题目没有给出线路导纳相关参数, 因此线路导纳默认采用较小的参数。
2.2 等值电路
根据题目所给原始数据, 将所有阻抗按照线路额定电压的比值统一归算到220kV侧, 得到该电力系统网络的等值电路图, 如图2.3所示。

图2.3 等值电路图
2.3 手工潮流计算
根据回路潮流法进行该电力系统网络的潮流分布计算。
(1) 计算初步的功率分布
按照给定的条件得到了等值电路如图2.1所示, 设全网电压都为额定电压, 以等电压两端供电网络的计算方法计算功率分布

校验

由此可知, 计算正确。因此能够得到初步功率分布如图2.4所示。

图2.4 初步功率分布
(2) 计算循环功率
如果在联络变压器高压侧将环网解开, 则开口上方电压即发电厂母线I电压为242kV; 开口下方电压为242×121/231×231/110=266.2(kV)。由此可知, 循环功率的流向为顺时针方向, 其值为

求得循环功率之后, 即能够计算计及循环功率时的功率分布, 计算结果如图2.5所示。

图2.5 计及循环功率的功率分布
(3) 计算各条线路的功率损耗
由图2.3可知, 此处有两个功率分点, 选取无功功率分点为计算功率损耗的起点, 并按照网络额定电压220kV计算功率损耗。

(4) 计算各条线路的电压降落
由U1、 S̃ʹ5求Ug

由Ug、 S̃ʹ4求Ux

由Ux、 S̃ʹ3求Ub

由Ub、 S̃ʺ2求UII

由UII、 S̃ʺ1求U1

顺时针I-g-x-b-II-I逐段求得的UI=219.17kV与起始的UI=242kV相差较大。这一差别就是变压器变比不匹配形成的。如仍顺时针按给定的变压器变比将个点电压折算为实际值, 余下的就是计算方法上的误差。
此时

(5) 计算结果
最后, 将计算结果标示于图2.6。

图2.6 潮流分布计算结果

第三章 MATLAB/Simulink仿真分析
3.1 SimPowerSystems工具箱介绍
SimPowerSystems作为基于MATLAB/Simulink环境的一款强大的工具箱, 主要用于电力系统电力、 电子电路的仿真。电力系统是电气线路和诸如电动机、 发电机等电气-机械转换装置的结合。研究电力系统的一般任务是改进和提高系统的运行水平。SimPowerSystems能够使得科学家和工程师快速、 容易地建立模型, 仿真电力系统的行为。
模块集使用Simulink环境, 允许只经过简单的点选、 拖拽过程产生模块。不但能够快速绘制电路图, 而且对系统的分析能够包括机械能、 热能、 控制和其它要求。这一切能成为可能是由于仿真过程的所有电气部分与Simulink强大的模块库交互作用。
3.2 各元件的选择与参数设置
3.2.1 发电机选型
在题目所给电力系统网络中采用三相同步发电机模块Synchronous Machine pu Standard, 该模块采用标幺值参数, 经过转子dq轴建立的坐标系为参考, 定子绕组为星型接法。在进行潮流分析与计算时, 分别将G1与G2设置为swing和PQ类型。如图3.1与3.2所示。

图3.1 母线I所联发电机G1参数设置

图3.2 母线II上所联发电机G2参数设置
3.2.2 变压器选型
本设计选择三相两绕组变压器Three-phase Transformers(Two Windings), 根据第二章计算参数设置变压器参数, 为了将变压器设置成理想的变压器模型, 漏电阻Rm设置为10000, 漏电抗Xm设置为无穷大, 所有参数均采用标幺值形式。
联络变压器T1和降压变压器T2的参数设置见图3.3和3.4。

图3.3 联络变压器T1参数设置

图3.4 降压变压器T2参数设置
3.2.3 线路选择
本设计选择三相П型输电线路Three-Phase PI Section Line, 根据第二章计算结果, 换算参数后填入设置对话框。如图3.5、 3.6、 3.7所示。

图3.5 线路LinegI的参数配置

图3.6 线路Linexb的参数配置

图3.7 线路LinebI的参数配置
3.2.4 负荷模型
本设计选用SimPowerSystems工具箱中的Three-Phase Dynamic Load模块, 经过设置外部PQ控制信号, 来实现固定的有功无功负荷。母线b和x处的负荷Load1和Load2的配置情况分别如图3.8和3.9所示。

图3.8 负荷Load1的参数配置

图3.9 负荷Load2的参数配置
3.2.5 母线选择
本课程设计为了能够更好的测量各个母线处的电压和电流, 采用带有测量功能的母线, 即三相电压电流测量元件Three-Phase V-I Measurement。它能够作为母线使用, 同时也能够直接观测节点上的电流电压变化。母线I发电机侧的电压电流测量元件M1的参数配置如图3.10所示。

图3.10 三相电压电流测量母线M1的参数设置
3.3 Simulink建模
根据上述元件参数设置, 按照该电力系统网络的联结图, 搭建成为仿真系统, 如图3.11所示。

图3.11 系统Simulink仿真图
3.4 仿真运行
3.4.1 初始化参数设置
系统搭建完成后, 即可在Simulink环境中进行仿真运行。为了对系统进行初始化和简单潮流分析, 需要加入Powergui模块。
经过Powergui模块, 能够显示元件电压、 电流的稳态值, 以及电路中所有状态参数, 包括电感电压和电容电流。其界面如图3.12所示。

图3.12 Powergui工具箱
经过Powergui工具箱内建的Load Flow和Machine Initialization工具, 能够实现系统潮流计算和初始化。Powergui的初始化参数设置, 如图3.13所示。

图3.13 Powergui初始化参数设置
经过Machine Initialization工具, 能够得到详细的系统初始化信息。如图3.14所示。在此将G1设置为swing类型, 作为平衡节点, G2设置为PQ类型, 输出恒定的有功无功。

图3.14 Machine Initialization中系统初始化
3.4.2 潮流计算仿真
运行Load Flow工具, 得到系统潮流计算结果, 如图3.15所示。

图3.15 潮流计算结果
3.5 潮流分布计算结果分析
经过比较图3.15中得到的电压电流计算结果与第二章中手工计算的潮流分布, 能够看出, 手工潮流与仿真系统潮流计算结果基本一致, 可是由于仿真系统中, 考虑到显示实际情况, 自行设定了一些线路与变压器参数, 得到的计算结果更加接近系统实际情况。手工计算的潮流结果只对应了一种理想情况。
具体的, 手工计算系统潮流时, 略去了降压变压器电导, 电纳中功率与220kv线路电纳中功率合并后作为一10Mvar无功功率电源连接在降压变压器高压侧, 线路也没有采用更加准确的П型等值电路。
而在本课程设计的仿真系统中, 采用的发电机、 变压器和线路模型都与实际系统更为接近, 补充完善了相关参数, 因此Powergui中得到的分析结果与手工计算的潮流结果存在差异。能够认为, 采用实际系统模型的仿真系统得到的潮流分布情况更加准确。

第四章 总结
(1) 本设计首先经过题目给定的电力系统网络图, 手工计算模型中各个元件的参数, 得到了系统的数学模型, 进而利用回路潮流法计算出了系统的潮流分布情况。
(2) 利用MATLAB/Simulink的SimPowerSystems工具箱, 建立电力系统潮流分布计算用仿真模型; 将系统中的发电机、 变压器、 线路模型联结起来, 形成电力系统仿真模拟图。
(3) 在powergui模块中经过设置潮流和电机的初始化参数, 在Simulink环境下进行潮流计算仿真, 用measurement和sink中的仪器能够观察各元件的电压、 电流、 功率的大小。
(4) 经过对手工潮流和仿真系统潮流结果的比较, 深化了对电力系统潮流计算的理解。

参考文献
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