附录5 《电力系统暂态分析》例题8-1的BPA三相短路暂态分析程序 ............................. 36
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故障类型对电力系统功角稳定的影响分析
第1章 绪论
1.1 研究背景
伴随着世界各国经济的飞速发展，科学技术和社会发展也与时俱进。电能是社会发展和科学技术前进中必不可少因素。由于我们处于电气时代，现阶段基本可以认为，电能已经是人类赖以生存和发展的基本能源保障。因此电力行业在社会发展和科学进步中发挥着举足轻重的作用。从反方面而言，失去电力工业的支持和应用，那么就一定不会出现现阶段如此飞速发展的社会经济和科学技术。为了保持着飞速发展的社会经济科学技术发展，必须保证稳定的电力系统，并且有它提供优质的电能。世界各国对电力系统运行和管理有这样几个基本要求。第一电能的安全，第二是优质的电能质量，第三是经济面向和满足用户的需求。在世界的生产生活中我们都知道没有稳定的电压，用电设备就不能满足用户的要求，更严重的会影响用户的生产生活。因此电压是衡量电能质量的中一个非常重要的因素。学习和查阅相关电气工程及其自动化的专业的书籍，我总结出功角和电压一样扮演着电力系统稳定的重要角色，具体的说是保障电力电力系统稳定是否稳定运行必不可少因素。因此保障供电系统功角稳定能使电力系统安全可靠为用户提供优质的能源。保障电力系统功角稳定性同时能够减少电力系统运行成本。这符合现阶段国家提出的可持续发展战略。随着发电机逐渐形成一个庞大的网络，电力系统的稳定性也成为是一个越来越复杂的问题，因此对它的研究已经成为世界各国电力工作者和教学科研工作者等面对重要问题。人们经过多年的研究探索与实践经验发现系统的功角能否稳定对电力系统稳定性有着重大的影响。面对如此庞大电力市场挑战下，电力系统稳定性涉及到各行各业各个方面的实际利益。所以各类学者对电力系统的功角稳定的研究是有必要有目的性的研究。
电力系统的功角稳定包括三个方面的稳定：
1.电力系统静态稳定。在我们研究范围内电力系统正常运行时遇到某些小干扰后，整个电力系统不发生非周期失步，通过一段时间后系统能自动恢复到初始正常运行状态的能力。
2.电力系统暂态稳定与静态稳定存在部分相同点，它们的不同点是电力系统遇到大干扰，系统是能恢复到初始正常状态或者还能够达到新的稳定的运行状态的能力。
3.电力系统动态稳定就是说我们所研究的系统受到干扰后。不发生振幅不断增大的振荡而失步[1]。
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福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文)
1.2 研究意义
从我们的国家性质和现阶段的国情出发，电力这个行业从建国到现在和大多数能源行业一样，受国家垄断经营并且管理的一体化。面对人们对电力行业的巨大需求以及电力行业飞速的发展等挑战，这种由国家垄断的管理方式逐渐出现了一些或大或小的问题。这些问题主要有：长时间不可预测和控制的停电、发电厂内部设备浪费、电歇不稳定等等[2]。通过近年来人们研究，各大国总结出不少宝贵的经验。另一个重大的问题是——电力市场。电力系统的功角与电力市场有着潜移默化的关系。两者无论哪一方出现了问题都将相互影响。为了解决这个问题，在未来可能要对过去经营进行改革和创新。遵循公平竞争等原则，在有限的能源下走可持续发展道路，进行优胜劣汰，取其精华，去其糟粕，完善电力工业体制，根据实际情况提出了新的要求和方法。研究和探索的故障类型对电力系统功角稳定的影响分析问题就是基于以上进行的。
在我们国家电力系统稳定性问题尤为突出，值得我们指出的是我国家是个重电源建设而轻电网建设的国家，这样的模式在建国初期能够满足国家和人民的要求，但是长期的这样运行，导致对电力系统的电压控制较为薄弱。这样就出现了稳定性的问题。伴随着生产生活的进步，目前我国的负荷急速上升同时，如何保持电力系统稳定性的研究极其必要的，只有保持电力系统的稳定才能达到人们生产生活的要求。随着近几年的电力系统的飞速发展和人们不断的革新，域仿真法从理论上已经是非常成熟，为了更进一步它完善方法，世界各国主要目标是建立更加完善准确的发电机高阶模型和负荷模型；当然选择更精确有效率的数值积分方法并且尽可能节省机时与内存，从而加快计算速度，使它更具效率，也是另一个突破方向。
1.3 分析方法
《电力系统暂态分析》中对功角稳定的分析方法主要以数值积分为基础的时域仿真法和以能量函数为基础的直接法。 本书对于功角稳定的分析主要有以下这些方法。第一个是时域仿真法，利用数值计算的方法，根据所列出的数值求出受扰动微分方程组关于时间的解，做好根据发电机的功角的变化来判别电力系统是否稳定。将系统中的任意两台发电机转子功角是否超过极限切除角作为暂态是否失去稳定的判别依据。时域仿真方法是从稳定性的本质出发，由于它计算准确可靠，经过多年的见证时域仿真法符合工程实际的需求。这个方法得到广泛的利用。另一个方法是直接法。由于时域仿真法的计算量很复杂，需要的计算的参数比较多。时域仿真法只能根据功角来判断系统是否稳定，不能得出稳定裕度，因
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故障类型对电力系统功角稳定的影响分析
此不能满足部分要求。 更重要的是它输出信息利用率很低。世界各国为了克服这些缺点，科学家关于能量函数的直接法由此诞生了。这种方法是根据能量的角度来做为判别依据。原理是就是利用一个辅助函数（即李雅普诺夫函数）的性质来判断系电力统稳定与否[2]。它先构造一个李雅普诺夫函数，这个函数必须符合系统稳定。确定和系统临界稳定时所对应的李雅普诺夫函数值；这样就可以比较扰动结束时的李雅普诺夫函数值。将利亚若夫的值和临界值的大小做为判别系统的稳定性[2]。近几年通过不断的革新，能量函数的直接法得到的飞速发展，世界各国已经顺利的制作出许多性能良好的软件，但目前直接法在电力系统稳定计算中仍然无法取代时域仿真法的现实。本文主要应用时域仿真发进行分析电力系统暂态稳定的例子。
1.4 研究内容
合理科学的控制电力系统功角既能提高了稳定性能、电力系统的安全水平，同时给电力行业从经济效益上带来十分可观的效益，然而电力系统的稳定性问题是一个个非常复杂的非线性问题，在众多的方法中确定最佳求解方法已经成为现阶段电力系统功角稳定性的趋势。
本论文通过总结和探讨电力系统性，研究功角稳定的基本原理，在通过结合教材上的例子。利用BPA电力系统仿真软件进行潮流计算，在其中的得到报告表，分析某些短路类型对电力系统功角稳定的影响。
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第2章 同步发电机模型
2.1 同步发电机关于电力系统功角稳定现象与机理
功角稳定性问题在部分教材上也被称为发电机稳定性问题。电力系统的功角能否稳定的最根本原因是发电机这一部分引起的。也就是说电力系统功角从稳定变为不稳定的根本原因是发电机的输入和输出功率不平衡造成的。在系统稳定正常运行时p0?pT进一步的解释就是在正常运行的稳态情况下，之所以能让所有发电机转子速度保持恒定，是因为系统中的发电机组产生的电磁转矩和原动机输入的机械转矩平衡原因。当然可能因为某些原因例如短路，断线等大扰动使整个电力系统的部分结构和系统参数发生了比较大的变动，接着整个系统的潮流与系统各发电机之间的输出功率发生了巨大的变化，最终结果导致破坏了原动机和发电机的功率平衡，也就是说p0?pT，在分析8-1的例子中，系统突然发生短路，原动机的机械功率pT不变，但是输出功率严重降低，因此发电机转轴上产生不平衡转矩，这个过剩的转矩导致转子转速变化。转子的速度发生了变化导致发电机转子之间同时产生相对运动，由于发电机的的输出功率和转子的相对角度是相互影响相互作用的，由于故障的并没有切除转速和转子之间的先对角度继续发生变化。当然这种情况也有个限度，这个限度就是发电机相对角度超越稳定极限，最后发生了失稳。这就是电力系统暂态书里关于电力系统各发电机转子机械运动跟电磁功率变化的机电暂态过程[3]。电力系统正常运行的一个首要前提是每台发电机的转子速度保持一致，这样的同步转速也就是论文所探讨的发电机功角恒定使得系统不会发生震荡，保持正常运行。部分的发电机组的功角失稳的同时，也导致其他机组的转子失去同步造成系统稳定运行的破坏。电力系统长时间功角不稳定会导致电网保护发生误动作，严重时会发生电力事故，大面积停电，导致系统解列严重的影响用户生产生活，更严重的造成运行人员伤亡。因此本论文研究发电机功角，根据电力系统仿真软件计算出稳定与不稳定的极限切除时间。
2.2同步发电机的模型意义
由于电力系统是一个庞大的网络，它不是有简单的一台发电机构而是由数百台发电机组成的一个复杂网络，这个网络还包括加励磁系统，调速器和原动机等等，这些参数将会出现多维的复杂综合问题，给计算带来很大的不便。为了方便在不同的场合下使用，人们常对同步发电机的数学模型做不同程度的的简化，使
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