外文文獻(xiàn)翻譯譯文---電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真的過程及其建模方法

1、<p><b>　　中文3350字</b></p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） </p><p>　　外 文 文 獻(xiàn) 翻 譯</p><p>　　學(xué) 號 姓 名： </p><p>　　所在院系： 電力工程系 專

2、業(yè)班級： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　原文標(biāo)題： A METHOD OF TRANSIENT ELECTROMECHANICAL </p><p>　　PROCESSES MODELING IN POWER SYSTEMS </p><p

3、>　　2010年 6 月 20 日</p><p>　　出處：PowerTech, 2009 IEEE Bucharest. IEEE, 2009: 1-6</p><p>　　電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真的</p><p><b>　　過程及其建模方法</b></p><p>　　摘要：本文介紹了一種任意拓?fù)渚W(wǎng)

4、絡(luò)的電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)過程計算非迭代方法以及RL等效網(wǎng)絡(luò)法。在這種方法中，電機(jī)模型（包括同步發(fā)電機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)）和靜態(tài)RL負(fù)荷都要寫成電流和角速度形式的柯西公式。在從網(wǎng)絡(luò)方程中除去有關(guān)電流的項之后我們可以得到一組代數(shù)方程用來計算節(jié)點(diǎn)電壓。模型的生成過程建議采用自動生成系統(tǒng)模型的方法。最后，新方法的驗證采用的是在含有15個節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)中暫態(tài)過程仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)電暫態(tài)過程的非迭代計算法 自動生

5、成系統(tǒng)模型的方法</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)包括穩(wěn)定性與質(zhì)量調(diào)節(jié)研究兩個方面。在這種情況下，我們面對的最基本的問題是被調(diào)查系統(tǒng)是非線性的，而且是動態(tài)變化且規(guī)模不定的。雖然我們所采用的計算技術(shù)越來越進(jìn)步，但是在計算上的速度與內(nèi)存量的限制仍然會阻礙技術(shù)的發(fā)展，這是當(dāng)代所有自動化系統(tǒng)中都存在的問題。而自動建立數(shù)學(xué)模型

6、的過程是這個問題中較為復(fù)雜的部分，是主要的制約量。評價一個數(shù)學(xué)模型是否有效的重要標(biāo)準(zhǔn)就是這個模型的規(guī)模，計算所用時間和內(nèi)存的大小。</p><p>　　在編寫暫態(tài)穩(wěn)定計算程序的過程中，忽略電機(jī)和電力線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組件的定子線圈電磁暫態(tài)過程[1,2,3]。一般來說，當(dāng)引入電力系統(tǒng)元件的微分方程時可以選擇一定的步長來計算以取得一個近似值。但是這樣進(jìn)行簡化后的計算結(jié)果與實際系統(tǒng)的響應(yīng)有一定的誤差。</p>&

7、lt;p>　　常見的程序是EMTP [4]模型，它可以用來研究多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的電磁暫態(tài)。在將網(wǎng)絡(luò)中的微分方程轉(zhuǎn)化成有關(guān)電壓，電流以及其他已知量的代數(shù)方程時可以采用梯形法。將所得的代數(shù)式聯(lián)立形成節(jié)點(diǎn)方程組，然后用三角分解法來求解暫態(tài)過程。在文獻(xiàn)[5,6]中提到了EMTP模型中采用二端網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償以及預(yù)測的方法來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的其他仿真功能。在仿真過程中我們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)電機(jī)失步的現(xiàn)象（這用來確定時間步長的大小，但是在計算中存在各種的時間常數(shù)以及

8、需要根據(jù)速度的變化來反復(fù)迭代得到的常數(shù)，這就要求在每一個時刻都要進(jìn)行矩陣的計算得到震蕩的數(shù)值）。</p><p>　　雖然有可能細(xì)節(jié)性仿真電力系統(tǒng)（包括定子與網(wǎng)絡(luò)的暫態(tài)過程），但在一般情況下用來連接不同元件的聯(lián)絡(luò)線的電容比較小，基本上是可以忽略的，尤其是在與電源系統(tǒng)直接相連時。</p><p>　　文獻(xiàn)[7]中提出了建立電力系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型的程序。這個程序利用基爾霍夫電流定律建立在每個母

9、線所謂的根機(jī)定子電流。在根機(jī)狀態(tài)模型中，定子電流及其衍生量為輸入量；定子電壓為輸出量。連接到該母線的所有其它機(jī)器都稱為非根機(jī)。作為跟電機(jī)輸入量的定子電流衍生量是由所有非根電機(jī)和連接到根電機(jī)(母線)的定子電流的衍生量求和得出的。這個程序的基本缺點(diǎn)是它的復(fù)雜性。</p><p>　　文獻(xiàn)[8,9]中，提出了計算含有自主動力系統(tǒng)輻射網(wǎng)暫態(tài)過程的非迭代運(yùn)算法則，包括或不包括定子和聯(lián)絡(luò)線的暫態(tài)過程均可。通常的算法源于一節(jié)點(diǎn)

10、的根電阻，不包括網(wǎng)絡(luò)方程式中定子繞組的衍生量。在文獻(xiàn)[10]中，開發(fā)和增加了可以計算任意電力系統(tǒng)，包括定子和聯(lián)絡(luò)線的暫態(tài)過程的非迭代算法。本文的目的是進(jìn)一步發(fā)展和補(bǔ)充非迭代的研究方法。</p><p>　　2 電力系統(tǒng)的元件模型</p><p>　　所使用的方法的基本問題是模型自動生成，各種干擾的仿真和研究過程的數(shù)值模擬。</p><p>　　電氣設(shè)備模型(同步發(fā)電

11、機(jī)、感應(yīng)電動機(jī))和和靜態(tài)RL負(fù)荷以電流和角速度的形式寫成柯西表中。</p><p>　　常見的方法中，發(fā)電機(jī)方程式以和它的轉(zhuǎn)子(以角速度旋轉(zhuǎn))有關(guān)的d、q、0軸為坐標(biāo)軸，但電動機(jī)和靜態(tài)負(fù)荷方程式以同步速的d、q、軸(以同步速旋轉(zhuǎn))為坐標(biāo)軸。</p><p><b>　　同步發(fā)電機(jī)：</b></p><p>　　其中A B是在附錄中定義的參數(shù)矩

12、陣，下標(biāo)r、 s分別代表定子和轉(zhuǎn)子分別變量和參數(shù)；</p><p><b>　??；；；</b></p><p>　　是電磁轉(zhuǎn)矩。是原動機(jī)轉(zhuǎn)矩，是轉(zhuǎn)子機(jī)械時間常數(shù)。</p><p><b>　　定子繞組：</b></p><p>　　定子方程式通過乘以轉(zhuǎn)化矩陣轉(zhuǎn)化成同步坐標(biāo)系統(tǒng)：</p>

13、<p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　為轉(zhuǎn)化矩陣；為轉(zhuǎn)子相對于同步坐標(biāo)系的相角差。；；</p><p>　　我們把式子(3)寫成柯西形式：</p>

14、<p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　其中。</b></p><p><b>　　感應(yīng)電動機(jī)：</b></p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　其中A B是在附錄中定義的參數(shù)矩陣；下標(biāo)r、 s分別

15、代表定子和轉(zhuǎn)子分別變量和參數(shù)。；；；為電磁轉(zhuǎn)矩。為負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，一般是電機(jī)的機(jī)械輸入；是轉(zhuǎn)子機(jī)械時間常數(shù)。</p><p><b>　　定子繞組：</b></p><p><b>　　(7)</b></p><p><b>　　RL負(fù)荷：</b></p><p><b>

16、　　(8)</b></p><p>　　其中A B是在附錄中定義的參數(shù)矩陣。</p><p><b>　　連接線：</b></p><p>　　電力系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線根據(jù)它們的拓?fù)溥B接分類為連接線和連接樹。連接線的方程式寫成柯西形式(如圖一所示)。</p><p><b>　　連接線：</b>

17、</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　其中A B是在附錄中定義參數(shù)矩陣。</p><p><b>　　連接樹：</b></p><p><b>　　(10) </b></p><p>　　其中Z和L是在附錄中定義的參數(shù)矩陣。&

18、lt;/p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　3 系統(tǒng)描述與模型建立</p><p>　　由各個獨(dú)立的元件模型的組成一個普通的系統(tǒng)模型是通過電氣方法建立電力系統(tǒng)整體模型的關(guān)鍵問題。在此過程中采用基爾霍夫定律是比較好的方法，因為它允許簡單地仿真一個不同的干擾和計算未知的節(jié)點(diǎn)電壓，即在元模型(1)，(6)，(8)的右側(cè)。</

19、p><p>　　首先，將系統(tǒng)線路分為連接線(9)和連接樹(10)。每單個元件構(gòu)成一個連接線模型，所有的連接線模型與連接樹模型一同構(gòu)成普遍的電力系統(tǒng)模型。</p><p>　　對于每一個包含電氣設(shè)備的節(jié)點(diǎn)，通過它的電流可以通過各節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)負(fù)荷以及連接線得到：</p><p><b>　　(11)</b></p><p>　　其

20、中為比例系數(shù)，為元件視在功率；為所有發(fā)電機(jī)總的視在功率；為節(jié)點(diǎn)電流列向量，它的組成部分是與節(jié)點(diǎn)相連的元件電流和；p是連接到節(jié)點(diǎn)k的元件的數(shù)目。</p><p>　　節(jié)點(diǎn)的基爾霍夫電流定律可以寫成以下形式：</p><p><b>　　(12) </b></p><p>　　其中n為電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)。</p><p>

21、;<b>　　差分方程為：</b></p><p><b>　　(13)</b></p><p>　　用方程(5)，(7)，(8)，(9)的右側(cè)取代上式中的差分項，得到：</p><p><b>　　(14) </b></p><p><b>　　其中；</b&

22、gt;</p><p>　?。籱為連接到節(jié)點(diǎn)k的元件的數(shù)目。</p><p>　　用節(jié)點(diǎn)電流和和它的差分項代替方程式(10)中的連接樹電流和它的差分項，，在式子(14)中用差分項的右側(cè)代替差分項并增加連接樹方程。我們可以得到：</p><p><b>　　(15)</b></p><p>　　其中

23、 </p><p>　　為節(jié)點(diǎn)電壓、節(jié)點(diǎn)電流和以及各自的H向量；；； 分別是與節(jié)點(diǎn)相連的電感，阻抗的對角線矩陣（是節(jié)點(diǎn)矩陣）；和是描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矩陣。</p><p>　　從網(wǎng)絡(luò)等式方程中除去有關(guān)電流的項以后，我們得到一組可以用非迭代法解未知節(jié)點(diǎn)電壓的代數(shù)方程。這是這種方法的最基本的優(yōu)點(diǎn)。第二個

24、優(yōu)點(diǎn)就是由于等式（15）的矩陣均為對角陣（除了N1和N2外）,所以可以由等式（15）來自動建立普通的電力系統(tǒng)模型并且獲得節(jié)點(diǎn)向量會比較簡單。</p><p>　　所有的矩陣中只有網(wǎng)絡(luò)矩陣N1和N2是奇異矩陣的形式。它的結(jié)構(gòu)與矩陣N1p和N2p相一致。每個單元的模式元素對應(yīng)于N1 和N2這樣的3x3大小。它的結(jié)構(gòu)顯示在如圖二所示的電力系統(tǒng)的例子中。顯然，矩陣N1p是關(guān)聯(lián)矩陣的樹形圖，其中所考慮的例子有以下形式：&l

25、t;/p><p>　　考慮的矩陣模型如下圖所示。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　矩陣介紹了用節(jié)點(diǎn)電流來替代連接樹電流的代換。每一行對應(yīng)于一個連接樹的電流，每一列對應(yīng)于一個節(jié)點(diǎn)電流。對于矩陣也可以這樣處理。從最后一行開始計算，用當(dāng)前行乘以它的上一行，所得的結(jié)果用來修正當(dāng)前行的電流的邏輯關(guān)系如下：</p>

26、<p><b>　　(16)</b></p><p><b>　　如果，則；</b></p><p><b>　　如果，則；</b></p><p>　　其中，n為系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。</p><p>　　對于我們所考慮的例子，將有以上的形式。</p>&l

27、t;p><b>　　4 擾動仿真</b></p><p>　　本文提出的暫態(tài)計算方法允許模擬由于調(diào)節(jié)器，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，元件數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化引起的電力系統(tǒng)擾動。元件(發(fā)電機(jī)，電動機(jī)，靜態(tài)負(fù)載)的投入/切除的可以由在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的模型進(jìn)行添加/刪除來模擬。同時相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的向量和，矩陣也相應(yīng)改變。如果發(fā)電機(jī)的投入或切除，有必要重新計算發(fā)電機(jī)的視在功率和比例系數(shù)。</p>&

28、lt;p>　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時有必要執(zhí)行最高操作。在那種情況下，有必要建立一個新的N1p和N2p矩陣模型以及新的方程組(15)。一些網(wǎng)絡(luò)的較小變化，例如一條線路的投切，可以通過可以通過投切線路的參數(shù)(矩陣、)的變化來仿真。</p><p>　　給定節(jié)點(diǎn)的故障與此點(diǎn)保護(hù)裝置的動作可以由RL負(fù)荷參數(shù)的變化來仿真。</p><p>　　圖3—7給出了仿真節(jié)點(diǎn)12處在時間1500rad

29、發(fā)生故障1550rad切除故障，得到的部分結(jié)果。顯示的曲線是：(3-4的角度)；節(jié)點(diǎn)12的電壓()；(12-2的角度)；線路16的電流(ILL16)；發(fā)電機(jī)12的電流(IG12)。</p><p>　　圖7-8給出了節(jié)點(diǎn)14的同步發(fā)電機(jī)的AVR調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參考電壓在1500rad由1pu變化到1.08pu，1550rad又回到初始狀態(tài)所得的部分結(jié)果。顯示的曲線是：發(fā)電機(jī)12角速度(wk12)和靜態(tài)負(fù)荷2的電流(IS

30、L2)。</p><p><b>　　圖3 </b></p><p><b>　　圖4 </b></p><p><b>　　圖5 </b></p><p><b>　　圖6 </b></p><p><b>　　圖7

31、</b></p><p><b>　　圖8 </b></p><p><b>　　圖9 </b></p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本文介紹了一種自動建立模型的新方法。它可以用來解決包含任意數(shù)量與種類元件，任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力網(wǎng)絡(luò)的機(jī)電

32、暫態(tài)過程。使用這種方法建立的數(shù)學(xué)模型是最有效的，因為它們使用的計算資源(內(nèi)存和計算時間)最少。使用了計算機(jī)編程可以很容易地實現(xiàn)這種方法。配套文件[11]顯示的是在MATLAB環(huán)境下的實現(xiàn)結(jié)果。從獲得的實驗結(jié)果可以看出這種方法的正確性和高效率。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　系統(tǒng)元素參數(shù)</b></p&

33、gt;<p>　　這些電氣設(shè)備模型被寫成具有相同的互感系統(tǒng)和電動勢的小系統(tǒng)。所有的數(shù)值為p.u級跟與機(jī)器的等級相一致。下面給出矩陣A、B、Z、L的非零元素。</p><p><b>　　同步發(fā)電機(jī)：</b></p><p><b>　　感應(yīng)電動機(jī)：</b></p><p><b>　　靜態(tài)RL負(fù)載