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40000字硕士毕业论文电力系统发动机和高压直流输电的控制与仿真研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:40000字
论点:输电,系统,发电机
论文概述:

电力系统仿真分为数字仿真和物理模拟,数字仿真的过程是首先建立能够反映电力系统元件特性的数学模型,然后通过计算机编写程序来模拟真实系统。物理仿真则是通过建立物理仿真系统来模

论文正文:

第一章导言

1.1项目背景
随着区域电网的互联和高放大倍数励磁系统的使用,出现了一些问题,其中低频振荡是最常见和最有害的问题之一。为了解决上述问题,有必要为发电机配置电力系统稳定器。电力系统稳定器能有效增加同步发电机的阻尼转矩分量,提高电力系统的动态稳定性。由于控制策略和控制器结构的不同,与之相适应的电力系统稳定器模型也不同。PSD-BPA暂态稳定分析程序中提出了一些PSS模型,并在程序中实现。由于DC传输在大容量和长距离传输方面的优势,DC传输得到了快速发展。自1954年世界上第一个高压直流输电项目——瑞典哥谭直流工程(Gotham direct current project)投入运行以来,全球已有80多个直流工程投入运行,在大容量长距离输电中发挥着重要作用。
电力电子技术的发展为高压直流输电的发展提供了技术支持。汞弧阀的出现使直流传输成为现实。此后,晶闸管换流阀的出现推动了直流输电的大发展。到目前为止,新型大功率全控半导体器件的应用(如IGBT等。)将促进直流输电的进一步发展。同时,DC输电具有一系列优势,推动了DC输电工程的发展。其主要优点是:
(1) DC传输与交流传输相比没有稳定性问题,适合长距离大容量传输;
2) DC传输可以实现系统间的异步联网;
(3) DC输电功率调整快速灵活,能有效提高交流系统的运行性能;
(4) DC输电线路电容和电感不起作用,线路电压分布均匀。
当然,DC输电有其自身的缺点,但是随着新电力电子设备在DC输电项目中的不断应用,这些缺点将会得到改善或克服。
自20世纪70年代以来,前苏联、美国、加拿大等国开始对600千伏及以上电压等级的DC输电技术进行相关研究。DC的主要项目包括750千伏哈萨克斯坦-中国-俄罗斯DC项目和600千伏巴西-巴拉圭意大利议会联盟项目。我国煤炭和水电资源主要集中在西部和西南部,电力负荷主要集中在中部、东部和南部沿海。能源分布和负荷中心的不平衡推动了中国西电东送战略的实施。此外,中国自然形成了东北、华北、华中、华东、西北、华南等省的区域电网。对大容量长距离输电和区域电网互联的需求推动了高压直流输电的发展。2005年,中国首个大面积互联DC背靠背工程灵宝背靠背工程投入运行,实现了中央与西北电网的异步互联。
截至2008年,中国已建成11个大容量直流输电工程,包括500千伏葛洲坝-上海、三峡-上海、天生桥-广州、三峡-广州、贵州-广州、贵州-广州、高陵背靠背直流输电工程。自2005年初以来,我国开始了800千伏高压直流输电工程的关键技术和可行性研究。2010年6月18日,世界首个800千伏直流输电工程——广韵特高压直流输电工程投入运行,提高了西电东送能力。随后,800千伏向家坝至上海DC输电工程于2010年7月8日竣工并投入运行。同时,直流输电的使用已经实现了东北-华北、华北-华中、中南和中-西北主要电网的互联互通,为国家互联互通奠定了基础。到2020年,大约30个DC项目将在国家电力系统投入运行。多馈入DC输电系统交流/DC混合电力系统的运行和控制非常复杂,对电力系统安全稳定分析仿真提出了更高的要求。电力系统仿真作为电力系统分析的基础,也面临着新的挑战。

第二章发电机及其控制系统的数学模型

2.1同步发电机数学模型
同步发电机是电力系统中的电源,也是最重要的部件之一。其数学模型的选择直接影响仿真计算的准确性。同步发电机的数学模型主要包括经典模型、双轴暂态模型和双轴亚暂态模型。它们的主要区别在于所考虑的不同转子绕组。一般电力系统中同步发电机的数量可以达到数千台。如果微分方程的阶太高,可能会引起“维数灾难”的问题。对于一些需要详细仿真的发电机,采用高微分方程阶,而对于其他发电机,可以采用低微分方程阶。同步发电机的双轴瞬态模型将在下面详细描述。
发电机励磁系统向发电机提供励磁电流,发电机在调节电压和控制无功功率分配方面发挥作用。同时,可以提高电力系统的稳定性和动态性能。励磁系统根据不同的电源可分为DC励磁系统、交流励磁系统和静态励磁系统。以下是1968年美国电气工程师学会(IEEE)提出的励磁系统模型EA模型的简要介绍。EA模型的输入信号是发电机所在母线或系统母线的电压测量值,然后通过测量环节、综合放大环节、限制环节、软反馈环节和励磁机环节获得合适的励磁控制信号,作用于发电机,实现其控制目标。

第三章基本原则和数学模型..............................18-30
3.1 DC变速器的基本原则..............................18-19
3.2 DC输电系统数学模型..............................19-24
3.3 DC变速器控制特性..............................24-30
第四章电力系统机电暂态仿真..............................30-52
4.1电气瞬态模拟的数学模型..............................30
4.2电气瞬态模拟的数值解..............................30-31
4.3双向迭代模型..............................31-37
4.3.1发电机及其控制系统..............................31-34 [/BR/] 4.3.2 DC系统仿真模型..............................34-36 [/BR/] 4.3.3电网模型..............................36-37 [/BR/] 4.4电力系统双向迭代机电仿真..............................37-38[/比尔/] 4.5示例分析..............................38-52
4.5.1国际/国际+型号验证..............................38-40
4.5.2 DC系统验证..............................40-52
第五章DC调制参数优化设计..............................52-68
5.1 DC调制..............................52-55[/溴/] 5.1.1 DC调制抑制低频振荡..............................52-53[/BR/]5 . 1 . 2 DC调制的数学模型..............................53-55[/溴/]5.2 DC调制参数的优化设计..............................55-65

结论

选择合适的DC调制控制器参数不仅可以改善DC系统本身的运行特性,还可以利用其快速可控性改善交流系统的动态性能。因此,DC调制控制器的参数优化是一个非常有意义的研究课题。在前人研究的基础上,本文提出了一种基于时域仿真的DC调制参数优化方法,将DC调制参数优化问题转化为具有参数约束的非线性优化问题。该方法首先将约束优化问题转化为无约束优化问题,通过轨迹灵敏度仿真获得目标函数的梯度信息,并应用拟牛顿法优化DC调制控制器参数。由于目标函数反映了交流/DC复杂系统的动态特性,该方法能有效改善系统的阻尼特性,抑制大扰动引起的系统振荡。基于IEEE四机系统的特征值分析和时域仿真结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。
电力系统的时域仿真方法是用非线性微分方程和代数方程来模拟电力系统的组成部分,这种方法称为轨迹系统。用数值解逐步求解操作变量和状态变量的数值解,得到每个变量随时间的曲线,从而判断系统的稳定性。时域仿真方法可以充分考虑所有部件的非线性特性,但不能给出关键模态的定量信息,也不能获得系统响应与系统参数之间的定量关系。轨迹灵敏度法可以弥补时域仿真法的这一缺陷,使时域仿真法设计控制器参数成为可能。