1、摘 要電力系統分析是電氣工程及其自動化專業的必修課。主要通過理論和仿真計算使學生掌握電力系統三大計算（電力系統短路計算、系統穩定計算、潮流計算）的基本方法，深化學生對電力系統基本理論和計算方法的理解，培養學生分析、解決問題的能力和電力系統計算軟件的應用能力。 PSCAD/EMTDC仿真軟件為我們電力系統分析的學習提供了一個有效的工具，可利用該仿真軟件對電力電子電路進行仿真，并以單相交流調壓電路為例對其進行了仿真分析，對提高學習質量有重要意義。潮流計算是電力系統最基本最常用的計算。根據系統給定的運行條件，網絡接線及元件參數，通過潮流計算可以確定各母線的電壓幅值和相角，各元件流過的功率，整個系統的

2、功率損耗。潮流計算是實現電力系統安全經濟發供電的必要手段和重要工作環節。因此，潮流計算在電力系統的規劃計算，生產運行，調度管理及科學計算中都有著廣泛的應用。也就是說，對于電氣工程及其自動化專業的學生來說，掌握潮流計算是非常重要和必要的。關鍵詞：PSCAD/EMTDC仿真；潮流計算；單相交流調壓目 錄摘要1概述1.1電力系統敘述1.2 設計目的1.3 設計要求2電力系統潮流計算概述及課題2.1 潮流計算概述2.2潮流計算的意義及其發展2.3課程設計題目相關技術參數3 PSCAD仿真軟件簡介 4課程設計的調試與仿真結果4.1 系統仿真圖4.2 輸出端顯示圖4.3 仿真波形圖總結參考文獻致 謝1概述

3、1.1 電力系統敘述 電力工業發展初期，電能是直接在用戶附近的發電站（或稱發電廠）中生產的，各發電站孤立運行。隨著工農業生產和城市的發展，電能的需要量迅速增加，而熱能資源和水能資源豐富的地區又往往遠離用電比較集中的城市和工礦區，為了解決這個矛盾，就需要在動力資源豐富的地區建立大型發電站，然后將電能遠距離輸送給電力用戶。現代電力系統提出了“靈活交流輸電和新型直流輸電”的概念。靈活交流輸電技術是指運用固態電子器件與現代自動控制技術對交流電網的電壓、相位角、阻抗、功率以及電路的通斷進行實時閉環控制，從而提高高壓輸電線路的訴訟能力和電力系統的穩態水平。新型直流輸電技術是指應用現電力電子技術的最新成果，

4、改善和簡化變流站的造價等。運營方式管理中，潮流是確定電網運行方式的基本出發點：在規劃領域，需要進行潮流分析驗證規劃方案的合理性；在實時運行環境，調度員潮流提供了電網在預想操作預想下的電網的潮流分布以及校驗運行的可靠性。在電力系統調度運行的多個領域都涉及到電網潮流計算。潮流是確定電力網咯運行狀態的基本因素，潮流問題是研究電力系統穩態問題的基礎和前提。1.2 設計目的掌握電力系統潮流計算的基本原理；掌握并能熟練運用PSCAD/MATLAB 仿真軟件；采用PSCAD/MATLAB 軟件，做出系統接線圖的潮流計算仿真結果。1.3 設計要求熟悉PSCAD/MATLAB 軟件；編寫潮流計算流程圖；建立系統

5、接線圖的仿真過程；得出仿真結果。2電力系統潮流計算的概述及課題2.1 潮流計算概述在電力系統的正常運行中，隨著用電負荷的變化和系統運行方式的改變，網絡中的損耗也將發生變化。要嚴格保證所有的用戶在任何時刻都有額定的電壓是不可能的，因此系統運行中個節點出現電壓的偏移是不可避免的。為了保證電力系統的穩定運行，要進行潮流調節。隨著電力系統及在線應用的發展，計算機網絡已經形成，為電力系統的潮流計算提供了物質基礎。電力系統潮流計算是電力系統分析計算中最基本的內容，也是電力系統運行及設計中必不可少的工具。根據系統給定的運行條件、網絡接線及元件參數，通過潮流計算可以確定各母線電壓的幅值及相角、各元件中流過的功

6、率、整個系統的功率損耗等。潮流計算是實現電力系統安全經濟發供電的必要手段和重要工作環節，因此潮流計算在電力系統的規劃設計、生產運行、調度管理及科學研究中都有著廣泛的應用。它的發展主要圍繞這樣幾個方面：計算方法的收斂性、可靠性；計算速度的快速性；對計算機存儲容量的要求以及計算的方便、靈活等。常規的電力系統潮流計算中一般具有三種類型的節點：PQ、PV及平衡節點。一個節點有四個變量，即注入有功功率、注入無功功率，電壓大小及相角。常規的潮流計算一般給定其中的二個變量：PQ節點（注入有功功率及無功功率），PV節點（注入有功功率及電壓的大小），平衡節點（電壓的大小及相角）。變量的分類：負荷消耗的有功、無功

7、功率、；電源發出的有功、無功功率、；母線或節點的電壓大小和相位、 、。在這十二個變量中，負荷消耗的有功和無功功率無法控制，因它們取決于用戶，它們就稱為不可控變量或是擾動變量。電源發出的有功無功功率是可以控制的自變量，因此它們就稱為控制變量。母線或節點電壓的大小和相位角是受控制變量控制的因變量。其中, 、主要受、的控制, 、主要受、的控制。這四個變量就是簡單系統的狀態變量。為了保證系統的正常運行必須滿足以下的約束條件：對控制變量有；對沒有電源的節點則為； 對狀態變量的約束條件則是； 對某些狀態變量還有如下的約束條件為 。節點的分類： 第一類稱PQ節點。等值負荷功率、和等值電源功率、是給定的，從而

8、注入功率、是給定的，待求的則是節點電壓的大小和相位角。屬于這類節點的有按給定有功、無功率發電的發電廠母線和沒有其他電源的變電所母線。 第二類稱PV節點。等值負荷和等值電源的有功功率、是給定的，從而注入有功功率是給定的。等值負荷的無功功率和節點電壓的大小 也是給定的。待求的則是等值電源的無功功率，從而注入無功功率和節點電壓的相位角。有一定無功功率儲備的發電廠和有一定無功功率電源的變電所母線都可以作為PV節點； 第三類平衡節點。潮流計算時一般只設一個平衡節點。等值負荷功率、是給定的，節點電壓的大小和相位也是給定的。擔負調整系統頻率任務的發電廠母線往往被選作為平衡節點。2.2潮流計算的意義及其發展電

9、力系統潮流計算是電力系統分析中的一種最基本的計算，是對復雜電力系統正常和故障條件下穩態運行狀態的計算。潮流計算的目標是求取電力系統在給定運行狀態的計算，即節點電壓和功率分布，用以檢查系統各元件是否過負荷。各點電壓是否滿足要求，功率的分布和分配是否合理以及功率損耗等。對現有的電力系統的運行和擴建，對新的電力系統進行規劃設計以及對電力系統進行靜態和穩態分析都是以潮流計算為基礎。潮流計算結果可用如電力系統穩態研究，安全估計或最優潮流等對潮流計算的模型和方法有直接影響。實際電力系統的潮流技術那主要采用牛頓拉夫遜法。運行方式管理中，潮流是確定電網運行方式的基本出發點；在規劃領域，需要進行潮流分析驗證規劃

10、方案的合理性；在實時運行環境，調度員潮流提供了多個在預想操作情況下電網的潮流分布以及校驗運行可靠性。在電力系統調度運行的多個領域問題是研究電力系統穩態問題的基礎和前提。在用數字見算計算機解電力系統潮流問題的開始階段，普遍采取以節點導納矩陣為基礎的逐次代入法。這個方法的原理比較簡單，要求的數字計算機內存量比較差下，適應50年代電子計算機制造水平和當時電力系統理論水平，但它的收斂性較差，當系統規模變大時，迭代次數急劇上升，在計算中往往出現迭代不收斂的情況。這就迫使電力系統的計算人員轉向以阻抗矩陣為基礎的逐次代入法。阻抗法改善了系統潮流計算問題的收斂性，解決了導納無法求解的一些系統的潮流計算，在60

11、年代獲得了廣泛的應用，阻抗法德主要缺點是占用計算機內存大，每次迭代的計算量大。當系統不斷擴大時，這些缺點就更加突出，為了克服這些缺點，60年代中期發展了以阻抗矩陣為基礎的分塊阻抗法。這個方法把一個大系統分割為幾個小的地區系統，在計算機內只需要存儲各個地區系統的阻抗矩陣及它們之間聯絡的阻抗，這樣不僅大幅度的節省了內存容量，同時也提高了計算速度。克服阻抗法缺點是另一個途徑是采用牛頓-拉夫遜法。這是數學中解決非線性方程式的典型方法，有較好的收斂性。在解決電力系統潮流計算問題時，是以導納矩陣為基礎的，因此，只要我們能在迭代過程中盡可能保持方程式系數矩陣的稀疏性，就可以大大提高牛頓法潮流程序的效率。自從

12、60年代中期，牛頓法中利用了最佳順序消去法以后，牛頓法在收斂性。內存要求。速度方面都超過了阻抗法，成為了60年代末期以后廣泛采用的優秀方法。2.3 課程設計題目相關技術參數 基準值取SB=100MVA，UB=230kV，系統頻率為50Hz。發電機參數：G1：247.5MVA，16.5kV，功率因數為1，水輪機組（Salient-Pole）。G2：192MVA，18kV，功率因數為0.85，汽輪機組（Round-Rotor）。G3：128MVA，13.8kV，功率因數為0.85，汽輪機組（Round-Rotor）。變壓器參數：發電機和變壓器容量應輸入100MVA。T1：16.5/230kV，XT

13、=0.0576；T2：18/230kV，XT=0.0625；T3：13.8/230kV，XT=0.0586線路參數：Line1：Z=0.01+j0.085，B/2=j0.088；Line2：Z=0.032+j0.161，B/2=j0.153；Line3：Z=0.017+j0.092，B/2=j0.079；Line4：Z=0.039+j0.17，B/2=j0.179；Line5：Z=0.0085+j0.072，B/2=j0.0745；Line6：Z=0.0119+j0.1008，B/2=j0.1045；負荷參數：Lump A：125+j50MVALump B：90+j30MVALump C：10

14、0+j35MVA在圖2.1所示的簡單電力系統接線圖中，將發電機G1 設為系統的平衡節點（Slack），設置電壓幅值為1.04pu，電壓參考相角為0；將G2 和G3 設為PV 節點，分別設置有功出力為1.63pu 和0.85pu，設置電壓幅值都為 1.025pu。收斂系數0.00001。電路圖如圖所示。圖2.1 WSCC 三機九節點系統3 PSCAD仿真軟件簡介PSCAD是一種有效的用戶圖形界面,能夠顯著地提高電力系統電磁瞬時模擬研究的效率。 利用PSCAD 家族的軟件工具,使得電力系統工程師能夠充分利用現代微機工作站的資源, 更為有效地使用馬尼托巴高壓直流研究中心的EMTDC 瞬時模擬軟件。該

15、族軟件還可作為該中心的實時數字模擬器(RTDS)的用戶界面。 PSCAD 由下述軟件模塊構成: 檔管理系統、建模(DRAFT)模塊 、架空線(T-LINE)和電纜(CABLE)模塊 、運行(RUN TIME)模塊 、單曲線繪圖(UNIPLOT)和多曲線繪圖(MULTIPLOT)模塊 PSCAD 編寫使其適合在基于UNIX操作系統并具有X 窗口環境的微機工作站上運行。PSCAD 具備自己的軟件支持因而不需要用戶再安裝其他支持軟件。 建議使用的系統至少應具備16MB的內部RAM。 安裝的PSCAD 軟件需占用不到10MB的磁盤存儲空間。軟件同時支持單色和彩色監視器。如果要運行EMTDC 模擬軟件,

16、 用戶應提供FORTRAN 77(F77) 編譯器。硬拷貝輸出采用PS格式。建模模塊中的圖形可通過接受HP-GL 命令的繪圖儀輸出。 PSCAD代表電力系統計算機輔助設計，PSCAD的開發成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統分析，使電力系統復雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數字仿真器的前置端。可模擬任意大小的交直流系統。PSCAD V1 1988年首先在阿波羅工作站上使用，然后大約在1995年PSCAD V2開始應用。PSCAD V3以PC Windows作為平臺，在1999年面世。目前最新版本的是。 用戶可以通過調用隨EMTDC 主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自

17、己開發的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統模型和結構。EMTDC 的威力之一是可以較為簡單地模擬復雜電力系統, 包括直流輸電系統和其相關的控制系統。所以PSCAD是電力專業十分有用的仿真軟件，我們組的課題系統節點較多，傳統的手工計算顯然不切實際，于是利用PSCAD仿真運行出結果就成了本次課程設計最為關鍵的一個環節。4 課程設計的系統仿真總圖與仿真波形圖4.1 系統仿真圖系統PSCAD仿真總接線圖如下圖4.1所示。圖4.1 系統仿真圖4.2 輸出端顯示圖輸出端顯示如圖4.2所示，點擊最右邊放大圖標可以查看各節點參數分布情況。圖4.2 輸出端顯示圖4.3 仿真波形圖下面幾張圖分別為母線5

18、上的有功功率分布（圖4.3和圖4.4），母線6上的無功功率分布（圖4.5和圖4.6）。圖4.3 母線5上有功功率分布圖4.4母線上5上有功功率分布圖4.5 母線上6上無功功率分布圖4.6 母線上6上無功功率分布總 結潮流計算是電力系統分析中的一種最基本的計算，它的任務是對給定的運行條件確定系統的運行狀態，如各母線上的電壓（幅值及其相角）、網絡中的功率分布及功率損耗等。潮流計算的已知條件通常是電源點的電壓和負荷點的功率，待求的是電源點以外的各節點電壓和功率分布。可以采用逐步逼近的方法，將每一輪的計算分兩個步驟進行：第一步，從負荷點開始，逆著功率傳送的方向，計算各支路的功率損耗和功率分布；第二步，從電源點開始，順著功率傳送的方向，計算各支路的電壓降落（或電壓損耗）。通過這次的課程設計，我重新溫習了之前課本的相關內容，對課本上的知識有了更深層次的理解與