《電力系統動模分析與仿真》

課程編號：12000166黃鑫1224402862013.6.27主要內容電力系統動態模擬基礎電力系統的研究方法模擬理論的基本概念相似定理確立相似判據的方法主要內容電力系統動態模型中的測量與控制電壓互感器和電流互感器的模擬電流互感器飽和特性分析電流互感器飽和特性仿真研究結語電力系統動態模擬基礎

——電力系統的研究方法研究途徑：理論分析、科學實踐科學實踐方法：原型操作、模型試驗模型試驗方法：數字仿真、物理模擬數字仿真特點：明確電力系統以及各元件數學表達式，建立數學模型，利用數學工具進行計算分析，求得結果不足：受認識限制，一些新問題不能或不完全能用數學方程式表示。因此需要物理模擬電力系統動態模擬基礎

——電力系統的研究方法物理模擬特點：根據相似原理，把實際電力系統按一定模擬比例縮小，保留物理特性且參數標幺值一致的電力系統復制品。因此能夠直接觀察到各種現象的物理過程，獲得明確的物理概念。分類：電力系統動態模擬（動模）、電力系統靜態模擬（靜模）不足：待研究系統的規模不能過大，參數調整有限制，運行前模擬參數調整復雜電力系統動態模擬基礎

——模擬理論的基本概念概念：研究各種自然現象必須滿足什么條件的學科研究方法：類比于幾何相似，現象參數存在比例關系和相同物理性質，即可物理相似分類：絕對相似，局部模擬，近似模擬相似準則：如果兩個現象相似，則這兩者的無量綱形式的方程組和單值條件應該相同，具有相同的無量綱形式解。出現在這兩者的無量綱形式的方程組及單值條件中的所有無量綱組合數對應相等。這些無量綱組合數成為相似準則電力系統動態模擬基礎

——相似定理相似第一定理：彼此相似的物理現象必須服從同樣的客觀規律，若該規律能用方程表示，則物理方程式必須完全相同，而且對應的相似準則必定數值相等。這就是相似第一定理。值得指出：一個物理現象中在不同的時刻和不同的空間位置相似準則具有不同的數值，而彼此相似的物理現象在對應時間和對應點則有數值相等的相似準則，因此，相似準則不是常數。電力系統動態模擬基礎

——相似定理相似第二定理：凡同一類物理現象，當單值條件相似且由單值條件中的物理量組成的相似準則對應相等時，則這些現象必定相似。這是判斷兩個物理現象是否相似的充分必要條件。第一個必要條件：兩個物理現象相似，必定是同一類物理現象。因此，描述物理現象的微分方程組必定相同第二個必要條件：因為服從同一微分方程組的同類現象有許多，單值條件可以將研究對象從無數多現象中單一地區分出來，數學上則是使微分方程組有唯一解的定解條件。第三個必要條件：單值條件中的物理量所組成的相似準則相等是現象相似的電力系統動態模擬基礎

——確立相似判據的方法分類：量綱分析法、分析關系方程式法量綱分析法：一個物理量的量綱是由像質量、長度、時間、電荷量、溫度一類的基礎物理量綱結合而成，物理量的量綱可以用來分析或檢核幾個物理量之間的關系。重點：物理定律必需跟其計量物理量的單位無關。任何有意義的方程式，其左手邊與右手邊的量綱必需相同。檢查有否遵循這規則是做量綱分析最基本的步驟電力系統動態模擬基礎

——確立相似判據的方法如果系統的微分方程可以列出，則以采用分析關系方程式的方法比較簡便方法分類：1、比例系數分析法；2、積分類似法；3、標幺值方程等效法電力系統動態模型中的測量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬背景：在動模上進行各種試驗時，必須對各種參量進行測量，測量的結果準確與否，直接影響試驗的結果，不準確的測量，會導致錯誤的結論分類：動模的測量主要對各種電氣參數進行，分為穩態和暫態兩種：穩態情況，可采用儀表進行測量；暫態情況：必須用錄波儀進行錄波（一般采用故障錄波儀）注意：測量回路的負荷阻抗電力系統動態模型中的測量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬互感器分類：1、電磁型互感器；2、光電互感器；3、電流電壓組合式電子互感器；4、數字化測控系統1、電磁型互感器 互感器不僅不僅是一種電氣設備，而且是一種鐵磁設備，當互感器接入模型系統后，必然對模型系統造成或多或少的影響，主要是影響模型系統的參數。因此對互感器的選擇和使用，除了要考慮他們的準確度（一般選用0.5級）等級和容許的負荷外，還應考慮對電路的影響電力系統動態模型中的測量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬對于電壓互感器，在動模運用中要考慮的問題主要有：模型系統的電壓，常需要根據原型系統的情況，試驗的性質、內容、要求以及動模的設備等情況來改變。由于上述問題常常出現模型系統和設備的運行電壓是非標準電壓等級，此時應采取的辦法：（1）如果電壓不高，可以利用小容量的自耦調壓器來代替電壓互感器，缺點：誤差較大，原邊和副邊之間沒有隔離，每個調壓器的空載電流也很不一致；（2）采用特制的多繞組電壓互感器，分為兩種情況：其一是副繞組匝數固定；其二是原繞組匝數一定電力系統動態模型中的測量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬2、光電互感器電力系統中，互感器主要用于測量和保護，傳統的互感器分電磁感應式和電容式兩種。光學電流互感器與光學電壓互感器類似與傳統互感器相比較：電磁感應式電壓互感器：容量小，電壓等級高時絕緣困難，造價高；電容式電壓互感器：暫態相應較差，電容和非線性補償電感、變壓器電感串聯，設備本身又發生鐵磁諧振的可能；都存在輸出不能和計算機相連，容量有限，頻帶較窄等缺陷電力系統動態模型中的測量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬光學電壓互感器，利用光學材料敏感電壓，利用光纖傳輸信號，無鐵芯和電感，不存在鐵磁諧振和鐵芯飽和，有優良的絕緣性和較強的抗干擾能力，體積小、重量輕、頻帶寬、動態范圍大、數字輸出、容量不受限制、便于與計算機相連。電力系統動態模型中的測量與控制

——電壓互感器和電流互感器的模擬電流電壓組合式電子互感器，適用于10kV電壓等級的一次電流和電壓采集。其輸出量值為小信號模擬量，根據需要，可直接輸出數字量。電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性分析電流互感器(CT)是電力系統中一種重要的測量設備，其運行特性影響著測量的準確性和保護裝置動作的可靠性.利用MATLAB軟件中的電力系統模塊庫和Simulink工具，為應用在高壓并聯電抗器支路中作為測量的電流互感器建立一個系統仿真模型，對電流互感器的飽和特性進行仿真，其主要是獲得電流互感器在含有非周期分量電流作用下和二次側開路時的飽和特性曲線電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性分析電流互感器的的運行特性與其一次電流的大小和性質密切相關，當一次電流為基波電流且在一定的范圍內變化時，電流互感器處于穩態運行，且二次電流與一次電流呈線性關系；如果一次電流中含有非周期分量(如短路電流)，電流互感器的鐵心將會飽和。為模擬電流互感器的穩態和飽和狀態這兩種運行狀態，在此通過控制斷路器(CB)的合閘時刻，而在電路中產生不同的電流。其原理簡述如下：電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性分析在電力系統中，廣泛運用并聯電抗器來吸收高壓輸電線路的充電功率并聯電抗器作用：補償輸電線路的容性電流，提高功率因數，抑制過高的工頻過電壓和過電流。電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性分析如右圖所示的電路，當斷路器合閘后，電路方程為：解這個微分方程，并根據初始條件(t=0時，i=0，且電感電路電流不能突變)，得：電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性分析Z——電路中每相阻抗——電路時間常數——電流與電壓之間的相角，電路電流由周期分量和非周期分量兩個分量構成，并且非周期分量的大小與電源電壓初相角有關，即可通過控制斷路器的合閘時刻來改變電壓初相角，從而改變電路電流中的非周期分量成分。當a=0時，非周期分量最大；當a=90時，非周期分量近似為零電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究一、正常運行狀態將斷路器設置在t=1.25T(25ms)時閉合，此時電源電壓為峰值，即電壓初相角a=90，電路電流的非周期分量近似為零。開始仿真，觀察CT一次電流和二次電流，其波形如下圖所示。電流與電壓均為標準正弦波，幅值相位均相同電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究二、電流存在非中期分量時首先考慮CT鐵心不存在剩磁的情況。將斷路器設置在t=l(20ms)時閉合，此時電源電壓瞬時值過零，即電壓初相角a=0，電路電流中產生最大的非周期分量。開始仿真，其波形如下圖所示。觀察CT輸出電壓隨著一次電流的變化。2個周期后，一次電流中的非周期分量引起CT飽和，所以CT二次電壓出現失真，峰-峰值不相同電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究CT二次側開路情況下的飽和特性：重新將斷路器設置在t=1.25T(25ms)時閉合，此時一次電流中不含非周期含量。將CT二次側的開關設置在t=0.1s時斷開，造成CT二次側開路。開始仿真，其波形如下圖所示。可以看出，巨大的

變化率在CT二次側引起很高的過電壓，其峰值達到10的5次方電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究電力系統動態模型中的測量與控制

——電流互感器飽和特性仿真研究預防飽和失真的方法：在保護裝置功能改進的同時,各互感器廠家也在研究飽和現象,從互感器本身入手,努力來提高產品的抗飽和能力。此外,通過電網運行方式的控制,如電網分列運行有利于降低系統短路電流,減輕飽和程度;從設備選型方面考慮,放大電流互感器變比,增大二次繞組的匝數等，可有效抑制飽