高等電力系統(tǒng)分析 課后習題

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1、 《高等電力系統(tǒng)分析》 課后習題 第一部分：電力網絡方程 l 對于一個簡單的電力網絡，計算機實現(xiàn)節(jié)點導納矩陣 節(jié)點導納矩陣的修改方法。 l 編制LDU分解以及因子表求解線性方程組 消元，回代。 l 試對網絡進行等值計算。 多級電網參數(shù)的標么值歸算，主要元件的等值電路。 第二部分：潮流計算 簡單閉式網絡潮流的手算方法步驟 第三部分：短路計算 對稱分量法簡單不對稱故障邊界條件計算，復合序網的形成。 第四部分：同步機方程 派克變換 同步電機三相短路的物理過程分析 第五部分：電力系統(tǒng)穩(wěn)定概述 l 什么是電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題？什么是功角穩(wěn)定和電壓

2、穩(wěn)定？ 廣義的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性實際上指的就是電力系統(tǒng)的供電可靠性，如果系統(tǒng)能夠滿足對負荷的不間斷的、高質量的供電要求，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)就是不穩(wěn)定的。通常所說的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性實際上專指系統(tǒng)的功角穩(wěn)定。 電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定指的是系統(tǒng)中各發(fā)電機之間的相對功角失去穩(wěn)定性的現(xiàn)象。 電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)維持負荷電壓于某一規(guī)定的運行極限(如不低于額定電壓的70%)之內的能力，它與系統(tǒng)的電源配置，網絡結構，運行方式及負荷特性等因素有關，帶自動負荷調節(jié)分接頭的變壓器也對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性有十分顯著的影響。 l 電力系統(tǒng)送端和受端穩(wěn)定的特點是什么？ 送端指電源，其穩(wěn)定性主要是系統(tǒng)的各臺發(fā)電

3、機維持同步運行的能力，即功角穩(wěn)定。 受端穩(wěn)定一般指負荷節(jié)點的電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。電動機負荷則是一個以微分方程描述的動態(tài)元件，其無功功率與電壓的平方成正比，電壓下降時，其吸收的無功功率會顯著下降。當電壓低于系統(tǒng)的臨界電壓時可能出現(xiàn)電壓崩潰。 l 常用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算的程序都有哪些？各有什么特點？ 常用仿真程序： 1. PSASP中國電科院（PSCAD屬于系統(tǒng)級仿真軟件） 2. BPA美國 3. PowerWorld Simulator美國 4. UROSTAG法國和比利時 5. NETOMAC德國西門子公司 6. PSCAD/EMTDC (PSCAD屬于裝置級仿

4、真軟件) 7. PSS/E美國 8. MATLAB 9. RTDS實時仿真器 l 大停電的影響是什么？ l 什么是電力系統(tǒng)的三道防線？ 1. 第一道防線：繼電保護速斷 2. 第二道防線：切機、快關、電氣制動、快速勵磁調節(jié)等 3. 第三道防線：低頻減載甩負荷、解列 l 簡述提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的主要措施有哪些？ 靜態(tài)穩(wěn)定： 1. 采用自動勵磁調節(jié)裝置； 2. 采用分裂導線； 3. 提高線路的額定電壓等級； 4. 改善系統(tǒng)結構、減小電氣距離； 5. 采用串聯(lián)補償設備； 6. 采用并聯(lián)補償設備。 暫態(tài)穩(wěn)定： 1. 故障的快速切除和自動重合閘裝置的應用

5、； 2. 發(fā)電機采用快速強行勵磁裝置； 3. 采用電氣制動； 4. 變壓器中性點經小電阻接地； 5. 通過快關和切機減小原動機出力； 6. 高壓直流（HVDC）輸電聯(lián)絡線的控制。 l 什么是電網可用輸電能力（ATC）？ 第六部分：直接法穩(wěn)定分析 l 怎樣用直接法判斷單機無窮大系統(tǒng)的穩(wěn)定性？ 通過構造能量函數(shù) l 直接法分析穩(wěn)定有何特點？ 1. 計算速度快 2. 能夠給出穩(wěn)定裕度 l 直接法對穩(wěn)定的評價結果怎樣？ 1. 比較保守 l 熟悉本次課的有關概念。 l 針對2例題，試采用數(shù)值積分法求解之。 l 應用直接法分析有關例題的穩(wěn)定性。 l 解釋相關失穩(wěn)模式的含

6、義。 對于一個n機系統(tǒng)，有種失穩(wěn)模式。對于一個特定運行工況下的特定故障，在所有的失穩(wěn)模式中，必有一種是真正合理的，即實際系統(tǒng)將以這種模式趨于失穩(wěn)，稱為相關失穩(wěn)模式。對于某一系統(tǒng)，其失穩(wěn)模式與故障地點和故障類型等有緊密關系。 l 多機系統(tǒng)的能量函數(shù)中，三種勢能的物理意義是什么？ 轉子位置勢能：與轉子位置變化成正比； 磁性勢能：與導納矩陣虛部有關； 耗散勢能：與導納矩陣實部有關。 l 直接法對穩(wěn)定的分析有何應用？其發(fā)展方向是什么？ 直接法的研究方向： 1. 完善數(shù)學模型； 2. 適應各種擾動； 3. 完善算法，改進速度和精度； 4. 與其它方法結合，優(yōu)勢互補，如專家系統(tǒng)等

7、； 5. 擴展直接法的應用。 直接法的應用： 1. 穩(wěn)定度的靈敏度分析； 2. 動穩(wěn)定極限計算； 3. 失穩(wěn)判斷； 4. 啟動失穩(wěn)緊急自動控制； 5. 大系統(tǒng)暫穩(wěn)分析； 6. 電壓穩(wěn)定分析； 7. 對時域仿真結果進行分析。 第七部分：時域仿真法 l 什么是電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的時域仿真法？ 亦稱逐步積分法（Step by step）或時域仿真法(Time Domain Simulation)。將電力系統(tǒng)中各元件模型，根據(jù)它們之間的拓撲關系形成全系統(tǒng)的數(shù)學模型（非線性的微分和代數(shù)方程組），然后以穩(wěn)態(tài)工況即潮流解為初值，求擾動下的數(shù)值解，即逐步求得系統(tǒng)狀態(tài)量和代數(shù)量隨時間的

8、變化曲線，并根據(jù)發(fā)電機轉子搖擺曲線來判別系統(tǒng)在大擾動下能否保持同步運行，即暫態(tài)穩(wěn)定性。 l 時域仿真法都有哪些優(yōu)點和缺點，它的主要發(fā)展方向是說明？ 時域仿真法的主要優(yōu)點： 1. 是目前暫態(tài)穩(wěn)定分析的主流方法； 2. 直觀、信息豐富、可獲得各種量隨時間變化的曲線； 3. 可適應各種元件模型及保護控制模型，可適應各種元件非線性及離散操作、適應有幾百臺機組、幾千條線路、幾千個母線的大規(guī)模系統(tǒng)； 4. 可采用數(shù)值穩(wěn)定性好，并有良好工程精度的計算方法； 5. 可采用節(jié)點編號優(yōu)化、稀疏矩陣技術、并行計算技術等方法節(jié)省計算機的內存和機時； 6. 可作為各種物理問題及控制對策的時域分析和

9、校驗手段等等。 時域仿真法的主要缺點： 1. 逐步積分速度慢、耗費機時； 2. 可以判斷穩(wěn)定與否，但難以給出穩(wěn)定裕度，不能定量地描寫穩(wěn)定程度； 3. 是離線分析的主要方法，不能實現(xiàn)在線安全分析； 4. 對于大量輸出的信息利用率低、效益差； 5. 對于低頻振蕩問題的分析，只能給出時域信息，無頻域信息，物理透明度差，不利于控制對策的研究等等。 時域仿真法的發(fā)展方向： 1. 對于如勵磁和調速等控制系統(tǒng)，采用用戶自定義的模塊化子系統(tǒng)模型； 2. 加入電磁暫態(tài)模型，適應越來越多的電力電子設備的計算； 3. 研究提高計算速度的硬件和軟件方法； 4. 采用數(shù)字＋模擬的混合仿真方式；

10、5. 進行模型參數(shù)的實時測定，以提高計算結果的準確度； 6. 改善人機界面，提高數(shù)據(jù)庫的通用性； 7. 加強對輸出結果的分析功能； 8. 適應中長期穩(wěn)定分析； 9. 考慮概率因素的暫態(tài)穩(wěn)定分析； 10. 與直接法結合的新方法； 11. 研究與模式識別法、人工神經網絡法等非模型方法的結合。 l 穩(wěn)定分析的數(shù)學模型是什么性質的數(shù)學模型？分別包括系統(tǒng)中哪些部分的模型？ 微分方程的構成： 1. 發(fā)電機磁鏈及電壓方程 2. 發(fā)電機轉子運動方程 3. 勵磁系統(tǒng)方程 4. 原動機及調速系統(tǒng)方程 5. 動態(tài)負荷模型 代數(shù)方程的構成： 1. 網絡方程 2. 發(fā)電機穩(wěn)態(tài)電壓方程

11、3. 靜態(tài)負荷模型 l 小擾動和大擾動穩(wěn)定在分析方法上各有哪些特點？ 小擾動穩(wěn)定即靜態(tài)穩(wěn)定的研究中，研究的是系統(tǒng)對微小干擾的適應能力，或者說考慮的是系統(tǒng)在運行點處維持同步運行的能力，系統(tǒng)是否能夠維持靜態(tài)穩(wěn)定主要與系統(tǒng)在擾動發(fā)生前的運行方式有關，與小干擾的大小及具體發(fā)生地點無關，因此，通?？梢圆捎迷谶\行點處線性化后的系統(tǒng)模型進行特征根分析來判別系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。 大擾動穩(wěn)定即電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，不僅與系統(tǒng)在擾動前的運行方式有關，而且與擾動的類型、地點及持續(xù)時間有關，因此為了分析系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性必須對系統(tǒng)在特定擾動下的機電動態(tài)過程進行詳細的分析，所以一般采用的是對全系統(tǒng)非線性狀態(tài)方程的數(shù)值

12、積分法進行對系統(tǒng)動態(tài)過程的時域仿真，通過對計算得到的系統(tǒng)運行參數(shù)(如轉子角)的動態(tài)過程的分析判別系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。 l 用時域仿真法進行暫態(tài)穩(wěn)定分析時的主要步驟是什么？ l 數(shù)值積分法中仿真步長越小越好嗎？（數(shù)值穩(wěn)定性問題） 第八部分：小擾動穩(wěn)定與低頻振蕩 l 什么是低頻振蕩？簡單說明低頻振蕩的頻率是多少。 電力系統(tǒng)在動態(tài)過程中可能出現(xiàn)多種類型的振蕩，如電磁振蕩、機械振蕩、機電振蕩及機電扭振互作用等。常見的機電振蕩是發(fā)電機組間功率的動態(tài)振蕩。振蕩時的能量是通過電氣聯(lián)系傳遞的，表現(xiàn)為發(fā)電機的電氣功率和功角的變化。當振蕩較嚴重時，系統(tǒng)不能維持同步運行，穩(wěn)定破壞。機電振蕩的頻率

13、較低，一般在0.2-2.5范圍內，通常稱為低頻振蕩。 l 查找有關資料，解釋什么是“汽容效應”和“水錘效應”？ “水錘效應”是指在水管內部，管內壁光滑，水流動自如。當打開的閥門突然關閉，水流對閥門及管壁，主要是閥門會產生一個壓力。由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，迅速達到最大，并產生破壞作用，這就是正水錘。相反，關閉的閥門在突然打開后，也會產生水錘，叫負水錘，也有一定的破壞力，但沒有前者大。 l 為什么有強行勵磁會使系統(tǒng)出現(xiàn)負阻尼？ 見袁季修 P132 l 綜述抑制低頻振蕩的主要措施。 一次系統(tǒng)中減小送端和受端間的電氣距離，增強網架，減少重負荷線路；二次系統(tǒng)中采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器

14、作勵磁附加控制，適當整定PSS 參數(shù)可以提供抑制低頻振蕩的附加阻尼力矩。 l 你認為PMU的應用前景如何？ 第九部分：次同步諧振與扭振 l 何謂次同步諧陣和扭振？ 發(fā)電機的大軸可以看成若干集中質量塊的彈性連接，次同步振蕩餓物理本質是受擾軸系中的各質塊在同步旋轉的同時，有相對的扭轉振蕩，從而造成軸系的疲勞損壞，這種扭振頻率一般高于低頻振蕩而低于同步頻率，稱為次同步振蕩。 l 兩種不同類型的振蕩為什么會產生共振？ 表現(xiàn)為電磁振蕩和機械系統(tǒng)扭振的相互作用。如電力系統(tǒng)中出現(xiàn)頻率為 (低于同步頻率)的電磁振蕩，發(fā)電機定子電流中的頻率為人的電流分量將在以速度旋轉的轉子直流繞組中產生頻率為(一)

15、的交變力矩，如果軸系的自然振蕩頻率＝一人，則將引起軸系的扭轉諧振。這種機電扭振互作用通常稱為次同步諧振，可能嚴重損壞機組。 第十部分：HVDC l 請說明HVDC的主要技術優(yōu)勢和缺點是什么？ HVDC的技術優(yōu)勢： 1. 沒有穩(wěn)定問題，可以提高互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定水平； 2. 可以作為大系統(tǒng)互聯(lián)的分割點； 3. 能實現(xiàn)多目標控制，如定電壓控制、定功率控制、定電流控制等，而且相應速度快； 4. 輸電線電壓分布平穩(wěn)，沒有無功問題，沒有充電功率，不需要電抗器補償； 5. 可以聯(lián)系兩個不同頻率的系統(tǒng)； 6. 輸送相同功率時，線路造價低； 7. 線路有功損耗??； 8. 適合長距離輸電；

16、 9. 適宜海底電纜輸電； 10. 能限制系統(tǒng)的短路電流； 11. 調節(jié)速度快，運行可靠； 12. 兩端輸電方式易于擴建。 HVDC的缺點： 1. 換流站造價較高； 2. 換流器運行時消耗無功較多； 3. 可控硅元件過載能力差； 4. 整流設備是諧波源； 5. 無直流斷路器； 6. 對大地和海水回路中的金屬物體有腐蝕作用； 7. 只能實現(xiàn)兩端直流，無多端直流； 8. 接地技術復雜； 9. 在絕緣方面比交流要求高。 l 說明HVDC主要有哪些應用？ HVDC的應用： 1. 遠距離大功率送電； 2. 海底電纜送電； 3. 交流系統(tǒng)間的非同步聯(lián)絡； 4. 互聯(lián)

17、大系統(tǒng)限制短路電流的措施； 5. 向大城市高密度負荷中心供電； 6. 提高互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定水平； 7. 適合一些新能源發(fā)電。 l 兩端直流輸電系統(tǒng)主要分為幾種類型？ 1. 單極一線一地制 2. 單極兩線制 3. 雙極兩線一地制 4. 雙極兩線制 5. 雙極三線制 l 什么是整流器的觸發(fā)角控制？ 第十一部分：FACTS l FACTS技術的定義是什么？ 定義一：FACTS是利用電力半導體構成的移相變壓器、調壓器及串聯(lián)補償電容器等電力電子裝置，通過改變線路阻抗和節(jié)點電壓相角以實現(xiàn)對交流潮流的有力控制。（1986， Hingorani ） 定義二：FACTS是可控硅構成的移

18、相器、靜止無功補償器、動態(tài)制動電阻、可控串聯(lián)補償器、有載調壓變壓器、故障電流限制器等裝置的總稱。（1988， Hingorani ） 定義三：FACTS的內容進一步擴大為包含除高壓直流輸電（HVDC）以外的所有應用在輸電環(huán)節(jié)的電力電子裝置的總和。（1994， Hingorani ） 定義四：為提高系統(tǒng)的可控性和功率輸送能力，F(xiàn)ACTS引入了電力電子裝置或其它靜態(tài)控制裝置以后的交流電力系統(tǒng)。（1995，IEEE） l FACTS裝置主要有哪些類型？ 并聯(lián)型： 1. 靜止無功補償器（SVC，Static Var Compensator） 2. 先進的靜止無功發(fā)生器（ASVG，Advan

19、ced Static Var Generator） 3. 有載調壓變壓器控制器（LTC，Load-Tap Changer） 4. 可控硅控制的制動電阻（TCBR，Thyristor Controlled Barring Resistor） 5. 電池儲能系統(tǒng)（BESS，Battery Energy Storage Systems） 6. 超導儲能系統(tǒng)（SMES，Superconducting Magnetic Energy Storage） 串聯(lián)型： 1. 可控硅控制的串聯(lián)電容器（TCSC，Thyristor Controlled Series Compensator） 2. 可

20、控硅投切的串聯(lián)電容器（TSSC，Thyristor Switched Series Compensator） 3. 可控硅控制的移相變壓器（TCPST，Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer） 4. 靜止同步串聯(lián)補償器（SSSC，Static Synchronous Series Compensator） 5. 相角差控制器（Interphase Power Controller） 6. HGH振蕩阻尼器（HGH Damper） 7. 短路電流限制器（Fault Current Limiter） l Custom Power技

21、術的內容是什么？ Custom Power包括電能質量控制、有功功率控制、電壓控制、高次諧波的消除、蓄能等方面，已開發(fā)的裝置有靜止無功補償器（SVC）、配電靜止補償器（D-STATCOM）、電池蓄能站（BESS）、超導蓄能（SMES）、有源電力濾波器（APF）、動態(tài)過電壓限制器（DVL）、固態(tài)斷路器（SSCB）等。其中許多裝置都是一機多能的，又可以配合運用。 l FACTS中的多數(shù)裝置，都是通過可變的電容或電抗來調節(jié)無功，但FACTS的最終目的都是為了解決有功問題，試分析其原因。 l 你認為HVDC是否應該屬于FACTS家族中的一員？ Acknowledgements My

22、deepest gratitude goes first and foremost to Professor aaa , my supervisor, for her constant encouragement and guidance. She has walked me through all the stages of the writing of this thesis. Without her consistent and illuminating instruction, this thesis could not havereached its present form.

23、 Second, I would like to express my heartfelt gratitude to Professor aaa, who led me into the world of translation. I am also greatly indebted to the professors and teachers at the Department of English: Professor dddd, Professor ssss, who have instructed and helped me a lot in the past two years.

24、 Last my thanks would go to my beloved family for their loving considerations and great confidence in me all through these years. I also owe my sincere gratitude to my friends and my fellow classmates who gave me their help and time in listening to me and helping me work out my problems during

25、the difficult course of the thesis. My deepest gratitude goes first and foremost to Professor aaa , my supervisor, for her constant encouragement and guidance. She has walked me through all the stages of the writing of this thesis. Without her consistent and illuminating instruction, this thesi

26、s could not havereached its present form. Second, I would like to express my heartfelt gratitude to Professor aaa, who led me into the world of translation. I am also greatly indebted to the professors and teachers at the Department of English: Professor dddd, Professor ssss, who have instructed

27、 and helped me a lot in the past two years. Last my thanks would go to my beloved family for their loving considerations and great confidence in me all through these years. I also owe my sincere gratitude to my friends and my fellow classmates who gave me their help and time in listening to me and helping me work out my problems during the difficult course of the thesis.