电力系统电磁暂态过程和机电暂态过程,是两个用不同数学模型表征、具有不同时间常数的物理过程。在传统的电力系统分析工具中,通常对这两个过程分别进行数字仿真。其中,相对于机电暂态仿真,电磁暂态模型的非线性和参量变化的瞬时性,大大增加了仿真的计算量和计算时间,实现一定规模系统的实时数字仿真要困难得多。随着区域电网的互联和直流输电的发展以及FACTS、SVC 等电力电子装备在电力系统中的大量应用,使得电网在规模上不断扩展,元件构成上日趋复杂,不同物理特性的动态过程-电磁暂态和机电暂态过程交织并行,成为现代电力系统的主要特征,使得电力系统分析和仿真技术面临新的挑战。如何将大规模复杂电力系统的机电暂态仿真和对于局部系统的电磁暂态仿真集成在一个进程中,并进一步使数字模拟和实际发生的物理过程同步,实现大规模电力系统的电磁暂态和机电暂态混合实时仿真是近年来电力系统数字仿真研究领域的前端课题。这一问题的解决,对分析研究电力系统动态特性,改善电力系统控制和保护水平,提高电力系统运行的稳定性和可靠性,有着重要的理论价值和现实意义。
本论文的工作目标即是建立电磁暂态和机电暂态过程的混合实时数字仿真的模型和算法,并验证其在大规模复杂电力系统分析中的应用。论文工作主要包括:1)建立电磁暂态仿真的并行计算模型,利用网络分割和并行技术,实现较小规模系统的电磁暂态实时仿真;2)建立电磁暂态仿真进程和机电暂态仿真进程的交互接口模型,实现大规模电力系统的电磁暂态和机电暂态的混合实时仿真;3)上述数学模型及其算法在软件上的实现及其在实际电网分析中的应用。
在深入分析现有电磁暂态计算的网络分割和并行计算方法——长输电线解耦算法的基础上,针对该算法中的网络分割必须基于长距离交流输电线路的局限性,本文作者提出一种新的分网并行算法——节点分裂算法。该算法基于多端口戴维南等值原理,将网络分割点放在节点上,根据同一边界点在不同子网中计算所得电压应该相等的关系,推导并求解网络的关联降阶方程,实现分网并行计算。该算法的特点是边界点选择任意、网络划分灵活。节点分裂法与长输电线解耦分网并行算法的应用条件不同,在电磁暂态分网并行计算中互为补充,提高分网并行计算的效率和灵活性,为实现电网的电磁暂态实时仿真奠定了基础。
在电磁暂态和机电暂态混合仿真中,计算对象电网拓扑按照需要被分割成为电磁暂态计算网络和机电暂态计算网络,分别实施计算,通过电路连接界面即接口上的数据交
