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19实验三电力系统暂态稳定分析电力系统暂态稳定计算实际上就是求解发电机转子运动方程的初值问题，从而得出ΔT和ΩT的关系曲线。每台发电机的转子运动方程是两个一阶非线性的常微分方程。因此，首先介绍常微分方程的初值问题的数值解法。一、常微分方程的初值问题(一)问题及求解公式的构造方法我们讨论形如式(31)的一阶微分方程的初值问题(31)0,YXBXAF设初值问题(31)的解为，为了求其数值解而采取离散化方法，在求解区间上BA,取一组节点BXXXANII110称()为步长。在等步长的情况下，步长为IIIXH1,10NNABH用表示在节点处解的准确值的近似值。IYIXIXY设法构造序列所满足的一个方程(称为差分方程)IY(32),1HYXYIII作为求解公式，这是一个递推公式，从(，)出发，采用步进方式，自左相右逐步算0出在所有节点上的近似值()。XYIXIYN,21在公式(32)中，为求只用到前面一步的值，这种方法称为单步法。在公式1IIY(32)中的由明显表示出，称为显式公式。而形如(33)1IYI(33),,11HYXHYIIII的公式称为隐式公式，因为其右端中还包括。I如果由公式求时，不止用到前一个节点的值，则称为多步法。1IY20由式(31)可得(34)DYDXF,两边在，上积分，得IX1I(35)1,1IIXIIDXYFYX由此可以看出，如果想构造求解公式，就要对右端的积分项作某种数值处理。这种求解公式的构造方法叫做数值积分法。(二)一般的初值问题的解法1．欧拉法和改进欧拉法对于初值问题(31)，采用数值积分法，从而得到(35)。对于(35)右端的积分用矩形公式取左端点，则得到1,,IIXIIXYFHDXYF进而得到(31)的求解公式(32)(0，1，2，N1)(36),1IIIYXFHYI此公式称为欧拉(EULER)格式。如果对式(35)右端的积分用梯形公式,,2,11IIXIIXYFXYFHDXYFII则可以得到初值问题(31)的梯形求解公式如式(37)(0，1，2，N1)(37),,211IIIIIYXFYFHYI式(37)是个隐式公式。可以采取先用欧拉格式求一个的初步近似值，记作，1IXY1IY称之为预报值，然后用预报值替代式(37)右端的，再计算得到，称之为校正1IYI1IY值，这样建立起来的预报－校正方法称为改进欧拉格式(38),,211IIIIIIIIYXFYFHYX2．龙格库塔方法21在单步法中，应用最广泛的是龙格－库塔(RUNGEKUTTA)法，简称R－K法。下面直接给出一种四阶的龙格－库塔法的计算公式(39)(39),21,2613432143KYHXFKFYXHKKYIIIIIII它也称为标准(古典)龙格－库塔法。例31研究下列微分方程的初值问题021YYX解这是一个特殊的微分方程，其解的解析式可以给出，为21XY应用龙格－库塔法，取025，根据式(39)编写一段程序，由零开始自左相右逐步算出H在所有节点上的近似值。计算结果见表31。计算结果表明，四阶龙格－库塔方XYIIY法的精度是较高的。表31NXNYNYX2003999569943E54002352915925E66001621617937E78001230768392E8实际上，MATLAB为常微分方程提供了很好的解题指令，使得求解常微分方程变得很容易，并且能将问题及解答表现在图形上。因此，我们可以不用根据式(39)编写较复杂的程序，而只需应用MATLAB提供的常微分方程解题器来解决问题。下面给出用MATLAB编写的解题程序。首先编写描述常微分方程的ODE文件，文件名为ˊMYFUNˊ，便于解题器调用它。FUNCTIONDYMYFUNX,YDYZEROS1,1DY1/1X22Y2再编写利用解题器指令求解Y的程序。CLEAR22X00FORI14XM2IY00X,YODE45 MYFUN ,X0XM,Y0ATLONGYLENGTHYENDPLOTX,Y, 运行上述程序，在得到几个点的函数值的同时，也得到函数Y的曲线，如图31所示。024680⸰1⸰2⸰3⸰4⸰5XŹ图31根据运算结果画出Y的曲线二、简单电力系统的暂态稳定性(一)物理过程分析某简单电力系统如图32A所示，正常运行时发电机经过变压器和双回线路向无限大系统供电。发电机用电势作为其等值电势，则电势与无限大系统间的电抗为EE(310)21TLTDXX这时发电机发出的电磁功率可表示为(311)SINSIMPXUEP如果突然在一回输电线路始端发生不对称短路，如图32B所示。故障期间发电机电势与无限大系统之间的联系电抗为E(312)XXXTLTDTLTD2211在故障情况下发电机输出的电磁功率为23(313)SINSIMPXUEP在短路故障发生之后，线路继电保护装置将迅速断开故障线路两端的断路器，如图32C所示。此时发电机电势与无限大系统间的联系电抗为(314)21TLTDXX发电机输出的功率为(315)SINSIMPXUEPUCEAGT1T2LLJXLJX1TJX2TJXDXJUEBLJXLJX1TJX2TJXDXJUJECLJX1TJX2TJXDXJU图32简单电力系统及其等值电路(A)正常运行方式及其等值电路；(B)故障情况及其等值电路；(C)故障切除后及其等值电路如果正常时发电机向无限大系统输送的有功功率为，则原动机输出的机械功率等0PTP于。假定不计故障后几秒种之内调速器的作用，即认为机械功率始终保持。因此，可0P0以得到此简单电力系统正常运行、故障期间及故障切除后的功率特性曲线如图33所示。0KCMH0PTPPPAKH图33简单系统正常运行、故障期间及故障切除后的功率特性曲线24对于上述简单电力系统，我们可以根据等面积定则求得极限切除角。但是，实际工作需要知道在多少时间之内切除故障线路，也就是要知道与极限切除角对应的极限切除时间。要解决这个问题，必须求解发电机的转子运动方程。(二)求解发电机的转子运动方程求解发电机转子运动方程可以得出ΔT和ΩT的关系曲线。其中ΔT曲线一般称为摇摆曲线。在上述简单电力系统中故障期间的转子运动方程为(316)SIN1MTJPDT式中，功率角，其单位为弧度；转子角速度，标幺值；转子的同步角1速度，即31416，其单位为弧度/秒；发电机的惯性时间常数，其单位为秒；1F2JT、分别为机械和电磁功率，标幺值。TPM这是两个一阶的非线性常微分方程，它的起始条件是已知的，即0；10；T000MTP1SIN故障切除后，由于系统参数改变，以致发电机功率特性发生变化，必须开始求解另一组微分方程(317)SIN1MTJPDT式中变量含义同前述，其中也为标幺值。这组方程的起始条件为M；；TCCC其中为给定的切除时间；、为与时刻对应的和，它们可由故障期间的Δ