基于MATLAB的PSS仿真分析本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、第22頁 基于MATLAB的PSS仿真分析 摘 要：電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究，對保證電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定具有重要的意義。電力系統(tǒng)穩(wěn)定是電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，一旦遭到破壞，必將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難性的后果，世界各國不乏慘痛教訓(xùn)之例。在諸多改善發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性的措施中，提高勵(lì)磁系統(tǒng)的控制性能，被公認(rèn)為最有效和經(jīng)濟(jì)的措施之一。本文以PSS控制器設(shè)計(jì)為內(nèi)容。在研究了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的由來及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響的基礎(chǔ)上，針對電力系統(tǒng)這一特定對象，設(shè)計(jì)出了穩(wěn)定控制的仿真模型。 關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；PSS；電力系統(tǒng)仿真；Matlab 1 引言 電力系統(tǒng)是典型的多自由度的，亦即多變

2、量的多輸入、多輸出的動力學(xué)系統(tǒng)。電力系統(tǒng)控制的實(shí)踐也表明無論從提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性還是從改善電力系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)的需要出發(fā)都需要有多變量參與控制。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制是保證發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和改善電力系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的一項(xiàng)基本措施。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁提出了更高的要求。除了維持發(fā)電機(jī)電壓水平，合理分配并聯(lián)機(jī)組的無功功率外，還要求勵(lì)磁控制系統(tǒng)能對電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定及暫態(tài)穩(wěn)定起作用。國內(nèi)外的研究和實(shí)踐證明，勵(lì)磁控制系統(tǒng)不僅能提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行極限，而且通過附加控制，能抑制低頻振蕩和次同步振蕩，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有顯著效果。因此，研究和開發(fā)性能優(yōu)良的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，一直

3、是各國學(xué)者和工程技術(shù)人員的一項(xiàng)重要工作。 2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題的基本理論 2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題 近年來世界范圍的電力工業(yè)改革日益加快，逐步建立了競爭機(jī)制下的電力市場。電網(wǎng)的開發(fā)和商業(yè)化運(yùn)營使得電力系統(tǒng)運(yùn)行越來越接近系統(tǒng)極限，經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定性相互制約，使得系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性問題越來越突出和越來越復(fù)雜。這些都對穩(wěn)定分析與控制提出了新的挑戰(zhàn)。更深入地理解穩(wěn)定機(jī)制、建立快速準(zhǔn)確的穩(wěn)定分析方法和提出有效經(jīng)濟(jì)的控制措施便成為當(dāng)務(wù)之急。 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要研究電力系統(tǒng)在諸如負(fù)荷或發(fā)電機(jī)突然變化、傳輸線路發(fā)生短路等條件下，電力系統(tǒng)的行為。如果互聯(lián)的發(fā)電機(jī)組保持同步，該電力系統(tǒng)被稱為穩(wěn)定的電力

4、系統(tǒng)。電力系統(tǒng)維持穩(wěn)定運(yùn)行的能力很大程度上依賴于系統(tǒng)所具有的阻尼機(jī)電振蕩的控制手段，因而，研究與設(shè)計(jì)控制就變得非常重要了。在所有電力系統(tǒng)的復(fù)雜現(xiàn)象中，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性最難以理解而最富有挑戰(zhàn)性。由于21世紀(jì)的電力系統(tǒng)將愈來愈運(yùn)行在穩(wěn)定極限附近，這就對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 2.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定的分類 穩(wěn)定性是相反作用力之間平衡的條件。互聯(lián)同步電機(jī)之間保持同步的原理是通過恢復(fù)力，即當(dāng)一臺或多臺電機(jī)相對于其它電機(jī)趨于加速或減速時(shí)起作用的恢復(fù)力。在穩(wěn)態(tài)條件下每臺電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩和輸出的電轉(zhuǎn)矩平衡，轉(zhuǎn)速保持不變。如果系統(tǒng)受到干擾，則平衡遭到破壞，電機(jī)的轉(zhuǎn)子將按旋轉(zhuǎn)體的運(yùn)動定律加速或減速

5、。若某臺發(fā)電機(jī)一時(shí)比其他發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)得快，則它的轉(zhuǎn)子角位置相對于那些轉(zhuǎn)得較慢的電機(jī)轉(zhuǎn)子角將會超前。這樣所產(chǎn)生的角度差將按功角特性關(guān)系把較慢電機(jī)所帶的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移給較快的電機(jī)。從而有助于減少轉(zhuǎn)速差和角度差。如上所述，功角特性是高度非線形的。若超過某一極限，角度差的增加將伴隨傳輸功率的減少；從而進(jìn)一步增加角度差而導(dǎo)致不穩(wěn)定。對于任何給定的情況，系統(tǒng)的 穩(wěn)定性取決于轉(zhuǎn)子位置的偏移是否能產(chǎn)生足夠的恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)一臺同步電機(jī)失去同步或?qū)⑴c系統(tǒng)的某些部分失步時(shí)，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度將高于或低于發(fā)出系統(tǒng)頻率下的電壓所需的轉(zhuǎn)速。定子旋轉(zhuǎn)磁場(相應(yīng)于系統(tǒng)頻率)與轉(zhuǎn)子磁場的“滑差”使電機(jī)的功率輸出、電流、電壓產(chǎn)生很大的

6、波動；從而使保護(hù)系統(tǒng)動作把不穩(wěn)定的電機(jī)從系統(tǒng)中隔離開來。失去同步可以發(fā)生在單臺電機(jī)對其余系統(tǒng)或者在機(jī)群電機(jī)之間。對機(jī)群之間關(guān)系的情況，若將它們之間解列，則每臺電機(jī)內(nèi)部可保持同步。 對于電力系統(tǒng)，擾動后同步發(fā)電機(jī)電力矩的變化可分解為兩個(gè)分量：，式中是與轉(zhuǎn)子角擾動量△占同相的轉(zhuǎn)矩變化分量，稱為同步轉(zhuǎn)矩分量；為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)。是與轉(zhuǎn)速偏差△同相的轉(zhuǎn)矩變化分量，稱為阻尼轉(zhuǎn)矩分量；為阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于每臺同步電機(jī)的這兩個(gè)分量的存在。缺乏足夠的同步轉(zhuǎn)矩會造成轉(zhuǎn)子角非周期滑移的不穩(wěn)定。另一方面，缺乏足夠的阻尼轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生振蕩不穩(wěn)定。 為了分析的方便和增進(jìn)對穩(wěn)定問題性質(zhì)的有效理解，通常將轉(zhuǎn)子角

7、穩(wěn)定現(xiàn)象用如下兩類來表征: 1）小信號(或稱小干擾)穩(wěn)定是電力系統(tǒng)在小擾動下保持同步的能力。這樣的擾動在電力系統(tǒng)中由于小的負(fù)荷和發(fā)電變化而會連續(xù)發(fā)生。通常把這種擾動視為足夠小，使得在系統(tǒng)分析時(shí)允許對系統(tǒng)方程式線性化?？赡墚a(chǎn)生兩種形式的不穩(wěn)定：a)由于缺乏足夠的同步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子角持續(xù)增加；b)由于缺乏足夠的阻尼轉(zhuǎn)矩造成轉(zhuǎn)子增幅振蕩。系統(tǒng)對小擾動的響應(yīng)特性取決于初始運(yùn)行條件、輸電系統(tǒng)強(qiáng)度以及所用的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制等因素。對于一臺發(fā)電機(jī)呈輻射狀接入大系統(tǒng)的情況，若無自動電壓調(diào)節(jié)器(即勵(lì)磁電壓不變)時(shí)，其失穩(wěn)是由于缺乏足夠的同步轉(zhuǎn)矩。若裝有連續(xù)作用的電壓調(diào)節(jié)器，小擾動穩(wěn)定問題就是保證系統(tǒng)的振蕩有足夠的阻

8、尼。其通常失穩(wěn)方式是增幅振蕩。在當(dāng)今實(shí)際電力系統(tǒng)中，小擾動穩(wěn)定問題主要是缺乏足夠的振蕩阻尼。 2）暫態(tài)穩(wěn)定是電力系統(tǒng)遭受嚴(yán)重暫態(tài)擾動下保持同步的能力。所產(chǎn)生的系統(tǒng)響應(yīng)包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角的大偏移并受非線性功角關(guān)系的影響。其穩(wěn)定性取決于初始運(yùn)行工況和擾動的嚴(yán)重程度。通常系統(tǒng)會有改變，使擾動后的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)與擾動前不同。系統(tǒng)中發(fā)生的擾動其嚴(yán)重程度和發(fā)生的概率是在很大范圍內(nèi)變化的。但系統(tǒng)只能設(shè)計(jì)并運(yùn)行在一組選定的可能發(fā)生的故障之下保持穩(wěn)定。這些故障通?？紤]為不同類型的短路：單相對地、兩相對地、兩相短路或三相短路。通常假定短路發(fā)生在輸電線上，個(gè)別情況下母線或變壓器故障也被考慮在內(nèi)。假定在斷開相應(yīng)斷路器，

9、隔離故障元件情況下故障被清除。在一些情形下，高速重合也可被考慮。轉(zhuǎn)子角對暫態(tài)擾動的響應(yīng)有三種情況：一種是穩(wěn)定情況，轉(zhuǎn)子角度增加到最大值后減少并減幅振蕩直到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)；第二種是轉(zhuǎn)子角度持續(xù)增加直到失去同步，這種失穩(wěn)形式稱為一次搖擺不穩(wěn)定，它是由于同步轉(zhuǎn)矩不足產(chǎn)生的；第三種情況是第一次搖擺系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但由于增大的振蕩最終使系統(tǒng)不穩(wěn)定。這種形式的不穩(wěn)定一般產(chǎn)生在故障后的穩(wěn)態(tài)條件本身“小信號”不穩(wěn)定的情況，而不是暫態(tài)擾動的必然結(jié)果。 3）動態(tài)穩(wěn)定一詞也廣泛用于轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定的文獻(xiàn)中。然而，它被不同的作者用來表示現(xiàn)象的不同方面。在北美的文獻(xiàn)中，動態(tài)穩(wěn)定一詞多數(shù)用于指帶白動控制裝置(主要是發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器)

10、的小信號穩(wěn)定，以與經(jīng)典的無自動控制的靜態(tài)穩(wěn)定相區(qū)別。在法國和德國的文獻(xiàn)中，它用來表示我們這里所用的暫態(tài)穩(wěn)定。鑒于用動態(tài)穩(wěn)定一次帶來許多混淆，國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)和跨國電氣工程師會(IEEE)都建議不用該詞。 3 勵(lì)磁系統(tǒng)及電力系統(tǒng)穩(wěn)定器概述 3.1 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的任務(wù) 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與它的空載電動勢的值密切相關(guān)，而又是發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的函數(shù)，改變勵(lì)磁電流就可影響同步發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中運(yùn)行特性。因此，對同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行控制，是對發(fā)電機(jī)運(yùn)行施加控制的重要內(nèi)容之一。 電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并列運(yùn)行機(jī)組間無功功率的分配。在某

11、些故障情況下，發(fā)電機(jī)端電壓降低將導(dǎo)致電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降。為此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，要求發(fā)電機(jī)迅速增大勵(lì)磁電流，以維持電網(wǎng)的電壓水平及穩(wěn)定性。可見，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動控制在保證電能質(zhì)量、無功功率的合理分配和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性等方面都起著十分重要的作用。 同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩部分組成，如圖1所示。勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電流，即勵(lì)磁電流；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。整個(gè)勵(lì)磁自動控制系統(tǒng)是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。 圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成框圖 在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行或事故

12、運(yùn)行中，同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)起著重要的作用。優(yōu)良的勵(lì)磁控制系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)可靠運(yùn)行，提供合格的電流，而且還可有效地提高系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)運(yùn)行方面的要求，勵(lì)磁控制系統(tǒng)應(yīng)該承擔(dān)以下任務(wù)： 1）電壓控制：電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷總是經(jīng)常波動的，同步發(fā)電機(jī)的功率也就相應(yīng)的變化。隨著負(fù)荷的波動，需要對勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持機(jī)端電壓或系統(tǒng)中某一點(diǎn)的電壓在給定的水平。勵(lì)磁系統(tǒng)擔(dān)負(fù)了維持電壓水平的主要任務(wù)。 2）無功功率的分配：在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)機(jī)組的勵(lì)磁電流就可以改變發(fā)電機(jī)無功功率；在實(shí)際系統(tǒng)中，發(fā)電廠輸出無功電流與其母線電壓水平有關(guān)，改變其中一臺發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流不但影響發(fā)電機(jī)的電壓

13、和無功功率，而且也將影響與之并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的無功功率，其影響程度與系統(tǒng)情況有關(guān)。 3）提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)在運(yùn)行中隨時(shí)都可能受到各種干擾，在干擾之后，發(fā)電機(jī)組能夠恢復(fù)到原來運(yùn)行狀態(tài)或者過渡到新的運(yùn)行狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定的。其主要標(biāo)志是在暫態(tài)過程結(jié)束后，同步發(fā)電機(jī)仍能維持或恢復(fù)同步。在分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題時(shí)，不論靜態(tài)穩(wěn)定還是暫態(tài)穩(wěn)定，在數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式中總含有發(fā)電機(jī)空載電動勢，而與勵(lì)磁電流密切相關(guān)?？梢?，勵(lì)磁系統(tǒng)可以通過改變勵(lì)磁電流從而改變來改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。 4）改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件。當(dāng)電力系統(tǒng)由于種種原因，出現(xiàn)短時(shí)低電壓時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)可以發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，大幅度的增加勵(lì)磁

14、以提高系統(tǒng)電壓，從而改善系統(tǒng)運(yùn)行條件。 5）水輪發(fā)電機(jī)組要求強(qiáng)行減磁。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障突然跳閘時(shí)，由于它的調(diào)速系統(tǒng)具有較大的慣性，不能迅速關(guān)閉導(dǎo)水葉，因而會使轉(zhuǎn)速急劇上升。如果不采取措施迅速降低發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，則發(fā)電機(jī)電壓有可能升高到危及定子絕緣的程度，所以，此時(shí)要求勵(lì)磁系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行減磁。 3.2 對勵(lì)磁系統(tǒng)的基本要求 勵(lì)磁系統(tǒng)是由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩部分組成的，為了充分發(fā)揮它們的作用，完成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動控制系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)，對勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器性能分別提出了如下要求： 對勵(lì)磁調(diào)節(jié)器而言，其主要任務(wù)是檢測和綜合系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息，以產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，經(jīng)放大后控制

15、勵(lì)磁單元以得到所要求的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。所以對它的要求如下： 1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能反映出發(fā)電機(jī)端電壓高低以維持發(fā)電機(jī)電壓在給定水平。通常認(rèn)為，自動勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能保證同步發(fā)電機(jī)端電壓靜差率:半導(dǎo)體型的<1%，電磁型的<3%。 2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能合理分配機(jī)組的無功功率，為此，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證同步發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)差率可以在下列范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整:半導(dǎo)體型的，電磁型的。 3）對遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)電機(jī)組，為了能在人工穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行，要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器沒有失靈區(qū)。 4）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能迅速的反應(yīng)系統(tǒng)故障，具備強(qiáng)行勵(lì)磁等控制功能以提高暫態(tài)穩(wěn)定和改善系統(tǒng)運(yùn)行條件。 5）具有較小的時(shí)間常數(shù)，能迅速響應(yīng)反饋信

16、息的變化。 勵(lì)磁功率單元受控于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，對其要求如下： 1）要求勵(lì)磁功率單元有足夠的可靠性，并具有一定的調(diào)節(jié)容量。在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)依靠勵(lì)磁電流的變化進(jìn)行系統(tǒng)電壓和本身無功功率的控制。因此，勵(lì)磁功率單元應(yīng)具有足夠的調(diào)節(jié)容量以適應(yīng)電力系統(tǒng)中各種運(yùn)行工況的要求。 2)具有足夠的勵(lì)磁頂值電壓和電壓上升速度。從改善電力系統(tǒng)運(yùn)行條件和提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性來說，希望勵(lì)磁功率單元具有較大的強(qiáng)勵(lì)磁能力和快速的響應(yīng)能力。勵(lì)磁頂值電壓在強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)能提供的最高輸出電壓值與額定工況下勵(lì)磁電壓之比稱為強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)。其值的大小，涉及制造和成本等因素，一般取?，F(xiàn)在一般大容量機(jī)組往往采用快速勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)電壓

17、響應(yīng)時(shí)間(勵(lì)磁電壓達(dá)到95%頂值電壓所需時(shí)間)為0.1s或更短的勵(lì)磁系統(tǒng)，稱為高初始響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)。響應(yīng)時(shí)間可以作為動態(tài)性能評定指標(biāo)。 3.3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）簡介 IEC對PSS的定義是:一種裝置，它借助于電壓調(diào)節(jié)器控制勵(lì)磁機(jī)的輸出，來阻尼同步電機(jī)的功率振蕩。輸入變量可以是轉(zhuǎn)速、頻率或功率(或多個(gè)變量的綜合)。這里指的“勵(lì)磁機(jī)”為各種勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出功率部件，包括靜止整流部件。PSS是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的一個(gè)功能部件，它的主要作用是在系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)提供一個(gè)附加阻尼，相當(dāng)于提高功率阻尼系統(tǒng)D，使轉(zhuǎn)子振蕩的阻尼比達(dá)到一個(gè)理想的數(shù)值，響應(yīng)特性就能較快的達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，提高了電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定。

18、PSS在轉(zhuǎn)速恒定不變時(shí)，輸出為零，不起作用，這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)正常運(yùn)行中，我們不希望穩(wěn)定器對機(jī)端電壓產(chǎn)生持續(xù)的影響。只有在轉(zhuǎn)速或有功功率或頻率發(fā)生變化時(shí)，才起作用。因此，從這點(diǎn)上來說，PSS如果參數(shù)選取不對，不但不能幫助系統(tǒng)穩(wěn)定，還可能會起反作用，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 從我國目前的研究現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用情況上來看，PSS在我國有很多種的理論及數(shù)學(xué)模型，比較有代表性的有經(jīng)典PSS理論、線性最優(yōu)控制和非線性最優(yōu)控制等。這幾種理論在實(shí)際機(jī)組上都有應(yīng)用，從效果上來看也都還是能起到穩(wěn)定器的作用的，到底哪種理論更好，還有待進(jìn)一步的研究。 4 PSS勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS） P

19、SS(power system stabilizer)最早由美國學(xué)者F.P.demell和C. Concodri提出的。其基本原理是在自動電壓調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，輔以轉(zhuǎn)速偏差、功率偏差、頻率偏差中的一種或兩種信號作為附加控制，產(chǎn)生與同軸的附加力矩，增加對低頻振蕩的阻尼，以增強(qiáng)電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。用PSS的目的是通過發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制增強(qiáng)對系統(tǒng)振蕩的阻尼來使電力輸送的穩(wěn)定極限提高。它抽取角速度，功率或頻率等鎮(zhèn)定參量，經(jīng)過主要由放大、復(fù)位和超前滯后等環(huán)節(jié)組成的校正環(huán)節(jié)處理后將產(chǎn)生的附加勵(lì)磁控制信號和機(jī)端電壓一起作為勵(lì)磁系統(tǒng)的輸入。PSS基于系統(tǒng)在某一平衡點(diǎn)處的近似線性化模型設(shè)計(jì)，針對性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)、簡單易行而

20、且有效，獲得了普遍的應(yīng)用。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對于低頻振蕩具有良好的抑制能力，不但可以抑制低頻振蕩，而且可以改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。 由于電壓調(diào)節(jié)器采用電壓作為控制量，且調(diào)節(jié)器及勵(lì)磁系統(tǒng)具有電磁慣性，則勵(lì)磁電壓在勵(lì)磁系統(tǒng)中將產(chǎn)生滯后于它的強(qiáng)迫分量，這種滯后會惡化系統(tǒng)阻尼，甚至引起振蕩。因此，在長線送電、負(fù)荷較重的情況下，若轉(zhuǎn)子角出現(xiàn)振蕩，電壓調(diào)節(jié)器提供的附加量的相位是落后于角度振蕩的，它的一個(gè)分量與轉(zhuǎn)速相位相反，產(chǎn)生了負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，這就使得角度振蕩加劇。若電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的附加量在相位上與轉(zhuǎn)子角振蕩搖擺的相位同相或反相，則只能使轉(zhuǎn)子角振蕩的幅值增大或減小而不能使轉(zhuǎn)子角振蕩消失，只有提供的附加量在相位上領(lǐng)先

21、轉(zhuǎn)子角的振蕩角度才可能產(chǎn)生正阻尼轉(zhuǎn)矩，振蕩才能平息。 圖1 阻尼轉(zhuǎn)矩向量圖 如圖1，為電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩，落后于轉(zhuǎn)子角振蕩的相位為，如果我們能產(chǎn)生一個(gè)足夠大的純粹的正阻尼轉(zhuǎn)矩，則與的合成轉(zhuǎn)矩就位于第一象限，而它的兩個(gè)分量--同步及阻尼轉(zhuǎn)矩都是正的。上述的正阻尼轉(zhuǎn)矩，我們是通過在電壓調(diào)節(jié)器參考點(diǎn)輸入一個(gè)附加信號T來產(chǎn)生的，如圖2所示。因?yàn)樗妮斎朦c(diǎn)與電壓調(diào)節(jié)器參考輸入點(diǎn)是同一點(diǎn)，所以要使T產(chǎn)生純粹的正阻尼轉(zhuǎn)矩(相位上與轉(zhuǎn)速同方向)，T的相位必須超前軸角，這樣輸入電壓調(diào)節(jié)器后，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器及勵(lì)磁系統(tǒng)的滯后，剛好可以產(chǎn)生純粹的正阻尼轉(zhuǎn)矩。 圖2　勵(lì)磁控制系統(tǒng)示意圖 4.2

22、 仿真系統(tǒng)參數(shù) 本文所研究的單機(jī)和多機(jī)無窮大系統(tǒng)如圖3、圖4所示，該仿真系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、變壓器、雙回路輸電線、用電負(fù)荷和無窮大系統(tǒng)組成。 圖3　單機(jī)無窮大系統(tǒng) 圖4　多機(jī)無窮大系統(tǒng) 單機(jī)系統(tǒng)： 1）同步發(fā)電機(jī)參數(shù) 2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù) 3）PSS參數(shù) 多機(jī)系統(tǒng)： 1）同步發(fā)電機(jī)參數(shù) 2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù) 3）PSS參數(shù) 5 電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的仿真實(shí)現(xiàn) 5.1 仿真模型的建立 1）單機(jī)系統(tǒng)PSS模型： 圖5 單機(jī)系統(tǒng)PSS模型 圖6 測量模塊 圖7

23、PSS模塊 2）多機(jī)系統(tǒng)PSS模型： 圖8 多機(jī)系統(tǒng)PSS模型 圖9 PSS加勵(lì)磁系統(tǒng)模型 5.2 單機(jī)系統(tǒng)PSS仿真結(jié)果 在上面仿真模型的建立基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)和加上PSS的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以下是這兩個(gè)系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)結(jié)果。 5.2.1 小擾動試驗(yàn) 在t=20s在系統(tǒng)的機(jī)械功率輸入端(Pm)加上階躍擾動(10%)，進(jìn)行小擾動試驗(yàn)，得到該擾動下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電功率的時(shí)域響應(yīng)。 圖10 PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng) 圖11 PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng) 圖12 未加PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng) 圖13 未加PSS系統(tǒng)電

24、功率的階躍響應(yīng) 5.2.2 短路試驗(yàn) 1) 單相接地故障 在t=20s時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)單相短路故障，一段時(shí)間后故障切除，將線路重新閉合，得到短路故障時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電功率的時(shí)域響應(yīng)。 圖14 PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間1s） 圖15 PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間1s） 圖16 未加PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間1s） 圖17 未加PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間1s） 圖18 PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間5s） 圖19 PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間5s） 2) 兩相接地故障 圖20

25、 PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間1s） 圖21 PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間1s） 圖22 PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間5s） 圖23 PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間5s） 3）三相接地故障 圖24 PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間0.1s） 圖25 PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間0.1s） 圖26 PSS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間0.2s） 圖27 PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間0.2s） 5.3 多機(jī)系統(tǒng)PSS仿真結(jié)果 短路試驗(yàn)： 1) 單相接地故障 在t=20

26、s時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)單相短路故障，一段時(shí)間后故障切除，將線路重新閉合，得到短路故障時(shí)電功率的時(shí)域響應(yīng)。 圖28 多機(jī)PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間0.1s） 2) 兩相接地故障 圖29 多機(jī)PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間0.1s） 3) 三相接地故障 圖30 多機(jī)PSS系統(tǒng)電功率的階躍響應(yīng)（短路時(shí)間0.1s） 5.4 仿真結(jié)果分析 對單機(jī)系統(tǒng)，圖12、13、16、17為沒有加PSS的勵(lì)磁系統(tǒng)，由仿真波形可以看出，對于小擾動和單相接地大擾動其穩(wěn)定時(shí)間都比加入PSS的勵(lì)磁系統(tǒng)要慢并且波動要大。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的PSS對小擾動和大擾動的后系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用，

27、對于小擾動而言，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁功率很快可以穩(wěn)定下來，并且波動的很小。對于大擾動而言，從三種情況仿真結(jié)果中，可以明顯的看出，不同短路類型對系統(tǒng)沖擊不同，短路故障排除后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)波動大小也不同。由5.2.2所述，得單相短路接地對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響最小，兩相短路次之，三相短路對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響最大，系統(tǒng)也最難恢復(fù)穩(wěn)定。同時(shí)，短路故障切除時(shí)間越長，對系統(tǒng)穩(wěn)定沖擊越大，故障切除后越難恢復(fù)穩(wěn)定。對于單相和兩相接地故障，由5.2.2所述，得當(dāng)短路時(shí)間只有1s時(shí)，短路切除后很快就能恢復(fù)穩(wěn)定，當(dāng)短路時(shí)間為5s時(shí)，系統(tǒng)擾動很大，經(jīng)過較長時(shí)間才能恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。而對于三相短路而言，對系統(tǒng)的沖擊最大，短路時(shí)間為0.

28、1s時(shí)，能恢復(fù)穩(wěn)定，當(dāng)短路時(shí)間為0.2s時(shí)，擾動已經(jīng)非常大了，但系統(tǒng)還能恢復(fù)穩(wěn)定。而當(dāng)短路時(shí)間為0.5s時(shí)，系統(tǒng)就不能恢復(fù)穩(wěn)定了。對多機(jī)系統(tǒng)，短路時(shí)間都設(shè)為0.1s，短路時(shí)間過長則系統(tǒng)不能恢復(fù)穩(wěn)定，且多機(jī)系統(tǒng)的波動較大，多機(jī)系統(tǒng)里加入了PID控制器，初始的電功率波動可以很快趨于穩(wěn)定。 6 總結(jié) 在所有電力系統(tǒng)的復(fù)雜現(xiàn)象中，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性最難以理解而最富有挑戰(zhàn)性。并且隨著近年來電網(wǎng)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定提出了更高的要求，同步發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)中的一個(gè)核心元件，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用。通過在MATLAB/simulink環(huán)境下建立單機(jī)

29、無窮大系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)，仿真分析了加PSS和未加PSS的勵(lì)磁系統(tǒng)受機(jī)械轉(zhuǎn)矩小擾動和接地短路大擾動的影響，大擾動又受不同短路故障類型、短路故障持續(xù)時(shí)間的影響。單機(jī)利用PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋給發(fā)電機(jī)，多機(jī)反饋，可以有效防止或降低電網(wǎng)低頻振蕩，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 經(jīng)過此次研究，我們也發(fā)現(xiàn)，利用MATLAB對PSS及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行仿真，能達(dá)到良好的仿真效果。其仿真準(zhǔn)確度高，建模及運(yùn)行速度快，具有常規(guī)軟件仿真所沒有的優(yōu)點(diǎn)，可以繼續(xù)利用MATLAB進(jìn)行其他電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題的仿真研究。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的

30、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　  指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提

31、交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　  學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律

32、后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 注 意 事 項(xiàng) 1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容

33、包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時(shí)） 2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。 3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。 4.文字、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 5.裝訂順序 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 3）其它