wordword格式.基于MATLAB的PSS仿真分析畢業論文摘要：電力系統暫態穩定性的研究，對保證電網的安全與穩定具有重要的意義。電力系統穩定是電網安全運行的關鍵，一旦遭到破壞，必將造成巨大的經濟損失和災難性的后果，世界各國不乏慘痛教訓之例。在諸多改善發電機穩定性的措施中，提高勵磁系統的控制性能，被公認為最有效和經濟的措施之一。本文以PSS控制器設計為容。在研究了電力系統穩定性問題的由來及發電機勵磁調節對電力系統穩定性的影響的基礎上，針對電力系統這一特定對象，設計出了穩定控制的仿真模型。關鍵詞：發電機；PSS；電力系統仿真；Matlab1引言電力系統是典型的多自由度的，亦即多變量的多輸入、多輸出的動力學系統。電力系統控制的實踐也表明無論從提高電力系統的穩定性還是從改善電力系統的動態品質的需要出發都需要有多變量參與控制。同步發電機勵磁控制是保證發電機和電力系統安全穩定運行和改善電力系統動態品質的一項基本措施。隨著電力系統的發展，對發電機勵磁提出了更高的要求。除了維持發電機電壓水平，合理分配并聯機組的無功功率外，還要求勵磁控制系統能對電力系統的靜態和動態穩定及暫態穩定起作用。國外的研究和實踐證明，勵磁控制系統不僅能提高電力系統穩定運行極限，而且通過附加控制，能抑制低頻振蕩和次同步振蕩，對電力系統穩定運行有顯著效果。因此，研究和開發性能優良的同步發電機勵磁控制系統，一直是各國學者和工程技術人員的一項重要工作。2電力系統穩定問題的基本理論2.1電力系統穩定問題近年來世界圍的電力工業改革日益加快，逐步建立了競爭機制下的電力市場。電網的開發和商業化運營使得電力系統運行越來越接近系統極限，經濟性和安全穩定性相互制約，使得系統的安全穩定性問題越來越突出和越來越復雜。這些都對穩定分析與控制提出了新的挑戰。更深入地理解穩定機制、建立快速準確的穩定分析方法和提出有效經濟的控制措施便成為當務之急。電力系統的穩定性主要研究電力系統在諸如負荷或發電機突然變化、傳輸線路發生短路等條件下，電力系統的行為。如果互聯的發電機組保持同步，該電力系統被稱為穩定的電力系統。電力系統維持穩定運行的能力很大程度上依賴于系統所具有的阻尼機電振蕩的控制手段，因而，研究與設計控制就變得非常重要了。在所有電力系統的復雜現象中，電力系統穩定性最難以理解而最富有挑戰性。由于21世紀的電力系統將愈來愈運行在穩定極限附近，這就對電力系統的安全運行提出了更嚴峻的挑戰。2.2電力系統穩定的分類穩定性是相反作用力之間平衡的條件。互聯同步電機之間保持同步的原理是通過恢復力，即當一臺或多臺電機相對于其它電機趨于加速或減速時起作用的恢復力。在穩態條件下每臺電機的輸入轉矩和輸出的電轉矩平衡，轉速保持不變。如果系統受到干擾，則平衡遭到破壞，電機的轉子將按旋轉體的運動定律加速或減速。若某臺發電機一時比其他發電機轉得快，則它的轉子再位置相對于那些轉得較慢的電機轉子角將會超前。這樣所產生的角度差將按功角特性關系把較慢電機所帶的部分負荷轉移給較快的電機。從而有助于減少轉速差和角度差。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；從而進一步增加角度差而導致不穩定。對于任何給定的情況，系統的穩定性取決于轉子位置的偏移是否能產生足夠的恢復轉矩。當一臺同步電機失去同步或將與系統的某些部分失步時，其轉子旋轉速度將高于或低于發出系統頻率下的電壓所需的轉速。定子旋轉磁場（相應于系統頻率）與轉子磁場的“滑差”使電機的功率輸出、電流、電壓產生很大的波動；從而使保護系統動作把不穩定的電機從系統中隔離開來。失去同步可以發生在單臺電機對其余系統或者在機群電機之間。對機群之間關系的情況，若將它們之間解列，則每臺電機部可保持同步。對于電力系統，擾動后同步發電機電力矩的變化可分解為兩個分量：ST.=Ts^+Tn^，式中7；△/是與轉子再擾動量△占同相的轉矩變化分量，稱為同步轉矩分量；人?為同步轉矩系數。厶厶。是與轉速偏差厶。△同相的轉矩變化分量，稱為阻尼轉矩分量；7；為阻尼轉矩系數。電力系統穩定性取決于每臺同步電機的這兩個分量的存在。缺乏足夠的同步轉矩會造成轉子角非周期滑移的不穩定。另一方面，缺乏足夠的阻尼轉矩會產生振蕩不穩定。為了分析的方便和增進對穩定問題性質的有效理解，通常將轉子角穩定現象用如下兩類來表征：1）小信號（或稱小干擾）穩定是電力系統在小擾動下保持同步的能力。這樣的擾動在電力系統中由于小的負荷和發電變化而會連續發生。通常把這種擾動視為足夠小，使得在系統分析時允許對系統方程式線性化。可能產生兩種形式的不穩定：a）由于缺乏足夠的同步轉矩使轉子角持續增加；b）由于缺乏足夠的阻尼轉矩造成轉子增幅振蕩。系統對小擾動的響應特性取決于初始運行條件、輸電系統強度以及所用的發電機勵磁控制等因素。對于一臺發電機呈輻射狀接入大系統的情況，若無自動電壓調節器（即勵磁電壓不變）時，其失穩是由于缺乏足夠的同步轉矩。若裝有連續作用的電壓調節器，小擾動穩定問題就是保證系統的振蕩有足夠的阻尼。其通常失穩方式是增幅振蕩。在當今實際電力系統中，小擾動穩定問題主要是缺乏足夠的振蕩阻尼。2） 暫態穩定是電力系統遭受嚴重暫態擾動下保持同步的能力。所產生的系統響應包括發電機轉子角的大偏移并受非線性功角關系的影響。其穩定性取決于初始運行工況和擾動的嚴重程度。通常系統會有改變，使擾動后的穩定運行狀態與擾動前不同。系統中發生的擾動其嚴重程度和發生的概率是在很大圍變化的。但系統只能設計并運行在一組選定的可能發生的故障之下保持穩定。這些故障通常考慮為不同類型的短路：單相對地、兩相對地、兩相短路或三相短路。通常假定短路發生在輸電線上，個別情況下母線或變壓器故障也被考慮在。假定在斷開相應斷路器，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。轉子角對暫態擾動的響應有三種情況：一種是穩定情況，轉子角度增加到最大值后減少并減幅振蕩直到穩態狀態；第二種是轉子角度持續增加直到失去同步，這種失穩形式稱為一次搖擺不穩定，它是由于同步轉矩不足產生的；第三種情況是第一次搖擺系統是穩定的，但由于增大的振蕩最終使系統不穩定。這種形式的不穩定一般產生在故障后的穩態條件本身“小信號”不穩定的情況，而不是暫態擾動的必然結果。3） 動態穩定一詞也廣泛用于轉子角穩定的文獻中。然而，它被不同的作者用來表示現象的不同方面。在北美的文獻中，動態穩定一詞多數用于指帶白動控制裝置（主要是發電機電壓調節器）的小信號穩定，以與經典的無自動控制的靜態穩定相區別。在法國和徳國的文獻中，它用來表示我們這里所用的暫態穩定。鑒于用動態穩定一次帶來許多混淆，國際大電網會議(CIGRE)和跨國電氣工程師會(IEEE)都建議不用該詞。3勵磁系統及電力系統穩定器概述3.1同步發電機勵磁系統的任務同步發電機的運行特性與它的空載電動勢◎的值密切相關，而d又是發電機勵磁電流的函數，改變勵磁電流就可影響同步發電機在電力系統中運行特性。因此，對同步發電機的勵磁進行控制，是對發電機運行施加控制的重要容之一。電力系統在正常運行時，發電機勵磁電流的變化主要影響電網的電壓水平和并列運行機組間無功功率的分配。在某些故障情況下，發電機端電壓降低將導致電力系統穩定水平下降。為此，當系統發生故障時，要求發電機迅速增大勵磁電流，以維持電網的電壓水平及穩定性。可見，同步發電機勵磁的自動控制在保證電能質量、無功功率的合理分配和提高電力系統運行的可靠性等方面都起著十分重要的作用。同步發電機的勵磁系統一般由勵磁功率單元和勵磁調節器兩部分組成，如圖1所示。勵磁功率單元向同步發電機轉子提供直流電流，即勵磁電流；勵磁調節器根據輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元的輸出。整個勵磁自動控制系統是由勵磁調節器、勵磁功率單元和發電機構成的一個反饋控制系統。在電力系統正常運行或事故運行中，同步發電機的勵磁控制系統起著重要的作用。優良的勵磁控制系統不僅可以保證發電機可靠運行，提供合格的電流，而且還可有效地提高系統的技術指標。根據運行方面的要求，勵磁控制系統應該承擔以下任務：1） 電壓控制：電力系統在正常運行時，負荷總是經常波動的，同步發電機的功率也就相應的變化。隨著負荷的波動，需要對勵磁電流進行調節以維持機端電壓或系統中某一點的電壓在給定的水平。勵磁系統擔負了維持電壓水平的主要任務。2） 無功功率的分配：在單機無窮大系統中，調節機組的勵磁電流就可以改變發電機無功功率；在實際系統中，發電廠輸出無功電流與其母線電壓水平有關，改變其中一臺發電機的勵磁電流不但影響發電機的電壓和無功功率，而且也將影響與之并聯運行機組的無功功率，其影響程度與系統情況有關。3） 提高同步發電機并聯運行的穩定性。電力系統在運行中隨時都可能受到各種干擾，在干擾之后，發電機組能夠恢復到原來運行狀態或者過渡到新的運行狀態，則稱系統是穩定的。其主要標志是在暫態過程結束后，同步發電機仍能維持或恢復同步。在分析電力系統穩定性問題時，不論靜態穩定還是暫態穩定，在數學模型的表達式中總含有發電機空載電動勢◎，而Eg與勵磁電流密切相關。可見，勵磁系統可以通過改變勵磁電流從而改變◎來改善系統穩定性。4） 改善電力系統的運行條件。當電力系統由于種種原因，出現短時低電壓時，勵磁系統可以發揮其調節作用，大幅度的增加勵磁以提高系統電壓，從而改善系統運行條件。5） 水輪發電機組要求強行減磁。當水輪發電機組發生故障突然跳閘時，由于它的調速系統具有較大的慣性懷能迅速關閉導水葉，因而會使轉速急劇上升。如果不采取措施迅速降低發電機的勵磁電流側發電機電壓有可能升高到危及定子絕緣的程度，所以，此時要求勵磁系統能實現強行減磁。3.2對勵磁系統的基本要求勵磁系統是由勵磁功率單元和勵磁調節器兩部分組成的，為了苑分發揮它們的作用，完成發電機勵磁自動控制系統的各項任務，對勵磁功率單元和勵磁調節器性能分別提出了如下要求：對勵磁調節器而言，其主要任務是檢測和綜合系統運行狀態的信息，以產生相應的控制信號，經放大后控制勵磁單元以得到所要求的發電機勵磁電流。所以對它的要求如下：1） 系統正常運行時，勵磁調節器應能反映出發電機端電壓高低以維持發電機電壓在給定水平。通常認為，自動勵磁調節器應能保證同步發電機端電壓辭差率：半導體型的＜1%，電磁型的＜3%。2） 勵磁調節器應能合理分配機組的無功功率，為此，勵磁調節器應保證同步發電機端電壓調差率可以在下列圍進行調整：半導體型的±10%，電磁型的±5%。3） 對遠距離輸電的發電機組，為了能在人工穩定區域運行，要求勵磁調節器沒有失靈區。4） 勵磁調節器應能迅速的反應系統故障，具備強行勵磁等控制功能以提高暫態穩定和改善系統運行條件。5） 具有較小的時間常數，能迅速響應反饋信息的變化。勵磁功率單元受控于勵磁調節器，對其要求如下：1）要求勵磁功率單元有足夠的可靠性，并具有一定的調節容量。在電力系統運行中，發電機依靠勵磁電流的變化進行系統電壓和本身無功功率的控制。因此，勵磁功率單元應具有足夠的調節容量以適應電力系統中各種運行工況的要求。2）具有足夠的勵磁頂值電壓和電壓上升速度。從改善電力系統運行條件和提高電力系統暫態穩定性來說，希望勵磁功率單元具有較大的強勵磁能力和快速的響應能力。勵磁頂值電壓在強行勵磁時能提供的最高輸出電壓值與額定工況下勵磁電壓之比稱為強勵倍數。其值的大小，涉及制造和成本等因素，一般取1.6?2。現在一般大容量機組往往采用快速勵磁系統，勵磁系統電壓響應時間（勵磁電壓達到95%頂值電壓所需時間）為0.Is或更短的勵磁系統，稱為高初始響應勵磁系統。響應時間可以作為動態性能評定指標。3.3電力系統穩定器（PSS）簡介IEC對PSS的定義是：一種裝置，它借助于電壓調節器控制勵磁機的輸出，來阻尼同步電機的功率振蕩。輸入變量可以是轉速、頻率或功率（或多個變量的綜合）。這里指的“勵磁機”為各種勵磁系統的輸出功率部件，包括靜止整流部件。PSS是勵磁調節器中的一個功能部件，它的主要作用是在系統發生低頻振蕩時提供一個附加阻尼，相當于提高功率阻尼系統I），使轉子振蕩的阻尼比達到一個理想的數值，響應特性就能較快的達到穩態值，提高了電力系統的靜態穩定。PSS在轉速恒定不變時，輸出為零，不起作用，這是因為發電機正常運行中，我們不希望穩定器對機端電壓產生持續的影響。只有在轉速或有功功率或頻率發生變化時，才起作用。因此，從這點上來說，PSS如果參數選取不對，不但不能幫助系統穩定，還可能會起反作用，影響系統的穩定性。從我國目前的研究現狀和實際應用情況上來看，PSS在我國有很多種的理論及數學模型，比較有代表性的有經典PSS理論、線性最優控制和非線性最優控制等。這幾種理論在實際機組上都有應用，從效果上來看也都還是能起到穩定器的作用的，到底哪種理論更好，還有待進一步的研究。4PSS勵磁控制系統的設計4.1電力系統穩定器(PSS)PSS(powersystemstabi1izer)最早由美國學者F.P.deme11和C.Concodri提出的。其基本原理是在自動電壓調節的基礎上，輔以轉速偏差Ao、功率偏差、頻率偏差紂中的一種或兩種信號作為附加控制，產生與同軸的附加力矩，增加對低頻振蕩的阻尼，以增強電力系統的動態穩定性。用PSS的目的是通過發電機勵磁控制增強對系統振蕩的阻尼來使電力輸送的穩定極限提高。它抽取角速度，功率或頻率等鎮定參量，經過主要由放大、復位和超前滯后等環節組成的校正環節處理后將產生的附加勵磁控制信號和機端電壓一起作為勵磁系統的輸入。PSS基于系統在某一平衡點處的近似線性化模型設計，針對性強，經濟、簡單易行而且有效，獲得了普遍的應用。電力系統穩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，而且可以改善系統的動態品質。由于電壓調節器采用電壓作為控制量，且調節器及勵磁系統具有電磁慣性，則勵磁電壓在勵磁系統中將產生滯后于它的強迫分量，這種滯后會惡化系統阻尼，甚至引起振蕩。因此，在長線送電、負荷較重的情況下，若轉子角出現振蕩，電壓調節器提供的附加量的相位是落后于角度振蕩的，它的一個分量與轉速相位相反，產生了負阻尼轉矩，這就使得角度振蕩加劇。若電壓調節器產生的附加量在相位上與轉子角振蕩搖擺的相位同相或反相，則只能使轉子角振蕩的幅值增大或減小而不能使轉子角振蕩消失，只有提供的附加量在相位上領先轉子角的振蕩

角度才可能產生正阻尼轉矩/振蕩才能平息。如圖1，為電壓調節器產生的附加轉矩，落后于轉子角振蕩的相位為0，如果我們能產生一個足夠大的純粹的正阻尼轉矩Mp，則A/。與M「的合成轉矩M就位于第一象限，而它的兩個分量一同步及阻尼轉矩都是正的。上述的正阻尼轉矩A/p，我們是通過在電壓調節器參考點輸入一個附加信號T來產生的，如圖2所示。因為它的輸入點與電壓調節器參考輸入點是同一點，所以要使T產生純粹的正阻尼轉矩（相位上與轉速同方向），T的相位必須超前△"軸Q角，這樣輸入電壓調節器后，經過電壓調節器及勵磁系統的滯后，剛好可以產生純粹的正阻尼轉矩。圖2勵磁控制系統示意圖4.2仿真系統參數本文所研究的單機和多機無窮大系統如圖3、圖4所示>該仿真系統由發電機、變壓器、雙回路輸電線、用電負荷和無窮大系統組成。單機系統：同步發電機參數代=200e6MVS4Q”=138003,/”=50股,巧=1.01$,萬=0.053,T；q=0.1,Xd=2.543,Xd=0.30&Xd=0.273,X(f=0.465,X；=0.251,X1=0.22勵磁調節系統參數Ka=300,7；=0.0015PSS參數?=20,心=50￡-3,7^=2%-3,Gm=3,也=4.5,lim"s=[-0.15,0.15]多機系統：1)同步發電機參數代=1000￡6MVAQn=138OOW,￡=50比工=1.01$,萬=0.053,=0.1,Xrf=1.305,X'd=0.296,Xd=0.252,X(i=0.474,X產0.243,X1=0.182)勵磁調節系統參數K。=200,7；=0.0015

3）PSS參數K=2,7；,=60e-3,7^=0.5,Tin.x=0,7；^.=0,limrto=[-0.15,0.15]5電力系統暫態過程的仿真實現5.1仿真模型的建立1）單機系統PSS模型：圖5單機系統PSS模型GDm圖6測量模塊InVS圖5單機系統PSS模型GDm圖6測量模塊InVSLeaddag#1Lesd-teg*2Gain圖7PSS模塊2）多機系統PSS模型：圖8多機系統PSS模型dcz>p?圖9PSS加勵磁系統模型5.2單機系統PSS仿真結果在上面仿真模型的建立基礎上，對傳統的勵磁調節系統和加上PSS的勵磁調節系統進行仿真試驗，以下是這兩個系統的仿真試驗結果。5.2.1小擾動試驗在t=20s在系統的機械功率輸入端（Pm）加上階躍擾動（10%），進行小擾動試驗，得到該擾動下發電機轉速win和電功率P.的時域響應。

1cw圖11PSS系統電功率的階躍響應

51）單相接地故障在t=20s時系統出現單相短路故障，一段時間后故障切除，將線路重新閉合，得到短路故障時發電機轉速W7H和電功率Pe的時域響應。1.04圖16未加PSS系統發電機轉速的階躍響應（短路時間Is）wordword格式.圖19PSS系統電功率的階躍響應（短路時間5s）2）兩相接地故障1IU圖20PSS系統發電機轉速的階躍響應（短路時間Is）圖22PSS系統發電機轉速的階躍響應（短路時間5s）3）三相接地故障5.3多機系統PSS仿真結果短路試驗：1）單相接地故障在t=20s時系統出現單相短路故障，一段時間后故障切除，將線路重新閉合，得到短路故障時電功率幾的時域響應02）兩相接地故障圖29多機PSS系統電功率的階躍響應（短路時間0.Is）3）三相接地故障5.4仿真結果分析對單機系統，圖12、13、16、17為沒有加PSS的勵磁系統，由仿真波形可以看出，對于小擾動和單相接地大擾動其穩定時間都比加入PSS的勵磁系統要慢并且波動要大。仿真結果表明所設計的PSS對小擾動和大擾動的后系統穩定有很大的作用，對于小擾動而言，發電機轉速和電磁功率很快可以