【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng)這樣的高度非線性系統(tǒng)難以保證其在較寬運(yùn)行范圍內(nèi)的穩(wěn)定，因此使PSS 具有魯棒性成為近年來(lái)得研究重點(diǎn)。許多專家和學(xué)者在 PSS 的魯棒性方面做了大 4 量的研究，并取得了一些令人滿意方法。文獻(xiàn) [16]指出基于單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)模型的經(jīng)典相位補(bǔ)償法具有較好的魯棒性。文獻(xiàn)〔 17]. [18]通過(guò)詳細(xì)的仿真分析和理論分析說(shuō)明發(fā)電機(jī)電磁功率和勵(lì)磁參考電壓之間的傳遞函數(shù)具有較好的不變性。文獻(xiàn) [19]引入概率的概念來(lái)考慮多個(gè)運(yùn)行條件下 PSS 的動(dòng)態(tài)性 能，從而保證 PSS 的魯棒性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制，模糊控制。理論等現(xiàn)代控制技術(shù)在 PSS 的設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是這些控制方法雖然適合電力系統(tǒng)的非線性特性，設(shè)計(jì)出來(lái)的穩(wěn)定器具有較好的魯棒性的特點(diǎn)，但由于各種方法本身目前還存在一定程度的不足，因此研究具有固定結(jié)構(gòu)和參數(shù)固定的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器仍有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義。 電力 系統(tǒng) 穩(wěn)定 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題就是當(dāng)系統(tǒng)在某一正常運(yùn)行狀態(tài)下受到某種干擾后，能否經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后回到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)或者過(guò)渡到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)問(wèn)題 。如果能夠，則認(rèn)為系統(tǒng)在該正常運(yùn)行狀態(tài)下是穩(wěn)定的。反之，若系統(tǒng)不能回到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)或者不能建立一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則說(shuō)明系統(tǒng)的狀態(tài)變量沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)定值，而是隨著時(shí)間不斷增大或者振蕩，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 2020 年，我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行與控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)制定的 DL7552020《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中將功角穩(wěn)定性分為下列三類：靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。 電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)振蕩或非周期性失步，自動(dòng)恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)幾乎時(shí)時(shí)刻刻都受到小的干擾。例如：系統(tǒng)中負(fù)荷 的小量變化；又如架空輸電線因風(fēng)吹擺動(dòng)引起的線間距離（影響線路電抗）的微小變化等等。 暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行情況下突然受到大的干擾后，能否經(jīng)過(guò)暫態(tài)過(guò)程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這里所說(shuō)的大干擾是區(qū)別與前面說(shuō)說(shuō)的小干擾而言的，比如短路、突然斷開(kāi)線路或發(fā)電機(jī)等。所以說(shuō)如果一個(gè)系統(tǒng)在受到大干擾的情況下還能過(guò)恢復(fù)到以前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，我們就說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。相反，如果一個(gè)系統(tǒng)在受到大的干擾的情況下不能夠恢復(fù)到以前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)了諸如電壓、電流、相角不斷振蕩的情況，我們就說(shuō)系統(tǒng)在這個(gè) 運(yùn)行狀態(tài)下不能夠保持暫態(tài)穩(wěn)定。由此可以看出來(lái)，一個(gè)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定情況和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及 5 干擾的情況有關(guān)系，也就是說(shuō)，一個(gè)系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行情況下和干擾情況下是穩(wěn)定的，但是換了一個(gè)運(yùn)行情況或者干擾情況，系統(tǒng)有可能就是不穩(wěn)定的。 電力系統(tǒng)受到大的干擾，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，會(huì)逐步趨向穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)或者趨于失步狀態(tài)。這種時(shí)間的長(zhǎng)短和系統(tǒng)本身的的運(yùn)行狀況和擾動(dòng)的大小有關(guān)系。在分析大擾動(dòng)后的暫態(tài)過(guò)程有下列的三種不同的時(shí)間階段分類： （ 1） 起始階段：指故障后約 1S 內(nèi)的時(shí)間段。在這段時(shí)間里系統(tǒng)的保護(hù)和自動(dòng)裝置有一系列的動(dòng)作，例如 切除線路的故障和重合閘、切除發(fā)電機(jī)等等。 （ 2） 中間階段：在起始階段后，大約持續(xù) 5S 左右的時(shí)間段。在此期間發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)揮了作用。 （ 3） 后期階段：中間階段以后的時(shí)間。這時(shí)候動(dòng)力設(shè)備中的過(guò)程將影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程。另外，系統(tǒng)中還將由于頻率和電壓的下降，發(fā)生自動(dòng)裝置切除部分負(fù)荷等操作。 當(dāng)前，電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行趨勢(shì)產(chǎn)生了新的類型的穩(wěn)定性問(wèn)題。 目前我國(guó)正處于飛速發(fā)展的時(shí)期，對(duì)電力的需求程度空前強(qiáng)烈。諸如現(xiàn)在流行的高壓直流輸電；更廣泛的運(yùn)用并聯(lián)電容器；負(fù)荷的組成和特性在發(fā)生變化。 1929 年瑞典（ ASES）公司首創(chuàng)了（ HVDC）技術(shù)。以此為起點(diǎn)各國(guó)建設(shè)了多條試驗(yàn)性高壓直流輸電技術(shù)。目前為止，我國(guó)在建或已經(jīng)建成的輸電線路有十多個(gè)，第一個(gè)為舟山實(shí)驗(yàn)性直流輸電工程，葛洲壩 上海為第一個(gè)高壓直流輸電工程。這些工程給我們的生活帶來(lái)了很多的方便，同時(shí)它又向電力系統(tǒng)的穩(wěn)定提出了更高的要求，使我們面臨著更高的挑戰(zhàn)，特別是高壓穩(wěn)定和低頻區(qū)域間振蕩比以前更加重要。 提高電力 系統(tǒng) 穩(wěn)定的措施 提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的根本辦法是使電力系統(tǒng)有較高的功率極限、抑自發(fā)振蕩的產(chǎn)生、盡可能減小發(fā)電機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的振蕩幅 度。提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性提高功率極限就要盡可能的提高和，減小電抗。 采用自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)裝設(shè)先進(jìn)的調(diào)節(jié)器，就相當(dāng)于縮短了發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間的電氣距離，從而提高了系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。因?yàn)樽詣?dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置在總投資中所占的比例相對(duì)較小，在提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置。 采用串聯(lián)電容補(bǔ)償同樣也可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，串聯(lián)電容補(bǔ)償 6 度越大，線路等值電抗越小，對(duì)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性越有利。但是的增大還受到了很多條件的限制。首先，短路電流不能過(guò)大。當(dāng)補(bǔ)償度 過(guò)大時(shí)，在裝在離電源較近的高壓輸電線路上的電容器后方短路時(shí)，電容器的容抗可能大于變壓器和電容器前面輸電線路的電抗之和。這時(shí)，短路電流就會(huì)大于發(fā)電機(jī)端短路時(shí)的短路電流，這顯然是不合適的。而且，短路電流還可能呈容性電流。這時(shí)電流、電壓相位關(guān)系的紊亂將引起某些保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。 此外，補(bǔ)償度過(guò)大還可能引起其他的問(wèn)題，例如自勵(lì)磁現(xiàn)象。若發(fā)電機(jī)外部電抗呈容性，電樞反應(yīng)可能起助磁作用，使發(fā)電機(jī)的電流和電壓無(wú)法控制地上升，直至發(fā)電機(jī)磁路飽和為止。 同時(shí)，改善電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也是有助于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的，比如增加輸電線路 的回路數(shù)目；也可以將中間電力系統(tǒng)和輸電線路連接起來(lái)，同樣對(duì)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定有幫助，相當(dāng)于縮短了 “電氣距離 ”。 快速切除故障對(duì)于提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有這決定性的作用。因?yàn)楣收峡焖偾谐s短了故障的持續(xù)時(shí)間，從功角特性曲線可以看出減小了加速面積，增加了減速的面積，從而提高了發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。而且也可以使負(fù)荷中電機(jī)的端電壓快速回升，減小了電動(dòng)機(jī)失速和停頓的危險(xiǎn)。 電力系統(tǒng)的故障切除時(shí)間等于繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間加上斷路器的動(dòng)作時(shí)間。電力系統(tǒng)的故障特別是高壓輸電線路的故障大多數(shù)是短路故障，而且都是暫時(shí)性的 短路故障。采用自動(dòng)重合閘裝置，當(dāng)遇到故障時(shí)先切除線路，過(guò)一會(huì)兒再合上斷路器，如果這時(shí)候故障已經(jīng)消失了，則說(shuō)明自動(dòng)重合閘成功。在我們實(shí)際的生活中，自動(dòng)重合閘成功的概率達(dá)到了 90%，所以自動(dòng)重合閘大大提高了輸電線路的可靠性，同時(shí)對(duì)提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性也有著相當(dāng)大的作用。 提高發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率也可以提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。說(shuō)到提高發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率先介紹一下電氣制動(dòng)。 電氣制動(dòng)就是當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障后迅速地投入電阻以消耗發(fā)電機(jī)的有功功率（增大電磁功率），從而減少功率的差額。切除故障時(shí)，也切除了電阻。運(yùn)用 電氣制動(dòng)提高暫態(tài)穩(wěn)定性時(shí)，制動(dòng)電阻的大小及投切時(shí)間要選擇得恰當(dāng)。否則，會(huì)發(fā)生欠制動(dòng)，即制動(dòng)作用過(guò)小，發(fā)電機(jī)仍要失步；或者發(fā)生過(guò)制動(dòng)，即制動(dòng)過(guò)大，發(fā)電機(jī)雖在第一次振蕩中沒(méi)有失步，卻在切除故障和切除制動(dòng)電阻后的第二次振蕩中或以后失步了。 7 除了上述的措施之外，還有其他的方法來(lái)提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，比如在串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置中附加強(qiáng)行補(bǔ)償，在切除故障線路的同時(shí)來(lái)增大串聯(lián)補(bǔ)償電容的容抗，以補(bǔ)償由于切除故障線路而增加的線路電抗。 勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響 它勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)是在發(fā)電站出口附近 發(fā)生短路故障時(shí)，強(qiáng)勵(lì)能力強(qiáng)，有利于提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平，在故障切除時(shí)間比較長(zhǎng)、系統(tǒng)容量相對(duì)小的50、 60 年代這一優(yōu)點(diǎn)是很突出的。但是，隨著電力系統(tǒng)裝機(jī)容量的增大，快速保護(hù)的應(yīng)用，故障切除時(shí)間的縮短，它勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)已不是很明顯。自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元部件少，其勵(lì)磁電源來(lái)自機(jī)端變壓器，無(wú)旋轉(zhuǎn)部件，運(yùn)行可靠性高，維護(hù)工作量小。且由于變壓器容量的變更比交流勵(lì)磁機(jī)的變更更簡(jiǎn)單、容易，因而更經(jīng)濟(jì)，更容易滿足不同電力系統(tǒng)、不同電站的暫態(tài)穩(wěn)定水平對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)的不同要求。 它勵(lì)可控硅勵(lì)磁系 統(tǒng)的缺點(diǎn)是由于交流勵(lì)磁機(jī)是非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，難以標(biāo)準(zhǔn)化，即使是同容量的發(fā)電機(jī) ,尤其是水輪發(fā)電機(jī)，由于水頭、轉(zhuǎn)速的不同，強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)的不同，交流勵(lì)磁機(jī)的容量、尺寸也不同，因此，價(jià)格較自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)貴。另外它勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)與自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)相比較，元部件多，又有旋轉(zhuǎn)部件，可靠性相對(duì)較低，運(yùn)行維護(hù)量大。自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的缺點(diǎn)是它的勵(lì)磁電源來(lái)自發(fā)電機(jī)端，受發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變化的影響。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降時(shí)其強(qiáng)勵(lì)能力下降，對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定不利。不過(guò)隨著電力系統(tǒng)中快速保護(hù)的應(yīng)用，故障切除時(shí)間的縮短，且自并勵(lì)可控 硅勵(lì)磁系統(tǒng)可以通過(guò)變壓器靈活地選擇強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，可以較好地滿足電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平的要求。 綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素，推薦在發(fā)電機(jī)組采用自并勵(lì)快速勵(lì)磁方式。為驗(yàn)證其正確性，通過(guò)穩(wěn)定計(jì)算研究了滿發(fā)時(shí)發(fā)電機(jī)組采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式的穩(wěn)定情況，計(jì)算結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)組采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式可滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，但必須同時(shí)加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 (PSS)。 MATLAB的簡(jiǎn)介 MATLAB 簡(jiǎn)介： MATLAB 一詞是由 Matrix 和 Laboratory 復(fù)合生成的，原意是 8 矩陣實(shí)驗(yàn)室。 MATLAB 環(huán)境 (或語(yǔ)言）由美國(guó)的 Cleve Moler 博士于 1980 年研制成功，研制 MATLAB 的初衷是使它具有強(qiáng)大的矩陣處理方面的功能?，F(xiàn)代控制理論界的專家們面對(duì)高維數(shù)的控制問(wèn)題，渴求一種比當(dāng)時(shí)流行的高級(jí)語(yǔ)言更具有可讀性的語(yǔ)言，因而 MATLAB 語(yǔ)言的面世，首先被控制理論界的專家們所關(guān)注。同樣，電力系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的、維數(shù)很高的系統(tǒng)， MATLAB 必將成為分析電力系統(tǒng)問(wèn)題的強(qiáng)大而有效工具。加拿大魁北克電力公司的專家們首先作了此項(xiàng)工作，在 MATLAB 環(huán)境下，開(kāi)發(fā)了 MATLAB\ Simulink\Toolbox\Power blockset(即電力系統(tǒng)分析模塊 ) ，并建立了電力系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備庫(kù)。 MATLAB 語(yǔ)言以矩陣為基本的數(shù)據(jù)單位，它提供了強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能，幾乎所有常用的矩陣運(yùn)算，例如矩陣的加、減、乘、除、轉(zhuǎn)置、求逆、分解、行列式等都有現(xiàn)成的指令。 MATLAB 還擁有順序、選擇、循環(huán)等結(jié)構(gòu)控制語(yǔ)句，并配以大量的運(yùn)算符，可以編寫(xiě)出符合結(jié)構(gòu)化標(biāo)準(zhǔn)的具有面向?qū)ο筇卣鞯某绦颉ATLAB 的工作環(huán)境包括命令控制窗口、程序編輯器等，用戶既可以通過(guò)命令控制窗口直接執(zhí)行命令，也可通過(guò)建立 MATLAB 腳本文件或函數(shù)文件執(zhí)行程序中的命令。 MATLAB 系統(tǒng)主要包括以下五個(gè)部分： （ 1） MATLAB 語(yǔ)言 MATLAB 語(yǔ)言是一種包括控制流語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入 \輸出和面向?qū)ο缶幊烫匦缘母呒?jí)語(yǔ)言，它以矩陣作為基本的數(shù)據(jù)單元，既可以快速創(chuàng)建小程序完成簡(jiǎn)單運(yùn)算，也可以為了復(fù)雜應(yīng)用，編寫(xiě)完整的大應(yīng)用程序。 （ 2） MATLAB 工作環(huán)境 MATLAB 工作環(huán)境主要包括一系列完成如管理工作空間的變量、數(shù)據(jù)輸入 \ 輸出、 M 文件（ MATLAB 的應(yīng)用程序）的生成、調(diào)試、解釋的工具。 （ 3）圖形句柄 圖形句柄是 MATLAB 的圖形處理系統(tǒng)，其中既包 括二維、三維數(shù)據(jù)的可視化圖形表示、圖象處理的直觀顯示的高級(jí)命令，也包括定制圖形顯示、創(chuàng)建應(yīng)用程序完整的圖形用戶界面 (GUI)命令。 （ 4） MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù) 該庫(kù)收集了巨量的數(shù)學(xué)函數(shù)及算法，從簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)函數(shù)如 sum、 sine、 cosine 和復(fù)數(shù)運(yùn)算，到復(fù)雜的函數(shù)如矩陣求逆、求特征值、 Bessel函數(shù)、 FFT。 （ 5） MATLAB 應(yīng)用程序接口 (API) 它是一個(gè)允許用戶編寫(xiě)與 MATLAB 交互的 C 和 FORTRON 程序的庫(kù)，包括從 MATLAB 中調(diào)用程序、調(diào)用 MATLAB 作為計(jì)算引 9 擎和讀 \寫(xiě) MAT 文件。 總體來(lái)說(shuō)， MATLAB 是一種數(shù)值型計(jì)算軟件，它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和圖象處理等功能于一體，具有編程效率高、程序設(shè)計(jì)靈活、圖形功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 本論文的主要工作 本文以電力系統(tǒng)穩(wěn)定器以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定為研究?jī)?nèi)容，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，主要做了以下的工作。 （ 1）在查閱了大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和磁鏈方程。推導(dǎo)了簡(jiǎn)單系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的電磁功率方程以及同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程。 （ 2）研究了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器抑制電網(wǎng)振蕩抑制的原理。采用 MATLAB 建立單機(jī)無(wú) 窮大系統(tǒng)模型 ,實(shí)現(xiàn)了利用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來(lái)提高單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 3）分析了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的作用。 10 2 同步發(fā)動(dòng)機(jī)方程 同步發(fā)動(dòng)機(jī)的電壓方程 對(duì)于 abc 坐標(biāo)下的電壓方程 ripu ?? ? ，可將定子、轉(zhuǎn)子量分開(kāi)，改寫(xiě)為 ???????????????????? ?????????f D Qa b cf D Qa b cf D Qa b cf D Qa b c i irrppuu （ 21） 式中， ? ? ? ?TQDff DQTcbaabc ffffffff ,, ?? ， f 可為 iu ,? ； ? ?cbaabc rrrdiagr ,? ； ? ?Q