【正文】 ? 。采用 MATLAB 建立單機(jī)無 窮大系統(tǒng)模型 ,實(shí)現(xiàn)了利用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來提高單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。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。 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。 （ 5） MATLAB 應(yīng)用程序接口 (API) 它是一個(gè)允許用戶編寫與 MATLAB 交互的 C 和 FORTRON 程序的庫，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 MAT 文件。 （ 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。 MATLAB 系統(tǒng)主要包括以下五個(gè)部分： （ 1） MATLAB 語言 MATLAB 語言是一種包括控制流語句、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，編寫完整的大應(yīng)用程序。 MATLAB 還擁有順序、選擇、循環(huán)等結(jié)構(gòu)控制語句，并配以大量的運(yùn)算符，可以編寫出符合結(jié)構(gòu)化標(biāo)準(zhǔn)的具有面向?qū)ο筇卣鞯某绦?。加拿大魁北克電力公司的專家們首先作了此?xiàng)工作，在 MATLAB 環(huán)境下，開發(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?，F(xiàn)代控制理論界的專家們面對(duì)高維數(shù)的控制問題，渴求一種比當(dāng)時(shí)流行的高級(jí)語言更具有可讀性的語言，因而 MATLAB 語言的面世，首先被控制理論界的專家們所關(guān)注。 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。 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。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。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。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。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。 7 除了上述的措施之外，還有其他的方法來提高電力系統(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。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)。 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。 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。采用自動(dòng)重合閘裝置，當(dāng)遇到故障時(shí)先切除線路，過一會(huì)兒再合上斷路器，如果這時(shí)候故障已經(jīng)消失了，則說明自動(dòng)重合閘成功。 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。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。 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，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 ”。 此外，補(bǔ)償度過大還可能引起其他的問題，例如自勵(lì)磁現(xiàn)象。而且，短路電流還可能呈容性電流。當(dāng)補(bǔ)償度 過大時(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。但是的增大還受到了很多條件的限制。 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。 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。 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。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。 1929 年瑞典（ ASES）公司首創(chuàng)了（ HVDC）技術(shù)。 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。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。 （ 3） 后期階段：中間階段以后的時(shí)間。 （ 2） 中間階段：在起始階段后，大約持續(xù) 5S 左右的時(shí)間段。在分析大擾動(dòng)后的暫態(tài)過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。 電力系統(tǒng)受到大的干擾，經(jīng)過一段時(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)。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。這里所說的大干擾是區(qū)別與前面說說的小干擾而言的，比如短路、突然斷開線路或發(fā)電機(jī)等。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。 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。反之，若系統(tǒng)不能回到原來的運(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)，則說明系統(tǒng)的狀態(tài)變量沒有一個(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。 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)過一定的時(shí)間后回到原來的運(yùn)行狀態(tài)或者過渡到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)問題 。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。文獻(xiàn) [19]引入概率的概念來考慮多個(gè)運(yùn)行條件下 PSS 的動(dòng)態(tài)性 能，從而保證 PSS 的魯棒性。文獻(xiàn) [16]指出基于單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型的經(jīng)典相位補(bǔ)償法具有較好的魯棒性。這些方法著重于單個(gè)額定運(yùn)行點(diǎn)的考慮，而不計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的魯棒特性，因此，對(duì)于像電力系統(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得研究重點(diǎn)。在這之后， PSS 在我國(guó)的電力系統(tǒng)中越來越多的采用。此后在湖南鳳灘電廠 4 臺(tái) l00MW 機(jī)組上安裝了 PSS，使鳳灘至益陽間線路輸送功率從 160MW 增至 273MW 以上。 我國(guó)電力系統(tǒng)采用 PSS 較晚。他們對(duì)新機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的要求是 :① 高響應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng) 。 1975 年維多利亞送電至南威爾士及斯諾威的抽水蓄能電站時(shí)，多次發(fā)生低頻功率振蕩，在這之后立即采取措施，投入 PSS 取得了良好的效果，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累。 1974 年由于某 330KV 線路并聯(lián)電抗器故障退出，使利得爾發(fā)電機(jī)低勵(lì)運(yùn)行，發(fā)生低頻振蕩。近年來研制的模糊控制 PSS，進(jìn)一步提高PSS 對(duì)多級(jí)振蕩的阻尼能力，已在美國(guó)取得專利。為了解決系統(tǒng)電壓波動(dòng)，采用了高增益的快速電壓調(diào)節(jié)器以改善系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定及電壓穩(wěn)定，并在所有的大機(jī)組上都配置了 PSS，之后電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。 德國(guó)西部電力系統(tǒng)從 70 年代到 80 年代末期，系統(tǒng)中最大單機(jī)容量已從 300MW增大到火電機(jī)組 1000MVA，原子能機(jī)組 1700MVA。 加拿大用改進(jìn)勵(lì)磁系統(tǒng)性能作為提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的基本措施，采用高增益快速勵(lì)磁系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定，采用 PSS 以提高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。那時(shí)只是與快速勵(lì)磁配套，用以抑制大干擾后的振蕩。近年來又研制了微機(jī) PSS，用在來克丁頓抽水蓄能電站的 6 臺(tái) 325MVA 機(jī)組上。美國(guó)是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ PSS）的發(fā)源地，在 60 年代因聯(lián)絡(luò)線低頻振蕩引起線路跳閘而造成系統(tǒng)故障， 1969 年開始在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中增加 e。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效地抑制低頻振蕩，研制開發(fā)實(shí)用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置成為當(dāng)務(wù)之急 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)中發(fā)生過低頻振蕩。隨著三峽工程的建設(shè)和西電東送工程的逐步實(shí)施 ,低頻振蕩問題會(huì)逐步提上議事日程。新型的勵(lì)磁控制器能在小干擾的情況下改善穩(wěn)定性，而且同時(shí)適用于大干擾的情況下，可靠性高的勵(lì)磁系統(tǒng)是保證發(fā)電機(jī)安全發(fā)電，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性所必須的，對(duì)保證國(guó)民生產(chǎn)的安全進(jìn)行、保證人民生 活的安全和有序，具有重大的意義。提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性這項(xiàng)工作必須要落實(shí)到系統(tǒng)的各個(gè)部位。由于一個(gè)開關(guān)站、多個(gè)變電站以及 345kV 輸電線路的破壞，使得臺(tái)灣的南電北送受阻，造成臺(tái)灣彰化以北地區(qū)完全斷電，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失難以估計(jì)。 1999 年 9 月 21 日，我國(guó)臺(tái)灣集集大地震對(duì)于電力系統(tǒng)造成了非常大的破壞。英國(guó)、澳大利亞、馬來西亞、芬蘭、丹麥、瑞典和意大利等國(guó)也有類似的大停電事故發(fā)生。 近 20 年來，世界范圍內(nèi)發(fā)生了多起電力系統(tǒng)的大面積的停電事故，造成 了災(zāi)難性的后果。電力系統(tǒng)在發(fā)展龐大的同時(shí)對(duì)穩(wěn)定性提出了更高的要求。 研究背景 隨著改革開放及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，近三十年來我國(guó)的電力系統(tǒng)的規(guī)模和容量有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。用于提高電力系統(tǒng)阻尼、解決低頻振蕩問題，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（ pss）就是為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵(lì)磁控制技術(shù)。 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的研究意義 ............................................................. 18 3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器基本介紹 ............................................................................................. 19 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器簡(jiǎn)介 ........................................................................................... 19 電力系統(tǒng)弱阻尼產(chǎn)生原因 ................................................................................... 20 低頻振蕩簡(jiǎn)介 ....................................................................................................... 20 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器抑制低頻振蕩原理 ................................................................... 20 本章小結(jié) ............................................................................................................... 21 4 PSS 的設(shè)計(jì) .................................................................................................................... 23 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)原理 ............................................................................... 23 PSS 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) PSS 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) .............................................................. 24 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) ............................................. 25 本章小結(jié) ............................................................................................................... 26 V 5 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 MATLAB 仿真分析 ........................................................................... 27 簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的建立 ........................................................................................... 27 模型運(yùn)行仿真分析 ............................................................................................... 30 PSS 作用分析 .............................................................................