【正文】 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。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。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。經(jīng)過分析和研究，這些低頻振蕩有的是由勵(lì)磁系統(tǒng)的負(fù)阻尼作用引起的，還有的是由于遠(yuǎn)距離輸電線路中的串聯(lián)補(bǔ)償電容(1040Hz)引起的。負(fù)反饋以提高電力系統(tǒng)阻尼，稱為 PSS，開始主要在西部系統(tǒng)采用，近年來 GE 公司、西屋公司等制造廠生產(chǎn)的大型發(fā)電機(jī)都提供 PSS， 己成為勵(lì)磁裝置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS 的設(shè)計(jì)與仿真 2 的一個(gè)必備的部分，廣泛用于各系統(tǒng)中。 原蘇聯(lián)實(shí)際上在 50 年代就開始采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，不過那時(shí)沒有 PSS 的名稱，當(dāng)時(shí)采用的附加反饋為發(fā)電機(jī)定子電流 及其微分，成為強(qiáng)力式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。未明確提出低頻振蕩和阻尼力矩的概念 。 PSS 己成為加拿大電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)必需的一個(gè)組成部分，如果 PSS 退出，某些發(fā)電機(jī)的出力將限制在 50%左右。輸電 線路阻抗增加大約 30%。 日本為了增加系統(tǒng)阻尼， 80 年代大部分主力機(jī)組均己安裝 PSS，對于快速勵(lì)磁的中小型機(jī)組，部分采用雙通道調(diào)節(jié)器，即在小千擾時(shí)響應(yīng)速度慢，以減小負(fù)阻尼 :大干 擾時(shí)響應(yīng)速度快，以提高暫態(tài)性能。 澳大利亞 1973 年在土木特電站發(fā)生了不衰減功率振蕩，當(dāng)時(shí)采取的措施是減負(fù)荷及增加發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁。在一段時(shí)間內(nèi)限制了發(fā)電機(jī)出力，這促使實(shí)行早己提出配置 PSS 的建議。 現(xiàn)在 PSS 己被認(rèn)為是發(fā)電機(jī)整體不可分割的一個(gè)部分，每臺(tái)大型發(fā)電機(jī)投運(yùn)時(shí)必須有 PSS，并需進(jìn)行合適的調(diào)整。②配置 PSS。國內(nèi)第 一臺(tái) PSS 于 1980 年在八盤峽電廠投入運(yùn)行。 1984 年初，由于香港青山電廠 350MW機(jī)組高功率因數(shù)運(yùn)行，致使廣東至香港聯(lián)絡(luò)線發(fā)生低頻功率振蕩， 1984 年底在青山電廠機(jī)組配置了 PSS 后，解決了當(dāng)時(shí)的低頻振蕩問題。 PSS 經(jīng)過 多年的發(fā)展己經(jīng)在國內(nèi)外取的了廣泛的應(yīng)用，已先后有多種控制方法用于 PSS 的設(shè)計(jì)，如最優(yōu)控制、模式分析、根軌跡靈敏度分析或幾種方法的組合應(yīng)用等。許多專家和學(xué)者在 PSS的魯棒性方面做了大量的研究，并取得了一些令人滿意方法。文獻(xiàn) [17]. [18]通過詳細(xì)的仿真分析和理論分析說明發(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。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制，模糊控制。但是這些控制方法雖然適合電江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 力系統(tǒng)的非線性特性，設(shè)計(jì)出來的穩(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。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。 20xx 年，我國電網(wǎng)運(yùn)行與控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)制定的 DL75520xx《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)幾乎時(shí)時(shí)刻刻都受到小的干擾。 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)過暫態(tài)過程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來的狀態(tài)。所以說如果一個(gè)系統(tǒng)在受到大干擾的情況下還能過恢復(fù)到以前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，我們就說這個(gè)系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。由此可以看出來，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)以及干擾的情況有關(guān)系，也就是說，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。這種時(shí)間的長短和系統(tǒng)的本身的本身的運(yùn)行狀況和擾動(dòng)的大小有關(guān)系。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。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。這時(shí)候動(dòng)力設(shè)備中的過程將影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程。 當(dāng)前，電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行趨勢產(chǎn)生了新的類型的穩(wěn)定性問題。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。以此為起點(diǎn)各國建設(shè)了多條試驗(yàn)性高壓直電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS 的設(shè)計(jì)與仿真 4 流輸電技術(shù)。這些工程給我們的生活帶來了很多的方便，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)的靜態(tài)穩(wěn)定性 qM dEUPX? (11) 提高功率極限就要盡可能的提高 qE 和 U ，減小電抗 dX 。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。一般來說，串聯(lián)電容補(bǔ)償度 cK 越大，線路等值電抗越小， 對電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性越有利。首先，短路電流不能過大。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。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。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)的電流和電壓無法控制地上升，直至發(fā)電機(jī)磁路飽和為止 。 下面我們來介紹一下怎么樣來提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。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。 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。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。 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。 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。 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)。 PPⅠa00?cr? ?PⅡPⅢbcdek ’lim?c?PTfgP’Ⅱ 圖 11 有電氣制動(dòng)的曲線 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。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)勢已不是很明顯。且由于變壓器容量的變更比交流勵(lì)磁機(jī)的變更更 簡單、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)定水平對勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)的不同要求。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，可靠性相對較低，運(yùn)行維護(hù)量大。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，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定不利。 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。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS 的設(shè)計(jì)與仿真 6 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)定為研究內(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。推導(dǎo)了簡單系統(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。 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。要想電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，每一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該是穩(wěn)步運(yùn)行的，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生了故障，都會(huì)對電力系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。以免造成更大的損失。 下圖是一個(gè)單機(jī)無限大母線系統(tǒng)的示意圖 調(diào)速器 汽輪機(jī)電壓調(diào)節(jié)器TVTV ?V? 圖 21 單機(jī)無限大母線系統(tǒng)示意圖 電力系統(tǒng)是一個(gè)非常 龐大的系統(tǒng)，以比較低的成本來使系統(tǒng)的順利運(yùn)行是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，如果能解 決這一問題，將給我國的國民經(jīng)濟(jì)做出很大的貢獻(xiàn)。 帕克變換 帕克變換實(shí)際上以實(shí)際繞組變量規(guī)定出一組新的定子變量，如電流、電壓或者磁鏈 。 圖 22 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS 的設(shè)計(jì)與仿真 8 從數(shù)學(xué)意義上講， 帕克 變換沒有什 么，只是一個(gè)坐標(biāo)變換而已，從 abc 坐標(biāo)變換到 dq0 坐標(biāo)， ua,ub,uc,ia,ib,ic,磁鏈 a,磁鏈 b,磁鏈 c 這些量都變換到 dq0 坐標(biāo)中。對于穩(wěn)態(tài)來說，這么一等效之后， iq,id正好就是一個(gè)常數(shù)了。它感應(yīng)一個(gè)電動(dòng)勢落后與該磁鏈90 度。 對于電壓或者磁鏈也可以用與上述相似的表達(dá)式寫出；例如， 0dq abcV PV? (25) abcodq P?? ? (26) 如果變換 P 是唯一的，逆變換也存在，因而可以寫出 1 0abc dqi P i?? (27) 那么 1P? 可以用下列的式子來表示 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 11c os si n22 1 2 2c os si n3 3 321 2 2c os si n332P???????????????? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ??? (28) 并且我們注意到了 1 tPP? ? ， 表明變換 P 是正交變換 。所以無論是 0 dq??還是 abc?? 都可以用同樣的 功率表達(dá)式。 39。 39。3 0 0 011q F Dq d d dKEEK T T TE ??? ? ?? ? ? ? ? (210) 39。39。0 0 01 39。 |e I e q a q e q eqTK K R E I R x xE ??? ????? ? ? ? ????? (214) 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS 的設(shè)計(jì)與仿真 10 ? ?? ?3 39。 39。39。05 0 000 39。 06 39。1Ie q e d eK R x x x x? ? ? ? (219) 39。0 0 0()qa q q d dE E x x I? ? ? (220) dx ：直軸同步電抗 qx ：交軸同步電抗 39。qx ：交軸同步電抗 e t lR R R?? ：變壓器和輸電線的總電阻 e t lx x x?? ：變壓器和輸電線的總電抗 ? ：無限大母線電壓與參考軸的夾角 ? ：發(fā)電機(jī)交軸與參考軸的夾角 V? ：無限大母線的電壓 TV ： 發(fā)電機(jī)端電壓 dV ： TV 的直軸分量 qV ： TV 的交軸分量 dI ：電樞電流的直軸分量 qI ：電樞電流的分軸分量 39。qE ： 對應(yīng)磁場磁鏈的定子電勢 FDE ：對應(yīng)磁場電壓的定子電勢 ? ： 角頻率 mT ： 發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率 下面是發(fā)電機(jī)的線性化模型方框圖 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 ? ? ?FDE?? STKK d39。qE1K5K6K4K2KST J1SB?? ????? ??mT 1eT 2eT aT ? ? TV? 圖 23 同步發(fā)電機(jī)線性化模型圖 勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 在我國長期以來分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性都是以暫態(tài)電抗（ 39。為了提高我國勵(lì)磁系統(tǒng)的精確程度，我國專家研究出了新的一種勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 調(diào) 節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)可以運(yùn)用一階滯后環(huán)節(jié)來表示： ? ?FD e R T F D eE K V V E T? ? ? ????? (221) 444444FDFD FD FDFDC E CE E C E CC E C???? ? ? ??? ? ??? (222) 其中 eK ：放大倍數(shù) eT ：時(shí)間常數(shù) RV ：端電壓的整定值 4C ： FDE 的頂值倍數(shù) 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS 的設(shè)計(jì)與仿真 12 STKee?1TVRV ??? FDE4C 4C? 圖 24 勵(lì)磁系統(tǒng)方框圖 FDE 有一個(gè)非線性的限幅環(huán)節(jié)，在小干擾的情況下，由 于勵(lì)磁電壓達(dá)不到頂值，可以不用考慮這個(gè)非線性環(huán)節(jié)。65 1e R T F D ee e eq F D Re e e eK V V E TFDK K K K KE E VT T T TE??? ? ?? ? ? ?? ? ?????? ? ? ? ? (223) 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖可以用下列的表示 R??*3uSTKSg?1 ST rh?111M0M2C1C2MST ch?1139。3 231 rhM M M T?? ??? ? ??? (226) 39。? ：高壓汽缸功率占汽輪機(jī)總功率的比率 1C 、 2C ：調(diào)速器輸出信號(hào)的限幅值 總結(jié)上述的結(jié)果可以得到電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型