同步發(fā)電機電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設計

1、同步發(fā)電機電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設計學院：機電學院 班級：09電氣（4）班姓名：黃滿超學號：2009092725指導老師：柴兆森 摘要為了抑制低頻振動，通過對勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生輔助控制信號，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器常用來為同步機提供阻尼轉矩。電力系統(tǒng)是非線性和動態(tài)的。大量的傳統(tǒng)技術曾用來設計PSS，但其中大部分被組合地建立在線性模型的基礎之上。本文將基于同步控制理論提供一種非線性電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。PSS的同步綜合體完全基于電力系統(tǒng)的簡化非線性模型。至于規(guī)定的操作模式，負載變量的不變性以及電力系統(tǒng)參量和輸入變量變更的魯棒性，就是指同步控制理論漸進穩(wěn)定性。相同的情況下，與傳統(tǒng)PSS或者無PSS相比，現(xiàn)代PSS的動態(tài)特性在經(jīng)

2、典單機無窮大電力系統(tǒng)里深有研究。仿真結果表明，現(xiàn)代PSS在非線性動態(tài)系統(tǒng)中具有魯棒性，而且在阻尼振蕩方面比傳統(tǒng)PPS表現(xiàn)更好。關鍵字：電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，同步控制，非線性控制，單機無窮大電力系統(tǒng)。1. 簡介電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性問題，即動態(tài)安全可靠性問題，是電力系統(tǒng)運行的重要問題。如果電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性遭到破壞，就有可能造成一個或者數(shù)個大區(qū)域停電，使他們一時陷于癱瘓和混亂，嚴重時甚至危及全國，對人民生活及國民經(jīng)濟造成災難性損失。電力系統(tǒng)穩(wěn)定可分為三類：即暫態(tài)穩(wěn)定，靜態(tài)穩(wěn)定，動態(tài)穩(wěn)定。電力系統(tǒng)發(fā)展初期，靜態(tài)穩(wěn)定問題多表現(xiàn)為發(fā)電機與系統(tǒng)間的非周期失步。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展壯大，靜態(tài)穩(wěn)定問題越來越表現(xiàn)為發(fā)

3、電機或發(fā)電機群之間的等符或增幅性振蕩在系統(tǒng)的聯(lián)絡線上表現(xiàn)尤為突出。因此，改變電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，動態(tài)可靠性。過去今后仍然是一項艱巨的任務。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類的問題在有關文獻和教材中有不同的定義。自世紀起，國際上比較通用的是分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。靜態(tài)穩(wěn)定是指：在一個特定的穩(wěn)態(tài)運行條件下的電力系統(tǒng)，如果遭受到任何一個小干擾后，經(jīng)過一定時間，它能夠自動地恢復到或者靠近于小千擾前的穩(wěn)定運行條件。電力系統(tǒng)具有靜態(tài)穩(wěn)定，這是能夠正常運行的基本條件。靜態(tài)穩(wěn)定和控制理論敘述的小干擾穩(wěn)定定義是相同的。暫態(tài)穩(wěn)定是指：在一個特定的穩(wěn)態(tài)運行條件下的電力系統(tǒng)，如果遭受到一個特定的大的干擾后，能夠從原來的運行狀態(tài)不失

4、去同步地過渡到新的另一個允許的穩(wěn)態(tài)運行條件下的能力。當發(fā)電機受到大的干擾時（比如發(fā)生短路故障、切除大容量的發(fā)電機、輸電或變電設備等），能否繼續(xù)保持同步運行，就屬于暫態(tài)研究的問題了。作為改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要手段，發(fā)電機勵磁控制受到人們的極大關注。針對產(chǎn)生負值阻尼轉矩的原因，可以在勵磁調節(jié)系統(tǒng)中另外人為地引進某種附加控制信號補償這種相位滯后。當前大部分發(fā)電機配置了反應快，高增益調壓器和勵磁系統(tǒng)來自發(fā)控制端電壓。雖然通過增大同步機的同步轉矩來改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，但是發(fā)電機電壓校準功能對電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性有不利影響。電力系統(tǒng)內部存在微小低頻機電振動，而且持續(xù)很長一段時間，在某些情況下電力系

5、統(tǒng)的轉移性能甚至受到了限制?，F(xiàn)在能識別兩種類型的振蕩：一種是局部模式振蕩（12Hz范圍內），這和其它電力系統(tǒng)發(fā)電廠的發(fā)電機振動有關系;另一種內部模式振蕩（0.21Hz范圍內），這和系統(tǒng)某一特定區(qū)域而不是其它區(qū)域的許多機械振動有關系。因此，為了抑制這兩種震蕩，通過對勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生輔助控制信號，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器常用來為同步機提供阻尼轉矩。為了提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平和改善其動態(tài)品質，引入了上述勵磁系統(tǒng)附加控制傳統(tǒng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（）它在電壓作為反饋信號基礎上，引入一個輔助反饋信號（或廣泛使，）的二階超前校正環(huán)節(jié)，在一定程度上能抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常情況下，只能在某一給定運行方式和某一電網(wǎng)

6、振蕩頻率下設計參數(shù)，在參數(shù)設計選擇合適的情況下，可以改善系統(tǒng)阻尼特性和提高穩(wěn)定性。但是應該引起注意的是，由于電力系統(tǒng)具有模型非線性和干擾隨機性的特征，這種傳統(tǒng)控制方式存在著魯棒性差的問題。上述用的PSS，就是所謂的經(jīng)典電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（CPSS），是通過頻域內相位補償技術來設計，通過中位補償器來執(zhí)行的。而中位補償器的參量是基于一個線性化模型的電力系統(tǒng)基礎上確定的。為了在較寬的工作范圍內達到良好的阻尼效應，需要調整經(jīng)典電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（CPSS）的參量來應對這兩種類型的震蕩。由于電力系統(tǒng)是一個高度非線性的系統(tǒng)，而且它的配置和參量會隨時間而變化，基于電力系統(tǒng)的線性模型基礎上的CPSS的良好性能是不能在

7、一個高度動態(tài)的操作環(huán)境中得到保證的。因此，考慮到電力系統(tǒng)的非線性性質，能夠適應運行工況的變化的先進PSS是必要的。為了改善CPSS的性能引進了許多技術。通過在離線模式下優(yōu)化基于成本函數(shù)的特征值，智能優(yōu)化算法被用來確定最佳參數(shù)。由于這些方法基于線性化模型和參數(shù)，不能在線更新，因此它們在實際操作中缺乏令人滿意的效果。基于規(guī)則的模糊邏輯控制方法在規(guī)則參量的獲取和調整方面難以表示，尤其是在線上。最新的研究成果表明,開始越來越強調模糊控制系統(tǒng)與其他技術的結合使用,如神經(jīng)網(wǎng)絡增加適應性設計。然而,設計非常復雜。目前,大多數(shù)的非線性控制方法采用簡化模型以減少復雜的算法?？紤]到實際電力系統(tǒng)的復雜性,為了在大范

8、圍的操作條件下實現(xiàn)有效的魯棒控制，需要一種計算時間較少的更實際的模型。在本篇論文中，提出了一種基于同步控制理論的新型的非線性方法，明確利用電力系統(tǒng)綜合控制的一種非線性模型來克服上述的線性控制問題。一般而言，俄國學者首先提出了同步控制理論。最近,這一理論已成功應用在該地區(qū)的電力電子控制領域。同時,同步控制理論也被成功地應用于一個實際電池充電系統(tǒng)中。第二部分論述了利用同步控制理論來實現(xiàn)廠用控制器程序的總體設計過程。然后第三部分將論述一個單機無窮大電力系統(tǒng)的數(shù)學模型。第四部分介紹了基于同步控制理論電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設計。第五部分給出了現(xiàn)代PSS的和常規(guī)PSS性能比較的仿真結果。第六部分總結了論文。2.

9、同步控制合成過程基于同步控制理論的設計程序是綜合穩(wěn)壓器分析設計的。這個部分綜述了總體同步合成過程。一般來說，n維非線性動態(tài)系統(tǒng)可以用下式表示： （1） x向量為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，u為控制變量，t表示時間?？刂破鳟a(chǎn)生控制變量u，來按照預定的方式驅動系統(tǒng)動作。如（2）中所示，通過定義一個宏變量，來表示控制器的同步合成。 （2） 表示宏變量，表示系統(tǒng)狀態(tài)變量和獨立時間的用戶定義函數(shù)。同步控制器作用就是引導系統(tǒng)從多方面操作。 （3） 根據(jù)控制目標、時間設定、控制輸出限制等控制規(guī)則，設計者可以選擇宏變量的特點。在瑣碎情況下，宏變量可以是一個簡單的線型變量的線性組合。通過定義控制渠道盡可能多的宏觀變量，同樣

10、的過程是可以重復的。通過引入一個約束條件，如等式所示，這個宏變量可以按預期的方式演變。 (4)控制參量T表示閉環(huán)系統(tǒng)的收斂速度，通常規(guī)定閉環(huán)系統(tǒng)的宏變量值等于零。考慮到式法則的區(qū)別,可以得出： （5）把 (1)式和(2)式代入(4)式可得： （6）由上式可以解出u，控制函數(shù)可以寫為： (7)從(7)式可以看出控制的輸出不僅由系統(tǒng)的狀態(tài)變量決定，而且和選定的宏觀變量和時間常數(shù)T有關。換句話說，設計者可以選取一個合適的宏觀變量和時間常數(shù)T設計控制器的特點。在整合控制器時，多方面引入狀態(tài)空間域上的新約束，以及全局穩(wěn)定的工作條件下為系統(tǒng)降階。上述同步控制器的合成過程清楚地表明同步控制器可以工作在完全非

11、線性的系統(tǒng)，而且不像有傳統(tǒng)控制理論那樣，必須是線性或簡化系統(tǒng)模型。通過通過選取合適的宏觀變量，設計者可以從終端系統(tǒng)獲得以下有趣的特點：1.全局穩(wěn)定 2.參量敏感度3.噪聲抑制 有趣的是，同步控制理論多方面保證了全局穩(wěn)定。這意味著，即使在應對大信號變化時，系統(tǒng)也會達到流形上全局穩(wěn)定，而不會放任不管。這種情況，雖然確保該系統(tǒng)將保持降階的特點，但并不保證系統(tǒng)本身的全局穩(wěn)定。設計師有必要選擇一個合適的流形，使新型限制系統(tǒng)將具有必要穩(wěn)定的特點?？傊?，這里復雜電力系統(tǒng)自動合成控制理論的計算機程序是很容易實現(xiàn)的，或者對一個只含有少量狀態(tài)變量的簡單系統(tǒng)，可以手工實現(xiàn)。3.電力系統(tǒng)模型在這本文文中，所研究的是一

12、個簡化的動態(tài)的電力系統(tǒng)模型，即為單機無窮大（SMIB）電力系統(tǒng)模型，。SMIB系統(tǒng)，在本文中被稱為電廠（plant），它由同步發(fā)電機通過升壓變壓器和兩個平行的傳輸線連接到大電網(wǎng)組成，近似一個無窮大系統(tǒng)。同步發(fā)電機是由渦輪和調速器驅動，由外部的勵磁系統(tǒng)勵磁的。而勵磁系統(tǒng)由自動電壓調節(jié)器（AVR）和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）控制。SMIB電力系統(tǒng)（如圖1.所示）經(jīng)典單軸動態(tài)動態(tài)模型可以用下列方程式表示。（請注意，在這些方程中的變量和參數(shù)的定義在命名部分上。）圖1： 發(fā)電機的機械動力學方程 （8） （9）輸入機械功率在勵磁控制器的設計中被當做一個常量。也就是說，的調節(jié)范圍很小，不會對機動態(tài)產(chǎn)生明顯的影

13、響。 發(fā)電機的電動力學方程 （10）需要注意的是，假定在進行PSS設計時，PSS和AVR可以迅速地應用到勵磁系統(tǒng)的輸出上。與動態(tài)系統(tǒng)其余部分相比，電壓控制系統(tǒng)（包括AVR,PSS,和勵磁系統(tǒng)）是很快的，這正好驗證了假設。這也就是說，快速動作的勵磁系統(tǒng)時間常數(shù)遠低于系統(tǒng)的其余部分。這個假設意味著，非線性PSS的設計可以只考慮同步發(fā)電機的動態(tài)。 自動電壓調節(jié)器（AVR）的動態(tài)方程 電氣方程傳統(tǒng)的PSS框圖在這種情況下，發(fā)電機轉子速度偏差作為唯一穩(wěn)定的信號。CPSS由一個放大器，一個沖洗過濾器，兩個超前-滯后補償器，和一個畫匠。4. 基于同步控制理論的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設計由于PSS的主要目標是穩(wěn)定的

14、發(fā)電機的轉速，其中同步轉速與轉子速度的偏差是用來作為一個穩(wěn)定的信號。為了減弱功率振蕩，有電氣有功功率輸出也用來作為PSS的輸入。因此，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的同步合成開始通過定義一個宏變量。其中是一個正系數(shù)，和分別是旋轉角速度和電氣有功功率的參考值。同步控制器的目的就是引導系統(tǒng)在=0下動作。其中是一個預定義的控制器參數(shù)，表明了在=0時閉環(huán)系統(tǒng)的收斂速度。我們可以得到：根據(jù)鏈規(guī)則的不同，表達式表示電力系統(tǒng)穩(wěn)定器預期的控制動作。控制定理（25）使狀態(tài)變量的軌跡必須滿足方程式（20）。根據(jù)這個方程，在=0，為時間常數(shù)時，軌跡收斂。=0后一直保持不變。因此，狀態(tài)軌跡從此以后滿足方程這個方程建立了兩個輸出變量w

15、和之間的線性關系，從而減少了一個系統(tǒng)參數(shù)。按這種方式動作，使其軌跡最終收斂到預期的穩(wěn)定狀態(tài)：w=，=?？刂圃碓谙嗥矫娴膸缀伪硎救鐖D3所示。穩(wěn)態(tài)工作點就是原點，此處的誤差為零?？刂品匠蹋?7）表示一條斜率為1/，且通過原點的直線。系統(tǒng)工作點沿著這條直線（收斂條件）收斂，然后隨著直線到達原點。值得注意的是，穩(wěn)態(tài)量雖然作為發(fā)電系統(tǒng)的輸出變量，但它實際是狀態(tài)空間中狀態(tài)變量的組合。5.數(shù)值仿真結果為了研究所述的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的效果，對單機無窮大電力系統(tǒng)進行了仿真，用了大量的干擾來測試這個系統(tǒng)。，為了簡潔起見，我們設定了以下三個典型方案：方案1）：三相短路故障方案2）：參考端電壓階躍變化方案3）：輸入機

16、械功率的階躍變化在每個方案中，都研究了三種情況，并做了比較（與所研究的PSS，與傳統(tǒng)的PSS，和沒有PSS）.同時把PSS的輸出極限設為0.1pu。同步PSS的參數(shù)如下：=0.1s，=0.1.初始的工作條件如下： 在這個仿真案例中，單機無窮大系統(tǒng)在0s發(fā)生三相短路故障。當故障被清除時，其中一條并行傳輸線在0.1s內被切斷。發(fā)電機的轉子轉過的角度，旋轉角速度偏差，電氣有功功率輸出，端電壓，三相短路故障時PSS的輸出等的響應發(fā)生故障時，端電壓大概下降到0.45pu，而電氣功率下降到零。從仿真結果可以看出，故障被清除后，沒有PSS的方案系統(tǒng)遭受了一次大震蕩，而有傳統(tǒng)PSS的方案中，系統(tǒng)震蕩發(fā)生了衰減。同時我們也可以看到，在所研究的PSS方案中，系統(tǒng)震蕩更小，衰減更快。在故障傳輸線被切斷后，功角最終增大到460，端電壓略有增加。仿真結果表明：所研究PSS的工作效果遠比沒有PSS的系統(tǒng)好得多。甚至在抑制震蕩方面比傳統(tǒng)PSS更有效。6.結束語本文基于同步控制理論提出了一種設計單機無窮大電力系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的非線性方法。這種方法利用電力系統(tǒng)綜合控制的非線性模型，解決了線性控制問題。從理論上講，對于必要的工作模式 ，負載變化的不變性，輸入變量和電力