PSS在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性中的應(yīng)用仿真開(kāi)題報(bào)告

1、-、選題的目的及研究意義電力系統(tǒng)的發(fā)展，互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越大。如此的發(fā)展趨勢(shì)在給電力系統(tǒng)以巨大的 技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也使得穩(wěn)定性破壞事故所波及的范圍更加廣泛，電力市場(chǎng)的日益開(kāi) 放會(huì)使運(yùn)行方式更加靈活多變，對(duì)穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)性判斷要求更高。與此同時(shí)，由于受到環(huán)境 和經(jīng)濟(jì)等因素的制約，區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)距離大容量輸電系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行更加接近 極限狀態(tài)，這使得電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題日趨嚴(yán)重，電力系統(tǒng)一旦失去穩(wěn)定，往往造成大范 圍、較長(zhǎng)時(shí)間停電，在最嚴(yán)重的情況下，則可能使電力系統(tǒng)崩潰和瓦解，因此，準(zhǔn)確、快速 地分析電力系統(tǒng)在擾動(dòng)下的穩(wěn)定性行為，必要時(shí)采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的 要求，是

2、電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行人員最重要也是最復(fù)雜的任務(wù)之一。從技術(shù)和安全上考慮直接進(jìn)行電力試驗(yàn)可能性很小，迫切要求運(yùn)用電力仿真來(lái)解決這些 問(wèn)題依據(jù)電網(wǎng)用電供電系統(tǒng)電路模型要求。因此，利用MATLAB的動(dòng)態(tài)仿真軟件Simulink搭 建了單機(jī)一無(wú)窮大電力系統(tǒng)的仿真模型，能夠滿足電網(wǎng)在其可能遇到的多種故障方面運(yùn)行的 需要。二、綜述與本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、研究方法及應(yīng)用領(lǐng)域等實(shí)際上，如何保證和提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是從多個(gè)方面進(jìn)行考慮的。在系統(tǒng)規(guī)劃階段 應(yīng)合理選擇發(fā)電廠廠址，采用合理的輸電方案以及配置相應(yīng)的保護(hù)和自動(dòng)裝置等。在運(yùn)行管 理方面，控制中心對(duì)運(yùn)行方式的良好安排也有助于保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)

3、定運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)遭 受擾動(dòng)后，施加控制是改善和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)有效的方法之一，而嚴(yán)重故障后的 緊急控制措施可將由于安全性破壞而對(duì)系統(tǒng)造成的影響減小到最低程度。目前暫態(tài)穩(wěn)定分析的基本方法可分為兩類：數(shù)值解法和直接法。數(shù)值解法（時(shí)域仿真法）是暫態(tài)穩(wěn)定分析基本方法，它以穩(wěn)態(tài)工況或潮流解為初值，對(duì) 上述方程組聯(lián)立求解或交替求解，逐步求得狀態(tài)量和代數(shù)量，并根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子搖擺曲線 來(lái)判定系統(tǒng)在擾動(dòng)下能否保持同步。目前時(shí)域仿真法主要采用的數(shù)值計(jì)算方法包括顯式積分法和隱式積分法。前者包括歐拉 法、龍格一庫(kù)塔法和線形多步法等。后者包括改進(jìn)的歐拉法和隱式積分法。歐拉法的精度低， 數(shù)值穩(wěn)定性較差，一般適用于

4、簡(jiǎn)單模型和較短的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間。龍格一庫(kù)塔法擬合了泰勒 級(jí)數(shù)的高階項(xiàng)，具有比較高的精度，數(shù)值穩(wěn)定性好。它的缺點(diǎn)是計(jì)算量大，計(jì)算速度慢。線 形多步法精度高，運(yùn)算量比龍格一庫(kù)塔法小，但計(jì)算結(jié)果受初始值的影響較大，需要選擇適 當(dāng)?shù)钠鸩剿惴▉?lái)保證其精度。改進(jìn)的歐拉法用隱式積分校正歐拉法的結(jié)果，精度比歐拉法有 所提高。隱式梯形積分法在聯(lián)立求解微分一代數(shù)方程時(shí)可以消除交接誤差，具有較好的數(shù)值 穩(wěn)定性，可以采用較大的步長(zhǎng)。雖然時(shí)域仿真法可以考慮電機(jī)的詳細(xì)模型，而且能夠得到足 夠準(zhǔn)確的結(jié)果，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，時(shí)域仿真法的計(jì)算量將很大，計(jì)算速度不能滿足 在線監(jiān)測(cè)和控制的要求，并且其不能定量給出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度

5、。所以對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研 究致力于尋找一種快速、準(zhǔn)確、實(shí)用的暫態(tài)分析算法。我國(guó)電力科學(xué)界對(duì)穩(wěn)定分析的直接法 與快速算法的研究大致始于80年代，其中最早發(fā)表的一篇是夏道止與Heydt等人關(guān)于分解- 聚合法在線穩(wěn)定的研究。隨后有電力部電力科學(xué)研究院傅書(shū)遇等人關(guān)于PEBS法的研究：清 華大學(xué)倪以信與美國(guó)Fouad等人對(duì)UEP法的直流輸電模型與勵(lì)磁系統(tǒng)模型的研究：1988年 我國(guó)學(xué)者南京電力自動(dòng)化研究院薛禹勝與比利時(shí) Pavella教授等人提出了擴(kuò)展等面積法 （EEAC法），將多機(jī)系統(tǒng)變成等值兩機(jī)系統(tǒng)，利用等面積準(zhǔn)則和泰勒展開(kāi)式導(dǎo)出臨界切除時(shí) 間和穩(wěn)定裕度的解析式，根據(jù)這一解析在注入空間定義穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定

6、域，推算聯(lián)絡(luò)潮流的穩(wěn)定極 限。近年來(lái)該法經(jīng)不斷完善，已擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)EEAC法，使得計(jì)算精度大大提高。到了 90年 代，直接法與快速算法的研究尤為活躍，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)郭志忠，柳焯等人用高階Taylor 級(jí)數(shù)研究快速暫穩(wěn)計(jì)算問(wèn)題,上海交通大學(xué)劉笙等人關(guān)于PEBS法復(fù)雜模型的研究，東北電力 學(xué)院蔡澤祥和清華大學(xué)倪以信等人關(guān)于快關(guān)氣門、電氣制動(dòng)和切機(jī)問(wèn)題的研究等，都使得直 接發(fā)在線穩(wěn)定分析的研究進(jìn)一步走向?qū)嵱没?。此外，關(guān)于應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、災(zāi)變理論和熵 網(wǎng)絡(luò)理論的研究也有不少論文發(fā)表。李雅普諾夫穩(wěn)定性理論在1892年提出的，它是從一個(gè)古典力學(xué)的概念發(fā)展而來(lái)。1947 年美國(guó)學(xué)者M(jìn)agnusson提出將

7、其應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析領(lǐng)域當(dāng)中。1958年，Aylett 提出了用于多機(jī)系統(tǒng)的能量積分準(zhǔn)則。1966 年, Gless和E1-Abiad等人又提出了不計(jì)電網(wǎng)中 轉(zhuǎn)移電導(dǎo)的李雅普諾夫函數(shù)。自上世紀(jì)70年代后，用李雅普諾夫法研究直接法穩(wěn)定分析得 文章逐漸增多，初期的研究只要集中于用不同的方法建立運(yùn)用于電力系統(tǒng)的李雅普諾夫函數(shù) （V函數(shù)）和如何求不穩(wěn)定平衡點(diǎn)（UEP）的方法，但是早期研究未計(jì)入故障地點(diǎn)和轉(zhuǎn)移電 導(dǎo)的作用，所以計(jì)算結(jié)果偏于保守。1978年日本學(xué)者Kakimoto等人首次提出了勢(shì)能界面法（PEBS）法，直接利用持續(xù)的故 障軌跡求取臨界勢(shì)能，從而求取臨界切除時(shí)間CCT，省去了求UEP

8、的麻煩，使得速度大大加 快。1979年Athay等人提出的能量函數(shù)第一次計(jì)入了故障地點(diǎn)和轉(zhuǎn)移電導(dǎo)的作用，使得能量 函數(shù)法在客服保守性方面邁出了重要的第一步。20世紀(jì)80年代以后，Michel等人提出了單機(jī)能量法。Fouad等人在動(dòng)能修正、能量裕度 以及求解相關(guān)UEP等方面作了大量研究工作進(jìn)一步豐富和發(fā)展了暫態(tài)能量函數(shù)法的理論和 方法。Padiyar等人給出了能夠計(jì)入詳細(xì)發(fā)電機(jī)，模型和復(fù)合模型的拓?fù)淠芰亢瘮?shù)。1988年 Chiang和Zaborsky等人提出了穩(wěn)定域的概念，對(duì)勢(shì)能界面法進(jìn)行了理論分析，并提出了使 勢(shì)能界面法計(jì)算準(zhǔn)確的條件。1991年Chiang等人在其穩(wěn)定域理論的基礎(chǔ)上，又提出了

9、 BCU 法（將UEP法和PEBS法結(jié)合起來(lái)的方法），是UEP法的實(shí)用化又進(jìn)了一步。本文采用了 Matlab 軟件對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行了仿真分析，運(yùn)行于Simulink下的PSB（Power System Blockset）是針 對(duì)電力系統(tǒng)的工具箱，從Matlab6.0開(kāi)始它被重新命名為SPS（SimPowerSystems）該工具箱的 研究領(lǐng)域是用微分方程刻畫(huà)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，如電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)分析以及電力電子 設(shè)備的仿真。MATLAB SPS提供了豐富的電力及電氣系統(tǒng)元件模型，可以快速地組建仿真模型, 從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，效率高并且靈活方便。三、對(duì)本課題將要解決的主要問(wèn)題及解決問(wèn)

10、題的思路與方法、擬采用的研究方法（技術(shù)路線） 或 設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）方案進(jìn)行說(shuō)明目前電力系統(tǒng)普遍采用在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上附加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的附加勵(lì)磁控制方案。 它能有效地增強(qiáng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的阻尼，抑制低頻振蕩的發(fā)生，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 的最經(jīng)濟(jì)和最有效的的措施。因?yàn)楹芏嘁蛩貙?dǎo)致電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真研究將不能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬得 以實(shí)現(xiàn)。所以可以首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究來(lái)判斷其設(shè)計(jì)的可行性，它的突出優(yōu)點(diǎn) 是可行、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。并且Matlab電力系統(tǒng)工具箱中包含有很多豐富的模塊，所以使用起 來(lái)更加的靈活方便。MATLAB SPS提供了豐富的電力及電氣系統(tǒng)元件模型在Simulink運(yùn)

11、行 環(huán)境下，用戶只需應(yīng)用鼠標(biāo)拖放的方式將所需電氣元件的模塊添加到模型編輯窗口，并將它 們連接起來(lái)，就可以快速地組建仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算，用SPS提供的模塊 構(gòu)建一個(gè)單臺(tái)發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)線路與無(wú)窮大功率母線相連的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)，即單機(jī)一無(wú)窮大系 統(tǒng)的Simulink仿真模型.本設(shè)計(jì)在分析低頻振蕩的產(chǎn)生機(jī)理及發(fā)電機(jī)附加勵(lì)磁控制對(duì)低頻振蕩的抑制原理的基礎(chǔ) 上，通過(guò)對(duì)一個(gè)典型的單機(jī)一無(wú)窮大系統(tǒng)在不同擾動(dòng)方式下的動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真，研究附加勵(lì)磁 控制（PSS）對(duì)電力系統(tǒng)低頻振蕩及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響。吳天明.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析M.國(guó)防工業(yè)出版社,2007孟祥忠王博.電力系統(tǒng)自動(dòng)化M.北京：北京

12、大學(xué)出版社，2006劉笙.電氣工程基礎(chǔ)M.北京：科學(xué)出版社,2002文峰.現(xiàn)代發(fā)電廠概論M.北京：中國(guó)電力出版社,1999黃益莊.變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)M.北京：中國(guó)電力出版社,2001于永源.電力系統(tǒng)分析M.北京：中國(guó)電力出版社,2007馬永翔.高電壓技術(shù)M.北京：北京大學(xué)出版社,2009馬永翔王世榮.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)M.北京：北京大學(xué)出版社,2006陳德樹(shù).計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)原理與技術(shù)M.北京：中國(guó)水利水電出版社,2000陳慶紅.變電運(yùn)行M.北京：中國(guó)電力出版社,2005劉同娟，郭鍵，劉軍.MATLAB建模仿真及應(yīng)用M.北京：中國(guó)電力出版社，2009電力工業(yè)部西北電力設(shè)計(jì)院.電氣工程設(shè)計(jì)手冊(cè)電氣一次部分M.北京：中國(guó)電力出版 社，1998RobertH.Miller,PowerSystemOperation,McGraw-HillBookCompany M,NewYork.1983Ata.Elahi.Nerwork Communicationas TechnologyM北京：科學(xué)出版社，2001Naildu MS. etal. Hing-