《電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計與仿真研究》16000字（論文）

I電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計與仿真研究摘要由于電力系統(tǒng)越來越趨于復(fù)雜化，所帶來的頻率振蕩對電力系統(tǒng)帶來了許多危害，給我國經(jīng)濟造成了巨大的損失，并且對生產(chǎn)生活的影響也逐漸增大。為了保證電網(wǎng)的安全運行，并且能夠確保電能質(zhì)量，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的研究成為了今后發(fā)展道路上重要的一環(huán)。該篇論文從一開始就介紹了電力系統(tǒng)穩(wěn)定最核心的部分，并且還介紹了發(fā)電機當(dāng)中勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及它的用途，并推導(dǎo)出了勵磁系統(tǒng)對同步發(fā)電機振蕩的影響。之后，依據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)，將有關(guān)同步發(fā)電機的電壓與磁鏈方程介紹出來，并從中分析出了有關(guān)簡單系統(tǒng)同步發(fā)電機的電磁功率及它的轉(zhuǎn)子運動方程。針對電力系統(tǒng)的特點，分析了系統(tǒng)產(chǎn)生負阻尼以及低頻振蕩發(fā)生的原因。在之前的分析中我們運用了所學(xué)的MATLAB知識，將其建模，并且從中得出有效結(jié)論，對比電力系統(tǒng)中PSS的參與與否的運行狀態(tài)，具體分析PSS對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的作用及其使用的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)穩(wěn)定；同步發(fā)電機；低頻振蕩；負阻尼；電力系統(tǒng)穩(wěn)定器目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 ⅰ1緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.3電力系統(tǒng)穩(wěn)定 51.4本文研究主要工作 62勵磁自動控制系統(tǒng) 62.1勵磁自動控制系統(tǒng)的組成 72.2勵磁自動控制系統(tǒng)的任務(wù)及作用 82.3勵磁自動控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響 93同步發(fā)電機方程 103.1同步發(fā)電機的電壓方程 113.2同步發(fā)電機的磁鏈方程 123.3同步發(fā)電機的電磁功率方程 153.3.1隱極式發(fā)電機的電磁功率方程 153.3.2凸極式發(fā)電機的電磁功率方程 173.4同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程 183.4.1同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程 183.4.2同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程的研究意義 194電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的基本介紹 204.1電力系統(tǒng)穩(wěn)定器簡介 204.2電力系統(tǒng)弱阻尼產(chǎn)生原因 214.3低頻振蕩簡介 214.4電力系統(tǒng)穩(wěn)定器抑制低頻振蕩原理 225PSS的設(shè)計 235.1電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計原理 235.2PSS網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計 236電力系統(tǒng)穩(wěn)定器MATLAB仿真分析 246.1簡單電力系統(tǒng)的建立 246.2模型運行仿真分析 266.3PSS作用分析 29參考文獻 30

1緒論1.1課題研究背景及意義隨著我國的經(jīng)濟實力開始逐漸變得強盛，我國國民的經(jīng)濟開始飛速發(fā)展，國民的生活水平也因此逐步提高，我國國民的用電需求也日益增長，在此基礎(chǔ)上，為了供應(yīng)國民們的生活用電，我國的電力供應(yīng)要求也開始增高。但是，我國是一個幅員遼闊的大國，地形地勢錯綜復(fù)雜，并且，我國的各類資源的出產(chǎn)地非常的不均勻，這些原因?qū)е铝宋覈跇?gòu)建電力系統(tǒng)的路上，能源調(diào)配勢必會是一道難以突破的關(guān)口。而為了緩解越發(fā)緊張的供電需求，用電區(qū)域不均的狀況，我國采取了多種措施，其中，擴大電網(wǎng)規(guī)模、加強電網(wǎng)建設(shè)是我們選擇改善用電需求的主要措施，隨著電力網(wǎng)絡(luò)的擴大以及各類高倍數(shù)、快速度勵磁系統(tǒng)的廣泛使用，電力網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)勢必也會錯綜復(fù)雜。在電力系統(tǒng)變得復(fù)雜起來之后，我國的各大電力系統(tǒng)之間的相互連接也因此變得越來越緊密。而伴隨著三峽輸變電工程的完成，我國最大型的水利樞紐也宣告建立。而在此之前我國的發(fā)電及全國聯(lián)網(wǎng)工程，全國互聯(lián)大電網(wǎng)早已完成建立，才能夠成功的負擔(dān)起三峽水利樞紐工程這一重荷。由此可見，將原本獨立的電力網(wǎng)絡(luò)組合成一個大電網(wǎng)是電力系統(tǒng)將來要走上的道路。不過，在系統(tǒng)之間開始互相連接和各種新興科技的應(yīng)用，讓電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。并且，因為經(jīng)濟的局限和國家政策管理所帶來的一部分問題，也需要電力系統(tǒng)維持在被要求的運行區(qū)間內(nèi)運行。由這些問題導(dǎo)致的新的電力系統(tǒng)問題，如低頻振蕩，將會代替老舊的問題變?yōu)橛绊戨娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定和安全的新的主要因素。面對規(guī)模龐大的電力系統(tǒng)及其將來的發(fā)展需要，各路的設(shè)計者和建設(shè)者們已經(jīng)高度的關(guān)注，在今后能穩(wěn)定運行所面臨的問題。為了解決與改善當(dāng)今電力系統(tǒng)的各類問題，其中最主要的，需要在運行的可靠性與經(jīng)濟性兩方面入手。此中，運行可靠性又涵括了有如下兩大類:其一，在選擇發(fā)電廠與變電站的接線圖的同時，還要滿足有關(guān)事故方面的損失數(shù)據(jù)處于最低值。這一類電力系統(tǒng)問題可以統(tǒng)稱為靜態(tài)可靠性問題。但是想要改善電力系統(tǒng)運行還需要在另一個更為重要的可靠性問題——電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性這個點上去做研究，即怎樣控制電力系統(tǒng)在小擾動和大擾動的干擾下，做到減少振蕩對用戶的不利影響，并且能夠讓所有系統(tǒng)的發(fā)電機組保持同步運行狀態(tài)。而這一類電力系統(tǒng)的問題被命名為動態(tài)可靠性問題。因為電力系統(tǒng)在運行時需要保持穩(wěn)定，即動態(tài)可靠性問題是電力系統(tǒng)在正常工作時的重要問題。當(dāng)破壞了大型電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行狀態(tài)，就可能導(dǎo)致大區(qū)域的停電，使當(dāng)?shù)叵萦诎c瘓和混亂之中，如果不能夠在短時間內(nèi)解決問題，就會使聯(lián)絡(luò)線產(chǎn)生過電流而引發(fā)跳閘或者系統(tǒng)與系統(tǒng)或機組與系統(tǒng)之間失去同步而切斷它們之前的聯(lián)系，使大面積地區(qū)停電癱瘓，對電力網(wǎng)絡(luò)的安全運行影響深遠，嚴重時甚至?xí)乙约叭嗣裨斐蔀?zāi)難性損失。電力系統(tǒng)穩(wěn)定為了方便區(qū)分，分為三種穩(wěn)定形式，即靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、以及動態(tài)穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)發(fā)展剛開始的時期，系統(tǒng)和發(fā)電機之間的非周期失步等靜態(tài)問題為當(dāng)時出現(xiàn)的主要問題。但隨著電網(wǎng)的不斷擴大，發(fā)電機或發(fā)電機群之間的等幅性振蕩或增幅性振蕩問題發(fā)生的越來越多，逐漸的成為靜態(tài)穩(wěn)定問題的主流問題，這類問題在系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線上體現(xiàn)的更為明顯。我國第一次發(fā)現(xiàn)低頻振蕩問題是在20世紀90年代的廣東——香港聯(lián)合系統(tǒng)，之后這類低頻振蕩現(xiàn)象在湖南、湖北一帶的互聯(lián)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了不少次數(shù)。從低頻振蕩現(xiàn)象發(fā)生至今，電力系統(tǒng)失衡的事使我國的經(jīng)濟損失巨大，并且對國民的生活質(zhì)量和社會穩(wěn)定有非常大的影響，這些損失更難以用數(shù)據(jù)表達。因此，讓電力系統(tǒng)的運行能夠長延不息，是過去，現(xiàn)在及未來要致力研究的重大任務(wù)。在如今為了針對這類振蕩，總結(jié)了兩類對策，即一次系統(tǒng)對策和二次系統(tǒng)對策。一次系統(tǒng)對策有:直流輸電、減少送受兩端之間的電氣距離、減少重負荷輸電線以及在輸電線上裝設(shè)FACTS（FlexibleACTransmissionSystem）元件。與一次系統(tǒng)不同的是，二次系統(tǒng)的對策采用附加控制裝置，并適當(dāng)修改其參數(shù)使之能夠增加抑制低頻振蕩的阻尼力矩，來減小振蕩的對策。而這種方法通常就是裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS（PowerSystemStabilizer）。在我國第一種方法因為各類原因難以實現(xiàn)，且第二種方法已經(jīng)擁有不小的研究成就，其經(jīng)濟效益顯著、技術(shù)也較為成熟，所以這類采用附加控制裝置已成為抑制低頻振蕩的核心方法。有關(guān)電力系統(tǒng)的安全性和可靠性的考量上，并且考慮其中的經(jīng)濟效益，要對低頻振蕩問題加以重視，加強對這些問題的監(jiān)控，做到快速、高效的解決問題，以保證電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行，而要做到以上這些，我們需要繼續(xù)研究與發(fā)展電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）被創(chuàng)造并且發(fā)展至今，是整個電力行業(yè)科學(xué)技術(shù)的一項瑰寶，對于世界各國電力系統(tǒng)的發(fā)展有著深遠的影響。它的出現(xiàn)不只是理論方法的構(gòu)造和設(shè)計的創(chuàng)新，而且也與電力工作者的長期實踐經(jīng)驗有關(guān)，它是通過理論與實踐相融合而得出的產(chǎn)物。有關(guān)改進發(fā)電機從而改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的各方法中，勵磁系統(tǒng)作為非常重要的部分之一，具有簡單且經(jīng)濟的特點。以勵磁控制方式來控制低頻振蕩的方法主要有三大類：線性最優(yōu)勵磁控制（LOEC）、非線性最優(yōu)勵磁控制（NLOEC）、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）。在這三類方法中，當(dāng)今世界上使用率最多、性價比最高且技術(shù)最為成熟的勵磁附加控制技術(shù)是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）。在我國的1977年，清華大學(xué)和哈爾濱電機研究所就已經(jīng)準(zhǔn)備好對PSS進行研究，不僅對PSS的理論知識進行了深入剖析，而且還對系統(tǒng)接入PSS后的仿真模型做了充足的實驗研究，這對國內(nèi)的電力機構(gòu)和研究單位對于PSS的綜合性研究以及調(diào)試技術(shù)在我國的宣傳與推廣提供了難以獲得的科研經(jīng)驗。在20世紀80年代，我國在八盤峽水庫投入了第一臺PSS進行運行，時隔不久，我國又在湖南鳳灘電廠投入PSS設(shè)備運行，使鳳灘至益陽之間的線路輸送功率上漲了約100MW。而到了1984年底我國又在青山電廠機組投入了PSS設(shè)備，高效的處理了困擾當(dāng)?shù)仉姎饧夹g(shù)人員已久的低頻振蕩問題。在此之后，越來越多的PSS在我國各地的電力系統(tǒng)進行配置，此后PSS在我國電力系統(tǒng)中被廣泛采用并擁有了不錯的成效。在這么多年的積淀中，國內(nèi)的一些院校、科研所和公司在PSS的設(shè)計、生產(chǎn)和運行方面也已經(jīng)取得了豐富的經(jīng)驗，PSS的優(yōu)良性能在實際生產(chǎn)應(yīng)用中也日益顯示出來。除了國內(nèi)有這些發(fā)展，在很早，國外PSS的設(shè)計就取得了較大的發(fā)展。早在70年代，PSS就已經(jīng)有了一定的研究進度。到了80年代PSS技術(shù)在很多的電機制造商手里，與勵磁調(diào)節(jié)器成套的開始生產(chǎn)，并且有了成熟的計算方法與調(diào)試方法。在不同地方的電力系統(tǒng)也制定了一套符合本國國情的PSS使用需求。美國作為當(dāng)時的科技強國，在19世紀中期發(fā)生了聯(lián)絡(luò)線低頻振蕩而引發(fā)的一場電力系統(tǒng)事故。因此在60年代末期科技人員開始在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)中提高負反饋從而提高電力系統(tǒng)阻尼，這就是最初的PSS應(yīng)用。前蘇聯(lián)在50年代就開始采用類似PSS一類的手段來抑制大干擾的振蕩。當(dāng)時采用被稱作為強力式勵磁調(diào)節(jié)器的手段來改動極端頻率偏差及其微分以抑制干擾。加拿大在當(dāng)時運用了高效率的高速勵磁系統(tǒng)來控制系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定，并且使用了PSS來輔助提高動態(tài)穩(wěn)定。在當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)中PSS的安裝在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)已經(jīng)成為了不可或缺的一個部分，如果沒有PSS加入電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)，加拿大的電力系統(tǒng)有效功將會直降50%。德國的電力系統(tǒng)在70年代開始的20年時間里，電力系統(tǒng)內(nèi)電機單機最大容量飛速增長，其輸電線路阻抗也增加了30%左右。當(dāng)時的技術(shù)人員為了解決電力系統(tǒng)擴大而帶來的電壓波動，采用了高速、高增益的電壓調(diào)節(jié)器以優(yōu)化系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定，并在機組容量超過一定數(shù)值的機械上都裝配了PSS，采取了這些措施之后，當(dāng)時波動的電網(wǎng)恢復(fù)了穩(wěn)定的運行。而PSS設(shè)備在國外進入生產(chǎn)生活需要到了20世紀80年代，1989年7月日本的一家公司在日本八戶發(fā)電所投入了有關(guān)雙微機系統(tǒng)的數(shù)字化電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；1990年5月加拿大的一家公司也開發(fā)出了一款新型的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；1993年日本三菱公司投運了MEC5000型系列微機電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。此外，奧地利ELIN公司、德國SIEMENS公司、英國的GEC公司等也都相繼生產(chǎn)出新型的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。近幾年來，全局優(yōu)化方法被漸漸地應(yīng)用在PSS的參照數(shù)字的優(yōu)化上。全局優(yōu)化法從局部極小點的局限性中跳了出來并在整體范圍內(nèi)尋找最優(yōu)極值點，給電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設(shè)計最符合的參數(shù)，能夠使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到最理想化的效果。隨著21世紀人工智能技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者通過人工智能技術(shù)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進行優(yōu)化設(shè)計。如遺傳算法（GeneticAlogorithm，GA）、禁忌搜索法（TabuSearch，TS）、細菌覓食法（BacterialForagingOptimization，BFO）、粒子群優(yōu)化算法（ParticleSwarmOptimization,PSO）、模擬退火法（SimualatedAnnealing，SA）等。在電力系統(tǒng)的低頻振蕩最初被發(fā)現(xiàn)時，科研人員們研究了發(fā)電機在振蕩過程中與端電壓的電壓大小以及功角的數(shù)值等變量的關(guān)系，得出在受到一定的擾動時，由于勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁系統(tǒng)以及發(fā)電機磁場繞組這些設(shè)施的相位滯后特性，導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生了相位滯后于功角并與轉(zhuǎn)速方向相反的負阻尼轉(zhuǎn)矩，從而會導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)器的精確度過高引起了系統(tǒng)振蕩。因此，我們可以通過引入一個外加信號，通過對信號相位進行補償?shù)姆椒?，使其?nèi)部產(chǎn)生一個正向阻尼的轉(zhuǎn)矩，這就從根本上解決了上面所提到的問題，也就是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器構(gòu)成的原理。在研發(fā)出最初的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器后，科研人員們將菲利普斯一埃弗倫(Philips-Heffron)發(fā)明的模型納入了研究范圍，分析了發(fā)電機的阻尼轉(zhuǎn)矩與同步轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，將勵磁控制系統(tǒng)中的相關(guān)運行轉(zhuǎn)矩與附加的阻尼以及同步轉(zhuǎn)矩增長等效，同時也得出了發(fā)電機所帶來的轉(zhuǎn)子慣性環(huán)節(jié)可以確定系統(tǒng)的機電振蕩頻率。兩相結(jié)合之下，科研人員們就可以使用這些數(shù)據(jù)計算出電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所需的各項參數(shù)以及它在電力系統(tǒng)中應(yīng)補償?shù)慕嵌取ｋ娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定器在經(jīng)過一代又一代的創(chuàng)新后在國內(nèi)外的應(yīng)用范圍更加的廣闊，而且也發(fā)現(xiàn)了很多能夠用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設(shè)計的方法，如：根軌跡靈敏度分析、模式分析、最優(yōu)控制或以上幾種方法的綜合使用等。在如今，我國的PSS的控制算法在國際上已經(jīng)處于世界前列，所研究出的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的功能也非常強大，但是在裝置的硬件方面與元器件的材料選擇以及制造的精細程度上與國外存在著一定的差距。1.3電力系統(tǒng)穩(wěn)定2001年4月28日，由我國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會發(fā)布的DL755-2001《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的4.1.1條將電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算分析確定為電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)穩(wěn)定三類分析問題。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題可以總結(jié)為電力系統(tǒng)在通常運行狀態(tài)下受到了外部擾動而導(dǎo)致錯亂后，能否在一定時間內(nèi)恢復(fù)到故障前的運行狀態(tài)或者切換到另一個正常運行狀態(tài)的問題。若達成上述所說的條件就可以確定該電力系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。而相反，如果該系統(tǒng)沒有達成上述條件，就反應(yīng)出該電力系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)并沒有到達穩(wěn)態(tài)，是一個不穩(wěn)定的狀態(tài)。在上述所說的幾種功角穩(wěn)定性中，電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指在電力系統(tǒng)遭受小擾動的影響后，不發(fā)生其他影響，自動恢復(fù)到初始運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)在每時每刻都可能被小擾動所影響。例如：個別電動機的接入和切除，或者加負荷和減負荷；又或架空輸電線在空氣流動的干擾下產(chǎn)生的晃動導(dǎo)致線間距離小幅度的改變等等。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在遭受到大擾動的影響后，是否可以在一個時段的暫態(tài)過程過去后從擾動恢復(fù)到初始的運行狀態(tài)或者到達一個新的且能夠正常運行的穩(wěn)定狀態(tài)。在這里我們所給出的大擾動的概念是為了與之前所給的小擾動相對比而給出的，比如突然斷路的設(shè)備或輸電線路以及各種短路情況等。所以在此等大擾動影響下的系統(tǒng)能夠恢復(fù)到一個能夠正常運行的狀態(tài)，就可以確定該系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。與此相對的，受到大擾動而出現(xiàn)波動的系統(tǒng)在一個暫態(tài)時間里沒有到達一個能夠穩(wěn)定運行的狀態(tài)，例如：電壓、電流、相角處于失常狀態(tài)，這時就可以確定這個電力系統(tǒng)此時不能夠維持暫態(tài)穩(wěn)定。根據(jù)上述說明，我們得出一個結(jié)論，一個電力系統(tǒng)能夠在大部分運行狀態(tài)或者外界的小擾動下能夠保持穩(wěn)定，而在某些特定的運行狀態(tài)或者外界干擾下，會使系統(tǒng)步入不穩(wěn)定的狀態(tài)，總而言之，就是系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定需要與系統(tǒng)當(dāng)時的運行狀態(tài)與外界干擾相關(guān)聯(lián)。電力系統(tǒng)在經(jīng)過一定的擾動影響后，在一段時間內(nèi)，它的運行狀態(tài)會慢慢改變，從原來的穩(wěn)定狀態(tài)步入另一個穩(wěn)定狀態(tài)或者到達失步狀態(tài)。這一段時間的長短與系統(tǒng)自身的各項參數(shù)與狀況以及外界的干擾有關(guān)。我們從之前對暫態(tài)穩(wěn)定的分析中對這個過程分為了三段不同的狀態(tài)：（1）起始階段:指在遭受擾動瞬間到大概1秒的時間段內(nèi)。這大約一秒的時間中系統(tǒng)的一部分繼電保護裝置會開始動作，比如：切斷發(fā)電機、切斷線路故障、重合閘的工作等。（2）中間階段:經(jīng)過大概1秒后到擾動產(chǎn)生后約5秒的時間段。在這段時間內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機組開始顯現(xiàn)出他們的功效。（3）后期階段:在擾動發(fā)生5秒之后。到達這個時間段，之前兩個階段的動作對電力系統(tǒng)的暫態(tài)進程影響已經(jīng)初具結(jié)果。除此之外，電力系統(tǒng)中的自動裝置會因為在之前階段所導(dǎo)致的頻率與電壓的下滑，將做出切除部分負荷的反應(yīng)。在如今，電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢下各種電力系統(tǒng)中隱藏的穩(wěn)定性問題開始一一浮現(xiàn)。而目前我國各方面都已經(jīng)步入高速發(fā)展的軌道，對電力電能的要求更是飛速拔高。1929年瑞典的ASESEvaluation公司首創(chuàng)了(HVDC)技術(shù)。這項技術(shù)為其他國家發(fā)展高壓直流輸電技術(shù)提供了設(shè)想。我國也因此建設(shè)了不少高壓直流輸電線路工程。這些工程的建立在有一次提高電力系統(tǒng)水平的同時，又對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求發(fā)出了更高的挑戰(zhàn)，而在科技進一步發(fā)展的今天，當(dāng)初的難題已經(jīng)被一一攻破，但是新的挑戰(zhàn)，如特高壓穩(wěn)定和低頻區(qū)域之間振蕩的問題都更需要去攻克。1.4本文研究主要工作該課題名稱是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計與仿真，已對各項工作進行積極準(zhǔn)備，主要工作內(nèi)容如下所示：（1）全面了解勵磁自動控制系統(tǒng)在電力系統(tǒng)任務(wù)及作用。（2）鉆研了大量資料的同時，總結(jié)了有關(guān)同步發(fā)電機的電壓和磁鏈方程并結(jié)合自身所學(xué)知識得出簡單電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機的電磁功率方程與同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程；（3）探究電力系統(tǒng)穩(wěn)定器提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)阻尼、解決低頻振蕩問題；（4）設(shè)計PSS網(wǎng)絡(luò)，進行建立單機無窮大系統(tǒng)的MATLAB模型；（5）總結(jié)所得的仿真結(jié)果，得出電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。2勵磁自動控制系統(tǒng)隨著國家電力的必須發(fā)展不斷加快，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，我國的電力系統(tǒng)行業(yè)已經(jīng)步入了高電壓、大機組、大網(wǎng)絡(luò)的時代。其中，一部分的發(fā)電機采用高效率的勵磁調(diào)節(jié)器，使勵磁系統(tǒng)的時間常數(shù)大幅度縮短。如果電網(wǎng)想要安全且穩(wěn)定的持續(xù)運行，那么系統(tǒng)中大容量機組能夠持續(xù)穩(wěn)定的運行是非常重要的。而想要電網(wǎng)能夠安全運行，勵磁系統(tǒng)的保證無疑是特別重要的，勵磁系統(tǒng)的存在不僅能夠保證機組能夠正常運行，也能有效地調(diào)節(jié)電網(wǎng)中無功以及電壓之間的關(guān)系。而勵磁系統(tǒng)的自動化，對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是大電網(wǎng)、高電壓、大機組的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，有著非常大的作用。2.1勵磁自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成同步發(fā)電機當(dāng)中的勵磁自動控制系統(tǒng)主要可以分為勵磁功率單元，與勵磁調(diào)節(jié)器這兩大部分。其中，勵磁功率單元可以看作一個受控直流源,它可以為電機的勵磁繞組提供所需的直流電壓。而想要使發(fā)電機能夠正常運行,該單元還需要擁有足夠的容量用以調(diào)節(jié)，還要擁有一定程度的強行勵磁倍數(shù)與一定的速度去響應(yīng)勵磁電壓。而勵磁調(diào)節(jié)器的作用是、通過設(shè)置合理的調(diào)差與通過將發(fā)電機端的電壓保持在一定水平這兩方面來保證無功功率能夠平衡的輸入正在運行的各機組，運用自身高速的勵磁響應(yīng)來保持電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定。此外，調(diào)節(jié)器還具有故障錄波、事件記錄、系統(tǒng)自檢、智能調(diào)試等功能。以上兩個單元加上發(fā)電機自身組合在一起就可以稱為勵磁自動控制系統(tǒng)。它能對電力系統(tǒng)的運行造成很大的影響。且它也能夠提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機組的穩(wěn)定性。特別是如今電力系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展也會影響到機組的穩(wěn)定性，這些原因都會刺激勵磁技術(shù)不斷發(fā)展。2.2勵磁自動控制系統(tǒng)的任務(wù)及作用同步發(fā)電機能夠?qū)⑼饨绲臋C械能轉(zhuǎn)換為交流電能。老式的自備電站油機發(fā)電機組內(nèi)，同步發(fā)電機的勵磁都會使用直流發(fā)電機來提供勵磁電流。這種傳統(tǒng)的勵磁方式，通過整流子來進行的整流過程，并且向勵磁繞組提供的勵磁電流都只能通過整流子的銅環(huán)和炭刷。這些器件產(chǎn)生的干擾都對電力系統(tǒng)安全運行和維護工作帶來了非常多的麻煩。當(dāng)時為了優(yōu)化這種勵磁方式，開發(fā)了靜態(tài)硅整流自勵磁恒壓同步發(fā)電機，但這種發(fā)電機里還是帶有炭刷和滑環(huán)，依舊能夠產(chǎn)生需要持續(xù)維護的無線電磁干擾，所以無法根治所需要解決的問題。但是科技在進步，通過改進開發(fā)，當(dāng)今時代的同步發(fā)電機已經(jīng)開始廣泛采用同軸無刷交流勵磁機和無刷的旋轉(zhuǎn)整流器，這樣就可以解決使用碳刷導(dǎo)致的缺點。在電力系統(tǒng)當(dāng)中，自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)可視為一種以電壓為變量的負反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)勵磁電流保持不變時，無功電流的變化將會導(dǎo)致發(fā)電機的端電壓一起變化。但由于需要保證電能的質(zhì)量，發(fā)電機的端電壓就不能變動，所以想要實現(xiàn)目標(biāo)，就要調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流使之能夠隨無功電流的變動而波動。當(dāng)系統(tǒng)與發(fā)電機相并聯(lián)且同時處于運行狀態(tài)時，將發(fā)電機看作與無限大容量電源的母線運行，當(dāng)發(fā)電機的勵磁電流發(fā)生變化時，定子電流和感應(yīng)電勢也會隨之發(fā)生改變，此時通過發(fā)電機的無功電流也同樣隨之而發(fā)生改變。而發(fā)電機與無限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運行時，要想徹底使發(fā)電機的無功功率發(fā)生變換，就必須相應(yīng)的控制發(fā)電機的勵磁電流。不過在這里改變的并不單單只是說的“電壓調(diào)節(jié)”，它的核心是要改變系統(tǒng)所接收的無功功率。各個發(fā)電機組在并聯(lián)運行時會因為自身的額定容量的差異，從而分配到一定比例的無功電流。額定容量的大小與提供的無功負荷成正比。而為了讓電力系統(tǒng)能夠智能的分配出相應(yīng)的無功負荷，自動勵磁裝置可用于控制電壓調(diào)節(jié)，改變勵磁電流以保持端電壓穩(wěn)定，調(diào)節(jié)發(fā)電機調(diào)壓特性的傾斜度，從而控制無功負荷正確合理地分配到各并聯(lián)發(fā)電機組。如果要改變發(fā)電機的勵磁電流，通常通過改變勵磁電流來達到改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的效果。而不是單純的直接改變其轉(zhuǎn)子電流，其原因是轉(zhuǎn)子電路里的電流數(shù)值不小，難以直接改變。所以我們一般會使用改變可控硅的導(dǎo)通角，改變勵磁機當(dāng)中的部分電阻，或是改變勵磁機所帶的勵磁電流等方法。在此我們特別說明改變可控硅的導(dǎo)通角這一方法的作用，這個方法一般是根據(jù)發(fā)電機當(dāng)中各個數(shù)值的變換而相應(yīng)的控制可控硅整流器，使它的導(dǎo)通角能隨之變換，從而達到控制發(fā)電機的勵磁電流的目的。由這個方法所設(shè)計的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置通常由測量單元、同步單元、放大單元、調(diào)差單元、穩(wěn)定單元、限制單元及一些輔助單元構(gòu)成。當(dāng)發(fā)電機中的各項被測數(shù)值經(jīng)過數(shù)字信號的處理后與預(yù)定值相比較，得出其中的偏差，這些信號在經(jīng)過放大后，就可以改變可控硅的導(dǎo)通角，以此來調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。同步單元是為了保證可控硅的可靠性。調(diào)差單元是為了控制數(shù)值上的準(zhǔn)確性。還有其他單元都有其各自的作用。這類勵磁裝置具有快速、靈敏、無失靈區(qū)、輸出功率大、體積小和重量輕等優(yōu)點。能夠在種種突發(fā)情況下應(yīng)對有關(guān)調(diào)節(jié)勵磁裝置的難題。2.3勵磁自動控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及自動化技術(shù)的革新，我國的電力設(shè)備開始使用由集成電路、超大規(guī)模集成電路、快速計算機和可控硅等高速運算元件所組成的勵磁調(diào)節(jié)器，使如今的勵磁控制系統(tǒng)的運算時間大幅度的縮短，縮短的倍率甚至是之前的百倍。而在之后快速勵磁系統(tǒng)(晶閘管直接勵磁或高起始響應(yīng)勵磁系統(tǒng))的在生活中大面積的使用，導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)時間常數(shù)減少了很多倍，但是高速的代價就是減少了電力系統(tǒng)的阻尼。對大型的電力網(wǎng)絡(luò)的影響非常的大，經(jīng)常會在系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)弱阻尼甚至是負阻尼的現(xiàn)象。而由這些弱阻尼或是負阻尼會使電力系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生數(shù)量不一的自發(fā)性低頻率振蕩。在這些振蕩的影響下，系統(tǒng)之間的相互的聯(lián)系就會被破壞，電力網(wǎng)絡(luò)解列，造成大范圍的停電，這種危害被稱為低頻振蕩現(xiàn)象。但是勵磁系統(tǒng)除了會導(dǎo)致低頻振蕩危害之外，有效的利用勵磁自動控制也系統(tǒng)，會對電力系統(tǒng)的其他兩種功角穩(wěn)定性造成不一樣的影響：（1）勵磁調(diào)節(jié)對靜態(tài)穩(wěn)定的影響當(dāng)電力系統(tǒng)受到小擾動時，發(fā)電機的機端電壓會因此下降，隨之而變化的是定子電流與勵磁電流的增加。但在此之前接入了勵磁調(diào)節(jié)器，那么在發(fā)電機機端電壓開始減少的時候，調(diào)節(jié)器將會拔高勵磁電流，使其的數(shù)值能夠與原本應(yīng)衰減的分量相抵消，從而達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。（2）勵磁調(diào)節(jié)對暫態(tài)穩(wěn)定的影響當(dāng)電力系統(tǒng)遭受大擾動時，勵磁調(diào)節(jié)器能夠增大勵磁電流以達到提高發(fā)電機的電磁力矩的效果，以達到提升發(fā)電機的恢復(fù)速度的效果。但是想要達成這樣的效果，勵磁系統(tǒng)需要較小的時間常數(shù)和較大的勵磁倍數(shù)。但是為了更有效地實現(xiàn)以上目的，我們需要配備一套優(yōu)秀的勵磁系統(tǒng)，而其中自并勵可控硅勵磁系統(tǒng)就是我們所選之一，與傳統(tǒng)老舊的它勵可控硅勵勵磁系統(tǒng)相比，它的結(jié)構(gòu)簡單，元件少，并且它的勵磁方式為自并勵，所以運行可靠性高，維護需求簡單，所以性價比高。但最重要的是它的功能強大能滿足不同電力系統(tǒng)的需求。但除此之外還包括了一些缺點，它的勵磁電源會受到發(fā)電機機端電壓的影響，且電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有不利影響，需要電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來保證它的穩(wěn)定性需求。3同步發(fā)電機的基本方程在電力系統(tǒng)當(dāng)中，同步發(fā)電機作為不可或缺的設(shè)備對電力系統(tǒng)動態(tài)特性的影響深遠。所以想要了解電力系統(tǒng)的種種特性，對同步電機的認知必不可少。與同步發(fā)電機相關(guān)的電路方程式里，它的電感都會隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而同樣的因事件而變化的隨時間變動而改動的一種參數(shù)，我們在計算這一類數(shù)時就需要用到派克方程將這類隨時間變化的電路轉(zhuǎn)換為常數(shù)的電路。在同步發(fā)電機運行時它所衍生的電磁暫態(tài)和機電互動現(xiàn)象非常的頻繁，所以想要精確的確立有關(guān)實際的動態(tài)過程，建立一個模型并將之求解是必不可少的，這樣的研究往往能夠取得很多科研成果，因此許多科研人員都對同步發(fā)電機進行了建模且進行了深入的研究。目前，各種同步發(fā)電機模型都是以派克——戈列夫方程為基礎(chǔ)的，派克——戈列夫方程是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要工具。同步發(fā)電機作為電力系統(tǒng)中主要的電能來源。世界上的絕大多數(shù)負載都會配備同步發(fā)電機。但除了同步發(fā)電機之外，我們還需要同步調(diào)相機來提供無功功率補償以及維持電壓的穩(wěn)定。這些以相同原理運行的裝置，與發(fā)電機一起統(tǒng)稱為同步電機。維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題在某方面看來可以看作一個讓各保持互聯(lián)的同步電機之間能夠同步運行的問題。所以，想要精通電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，同時精通同步電機的特性和建立同步電機的模型是非常重要的。3.1同步發(fā)電機的電壓方程將坐標(biāo)的電壓方程分成兩部分，，可為；；。兩邊左乘為派克變換矩陣，為單位陣，為零矩陣，可變?yōu)榧?；，可為。?-3）中有負號是因為等值繞組中的電流、電壓的正方向定義和繞組一樣。所以討論（3-3）中時，我們會轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)。因矩陣乘積的微分性質(zhì)，可得由于：將（3-5）代入（3-4）將（3-6）代入（3-3），得出dq0坐標(biāo)下的有名值電壓方程：3.2同步發(fā)電機的磁鏈方程坐標(biāo)下磁鏈方程公式兩邊左乘矩陣（3-8）右邊插入得上式電感矩陣中的和下標(biāo)分別表示定子和轉(zhuǎn)子。下面對（3-9）中的電感矩陣分析。（1）定子繞組的自感和互感。因，恒為正。為軸超過軸的度數(shù)。隱極機中，，；凸極機中，，隨轉(zhuǎn)子位置而變化的參數(shù)。，定子互感值為負。隱極機中，，定子互為常量；凸極機中，定子互感隨轉(zhuǎn)子位置而變?？蓪?dǎo)出定義與相同。和分別為同步電機軸、軸的同步電感。隱極機，。是對角陣，它反映了定子等值繞組間的互感為零，是相互解耦的，而且是定常陣，不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化。（2）轉(zhuǎn)子繞組的自感與互感。由式以及（3-10）得及定義同（3-10）與（3-16）。（3）定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組間的互感和。由（3-10）和為定子繞組與轉(zhuǎn)子勵磁繞組間的互感變化幅值，。為定子繞組與軸阻尼繞組間的互感變化幅值，為定子繞組與軸阻尼繞組間的互感變化幅值，得兩式中的定義與（3-18）（3-20）相同。說明了坐標(biāo)下同步電機有名值方程中定子、轉(zhuǎn)子繞組間的互感不可逆。（3-13）、（3-14）、（3-17）、（3-21）、（3-22）可匯總得坐標(biāo)下電感矩陣為相應(yīng)的坐標(biāo)下磁鏈方程為由（3-23）可知，軸繞組與軸繞組是解耦的（互感為零）。零軸磁鏈與軸、軸上各個繞組完全解耦并且完全獨立。電感矩陣為定常稀疏矩陣。（3-24）中前面的負號是負值定子繞組的電流生成了正值所對應(yīng)的繞組磁鏈而導(dǎo)致的，電感元素的符號與之前一樣，這方面和坐標(biāo)的磁鏈方程類似。3.3同步發(fā)電機的電磁功率方程3.3.1隱極式發(fā)電機的電磁功率方程隱極式發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)被設(shè)計成中心對稱的結(jié)構(gòu)，且金屬中間的空氣間隙也是均勻的，由此我們可以論證它的直軸同步電抗和交軸同步電抗的數(shù)值是一樣的，即。由于其擁有這個特性的同時，我們在計算時也會將定子繞組當(dāng)中電阻忽略掉，由方程式做出隱極式發(fā)電機在正常運行狀態(tài)下的向量圖（圖3.1），這樣，我們可以得出用其他的的電動勢與電抗列出隱極發(fā)電機的電磁功率方程。圖3.1穩(wěn)態(tài)運行矢量圖（1）以空載電動勢和同步電抗表示發(fā)電機有功功率：將（3-25）代入（3-26）得由以上我們所得出的公式中，我們可以總結(jié)出，發(fā)電機有功功率的功——角特性曲線是一條曲線函數(shù)，它的最大值為，也可以將這個數(shù)值叫做功率極限。它的功角特性曲線多數(shù)時候用于電力系統(tǒng)正常運行或者故障后穩(wěn)態(tài)運行的穩(wěn)定性分析與計算。（2）以交軸暫態(tài)電動勢和直軸暫態(tài)電抗表示圖3.2暫態(tài)空間矢量圖以交軸暫態(tài)電動勢和直軸暫態(tài)電抗表示發(fā)電機將代入由于暫態(tài)磁阻功率的出現(xiàn)帶讓功角特性計算變得非常的復(fù)雜，所以我們在計算時通常會簡化一些地方：以直軸暫態(tài)電抗后的電動勢代替直軸暫態(tài)電動勢；以向量與的夾角代替，。3.3.2凸極式發(fā)電機的電磁功率方程圖3.3凸極發(fā)電機的相量圖（1）空載電動勢和同步電抗表示發(fā)電機式得（2）暫態(tài)電動勢和暫態(tài)電抗表示發(fā)電機將代入得3.4同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程3.4.1同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程據(jù)牛頓運動定律，轉(zhuǎn)子的運動方程式中，為原動機加于電機軸的機械力矩；為發(fā)電機的電磁力矩，和單位均為；為轉(zhuǎn)子機械角位移，它和電角度的關(guān)系為它的單位為；為轉(zhuǎn)子機械角速度，它與電角速度的關(guān)系為，它的單位為；為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，單位為，國家所規(guī)定的轉(zhuǎn)子飛輪慣量（）的單位一般為當(dāng)為轉(zhuǎn)子所受到的機械外力矩時，取整個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。穩(wěn)態(tài)時，。轉(zhuǎn)子加速力矩為零，所以轉(zhuǎn)子以恒速運行。我們分析時，會將電角度及電角速度作為變量，則為坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子運動方程與坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)子運動方程相同，但在計算時應(yīng)該按以下式子進行計算，3.4.2同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程的研究意義發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩能夠去決定發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速，而作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩可以分解為兩個部分，一是原動機作用在轉(zhuǎn)子上的機械轉(zhuǎn)矩，而這一部分的機械轉(zhuǎn)矩卻受到發(fā)電廠的機械力作用部分（例如水電廠的渦輪與水輪機）的運行狀態(tài)決定，而第二部分，發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩部分，這一部分卻被發(fā)電機以及與發(fā)電機相接的電力系統(tǒng)中的運行狀態(tài)所決定。上述所說的這些運行狀態(tài)有一個特點，就是都容易受到外部的干擾而導(dǎo)致運動狀態(tài)發(fā)生改變，而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩發(fā)生失衡，也就是發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速被迫改變。所以我們需要使這類外部影響所導(dǎo)致的失衡影響達到最小，就需要發(fā)電機組能在受到干擾后快速的恢復(fù)到正常的運行狀態(tài)，即設(shè)備的角能夠穩(wěn)定下來。同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程是電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算中最基本的方程。它可以判斷電力系統(tǒng)是否正常運行。從（3-36）中我們可以做出結(jié)論，發(fā)電機轉(zhuǎn)子它的機械狀態(tài)會隨著其軸上的不平衡轉(zhuǎn)矩變換而做出反應(yīng)，這部分不平衡轉(zhuǎn)矩的機械狀態(tài)又被原動機與發(fā)電機所輸出的能量狀態(tài)所控制著。我們通常認為，在暫態(tài)過程中，原動機的輸入轉(zhuǎn)矩不會輕易改變，而發(fā)電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機的電磁特性、轉(zhuǎn)子運動特性、負荷特性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有一定的關(guān)系，所以這一部分的計算是有關(guān)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中最有難度的一部分。不過能夠?qū)W會發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動計算，也基本上可以知道如何分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。4電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的基本介紹4.1電力系統(tǒng)穩(wěn)定器簡介電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PowerSystemStabilizer，PSS）是一種用于勵磁輔助裝置，也是一種抑制低頻振蕩方面發(fā)揮效用的勵磁調(diào)節(jié)器。PSS一般安裝于勵磁電壓調(diào)節(jié)器中，工作時，系統(tǒng)一般處于負阻尼狀態(tài)，所以他會引入一個信號，且這個信號的速度快于軸速度，這個信號會產(chǎn)生一個正阻尼轉(zhuǎn)矩，與之前所發(fā)生的負阻尼轉(zhuǎn)矩相抵消。以此來解決原負阻尼轉(zhuǎn)矩所帶來的危害，是提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要方法之一。并且PSS引入的信號參量都與此振蕩相關(guān)，如發(fā)電機的頻率、轉(zhuǎn)速以及有功功率等數(shù)據(jù)，然后將這些信號經(jīng)過放大，得到新的信號，這些信號會被傳輸?shù)絼畲畔到y(tǒng)中，是勵磁系統(tǒng)給出相對應(yīng)的反應(yīng)。圖4.1PSS結(jié)構(gòu)示意圖由圖4.1可知，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器實際上是一種關(guān)于有功功率、匝數(shù)或頻率的反饋環(huán)節(jié)，它與原勵磁系統(tǒng)一起構(gòu)成了雙閉環(huán)系統(tǒng)，由勵磁系統(tǒng)負責(zé)的環(huán)節(jié)與電壓相關(guān)；而由電力系統(tǒng)穩(wěn)定器負責(zé)的環(huán)節(jié)則與、或相關(guān)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器把直流隔開的環(huán)節(jié)能夠使在接近無窮大時讓電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輸出為零，而在進行其它過度過程時，該環(huán)節(jié)使動態(tài)信號順利通過，就可以讓電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在所需要的時段發(fā)揮它的作用。而在超前——滯后環(huán)節(jié)當(dāng)中電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以補償勵磁系統(tǒng)引起的相位滯后。在處于放大環(huán)節(jié)時它的放大倍數(shù)也可以確保擁有足夠多的幅值。而在限幅環(huán)節(jié)可確保大干擾時電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的輸出不會對電機端電壓造成影響。圖3.2PSS信號作用相量圖4.2弱阻尼簡介當(dāng)今時代中大多數(shù)的大型發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)器都將集成電路和可控硅作為自身構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)，這樣的發(fā)展趨勢使自動勵磁調(diào)節(jié)器及AVR的效率大大提高、運算所需時間縮短了許多，這些因素都會導(dǎo)致運行中的電力系統(tǒng)的阻尼減少，從而從正阻尼變?yōu)槿踝枘幔踔潦秦撟枘岬臓顟B(tài)。4.3低頻振蕩簡介發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角、轉(zhuǎn)速，以及相關(guān)電氣量，如線路功率、母線電壓等發(fā)生近似等幅或增幅的振蕩，并且振蕩頻率一般在，處于較低的水平，所以稱這類振蕩為低頻振蕩。這類振蕩產(chǎn)生時，電力系統(tǒng)中發(fā)電機一般處于并列運行狀態(tài)，在外部的擾動下這些發(fā)電機會發(fā)生發(fā)電機轉(zhuǎn)子間的相對運動，并且在缺乏阻尼時這類振蕩會持續(xù)存在。低頻振蕩的出現(xiàn)隨著電網(wǎng)之間開始互聯(lián)而逐漸顯現(xiàn)。在電網(wǎng)互聯(lián)初期，同步發(fā)電機之間的聯(lián)系還很緊密，發(fā)電機的阻尼繞組還能夠供應(yīng)足夠的阻尼來維持穩(wěn)定，低頻振蕩少有發(fā)生。但是隨著電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模越來越大，以及這類高放大倍數(shù)快速勵磁技術(shù)的廣泛應(yīng)用，再加上經(jīng)濟性、環(huán)保等政策因素的影響，導(dǎo)致電網(wǎng)的穩(wěn)定運行越發(fā)接近極限，從而導(dǎo)致了在世界各地許多電網(wǎng)都開始陸續(xù)觀察到低頻振蕩現(xiàn)象。一般來說，電力系統(tǒng)所關(guān)聯(lián)的電機設(shè)備越多、所覆蓋的地域越廣，就會導(dǎo)致電力系統(tǒng)內(nèi)的振蕩頻率越低。4.4電力系統(tǒng)穩(wěn)定器抑制低頻振蕩原理PSS（powersystemstabilizer）最早由美國學(xué)者F.P.demello和C.Concodri提出。這個器件的基本原理是電壓能夠自動控制的同時，以轉(zhuǎn)速偏差、功率偏差、頻率偏差等信號中的一種或兩種作為信號傳遞的基礎(chǔ)，使同步發(fā)電機產(chǎn)生與同軸的附加力矩，補償了因低頻振蕩而減少的阻尼，由此增強了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的目的是增加系統(tǒng)發(fā)電機的阻尼來增強電力輸送的穩(wěn)定性。它抽取角速度，功率或頻率等參量，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后經(jīng)過放大、復(fù)位、和超前滯后等環(huán)節(jié)的處理后，作為勵磁系統(tǒng)的一部分輸入。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器優(yōu)秀的模型設(shè)計，它的基礎(chǔ)模塊簡單、針對性強且擁有經(jīng)濟高效等特點，能夠普遍應(yīng)用于各大電力系統(tǒng)。因為它擁有降低阻尼的效果，不僅可以抑制低頻振蕩，還能夠改善電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。PPS采取轉(zhuǎn)速偏差（）、頻率偏差（）、加速功率偏差（Pa）和電功率偏差（Pe）這類信號作為AVR的附加輸入，增加正阻尼，且擁有不降低勵磁系統(tǒng)電壓環(huán)的增益、不影響勵磁系統(tǒng)的暫態(tài)性能、電路簡單、效果良好等優(yōu)點，在國內(nèi)外都擁有非常多的工作環(huán)境。圖4.3勵磁控制示意圖5PSS的設(shè)計5.1電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計原理不同的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器它的組成它的器件可能會有不同，為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的主要功能，使它能正常的提供正阻尼力矩，所以PSS還是擁有它需要去滿足的設(shè)計要求：①要求器件擁有滿足要求的相頻特性，并且能夠合理、正確的補償勵磁系統(tǒng)的相位滯后。②PSS能夠作為一個獨立的外部器件，不影響發(fā)電機的正常運行。③在PSS的工作時，不會對發(fā)電機造成過大的影響。④電力系統(tǒng)穩(wěn)定器工作時的噪音電平應(yīng)盡可能的低。包括信號檢測和隨機噪聲在內(nèi)，其電平應(yīng)不超過正常輸出范圍的10%⑤有一定保護措施，以保證在各種運行狀態(tài)下（包括PSS故障）故障的發(fā)生。⑥對于在原動機功率調(diào)整速度較快的機組上使用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器時，需要擁有防止“反調(diào)”的措施。5.2PSS網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計對應(yīng)類型的數(shù)字信號在經(jīng)過電力系統(tǒng)穩(wěn)定器后將會被送往電壓調(diào)節(jié)器，它和發(fā)電機的勵磁繞組在此時應(yīng)處于相位滯后的狀態(tài)。而這些被處理過的數(shù)字信號能夠補償這種滯后的相位，所以電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的網(wǎng)絡(luò)必須有超前補償?shù)墓δ堋ｋ娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定器網(wǎng)絡(luò)具有一個復(fù)位相，用來消除時滯以后的補償效應(yīng)。因此，我們可以得到電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的傳遞函數(shù)表示如下：:又因為可以得到如下以速度作為輔助數(shù)字信號的網(wǎng)絡(luò)圖：圖5.1電力系統(tǒng)穩(wěn)定器網(wǎng)絡(luò)圖以為示例求出電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的狀態(tài)方程如下：其中、是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的狀態(tài)變量。、為超前網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)，。是復(fù)位時間常數(shù)。為放大倍數(shù)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的計算實際上就是求出、、以及的運算過程。這些參數(shù)的求解可以使用根軌跡法或者是頻率相應(yīng)法。6電力系統(tǒng)穩(wěn)定器MATLAB仿真分析6.1PSS網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計MATLAB2016b為個版本MATLAB最經(jīng)典的一款，這款軟件里包含了豐非常多的電力及電氣系統(tǒng)元件模型,而且我們可以在它的子軟件Simulink的運行環(huán)境下使用它們，用戶只需在電器元件模塊窗口中將所需的電器元件找出，就可以用鼠標(biāo)將之拖出，放在模型編輯窗口，然后將這些模塊按照自己設(shè)想的方式組合在一起，就可以將你構(gòu)思的仿真模型搭建出來、來解決你在書本上無法解決的難題。該論文所使用的單機無窮大系統(tǒng)如圖6.1所示圖6.1單機無窮大系統(tǒng)其中AVR參數(shù)：,,,。PSS參數(shù)：,，,,，。所得仿真如圖6.2所示。上半部分為發(fā)電機和電網(wǎng)絡(luò)，下半部分為AVR和PSS，其中上半部分中，G2為三階發(fā)電機模型，Re和Im是將網(wǎng)絡(luò)計算分解為實部和虛部，以使計算精度更高。仿真過程中，將無窮大母線表示為電壓恒定的常數(shù)，即圖中的EB和0，分別表示電壓的實部和虛部。仿真參數(shù)如圖6.3所示。圖6.2仿真總結(jié)構(gòu)圖圖6.3仿真參數(shù)仿真微分方程組算法采用ode15s。相對誤差和絕對誤差皆為1e-12。6.2模擬運行仿真分析模型運行時間為10秒，單機無窮大系統(tǒng)出口端發(fā)生三相接地短路，短路發(fā)生時刻為1s，短路持續(xù)時間0.8s，0.8s后清除故障。觀察加入PSS和不加入PSS時電機無窮大系統(tǒng)機端電壓、轉(zhuǎn)子角和勵磁電壓的變化。結(jié)果如下（1）機端電壓圖6.4未加入PSS時的機端電壓仿真波形圖6.5加入PSS時的機端電壓仿真波形（2）轉(zhuǎn)子角圖6.6未加入PSS時的轉(zhuǎn)子角仿真波形圖6.7加入PSS時的轉(zhuǎn)子角仿真波形（3）勵磁電壓圖6.8未加入PSS時的勵磁電壓仿真波形圖6.9加入PSS時的勵磁電壓仿真波形

6.2PSS作用分析仿真的運行結(jié)果通過示波器告訴我們，原本應(yīng)該處于振蕩狀態(tài)下的電力系統(tǒng)，在附加了我們搭建的PSS模塊后，系統(tǒng)的振蕩次數(shù)明顯的減少，且從波形可以知道電力系統(tǒng)最終也回到了穩(wěn)定的狀態(tài)。由這些實驗結(jié)果我們可以得出，電力系統(tǒng)再附加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器之后，能夠在受到擾動后短時間回到穩(wěn)定狀態(tài)。并且在發(fā)生了三相接地短路這類嚴重的縱向故障時，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能夠有效的抵抗阻尼減少的影響，是系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定值狀態(tài)；而在未使用PSS的系統(tǒng)在受到故障時，雖然快速的切除了故障，但是系統(tǒng)仍然失去了穩(wěn)定性。參考文獻[1]劉楊名;嚴正;賈燕冰;楊建林;黃海倫.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器調(diào)參現(xiàn)狀與研究[A].華東電力,2007(01)[2]馮楠;郭李娟;符金偉;馬進.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013（11）[3]王鵬達;陳玉蛟;周斌;黎燦兵;楊斌;曹相陽.廣域電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)的兩階段協(xié)調(diào)優(yōu)化方法[J];電力系統(tǒng)保護與控制;2018(18)[4]霍承祥;劉增煌;朱方.運用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對勵磁系統(tǒng)進行相位補償?shù)睦碚撆c實踐[J].中國電機工程學(xué)報2015(12)[5]張偉；陳立；余莉；劉玉娟.同步發(fā)電機PSS與勵磁系統(tǒng)的仿真研究[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2014(03)[6]吳跨宇;盧岑岑;吳龍;濮鈞;黃曉明.一種新型雙信號電力系統(tǒng)穩(wěn)定器及其仿真研究.電網(wǎng)技術(shù)2016（05）[7]劉子全；高磊；趙嫻；劉巨；姚偉；文勁宇.一種可有效提高臨界增益的改進型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器.中國電機工程學(xué)報2015(08)[8]劉明群；劉喜泉.寬頻段電力系統(tǒng)穩(wěn)定器研究.云南電力技術(shù)2015(04)[9]陳絲瑩;李沖國;曾富軍.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS對發(fā)電機功角和轉(zhuǎn)速變化的影響分析.科技創(chuàng)新與應(yīng)用2017(12)[10]宋海輝;謝云敏.基于MATLAB的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器仿真研究.上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報2012(04)[11]劉增煌;方思立.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的作用及與其他控制方式的比較.電網(wǎng)技術(shù)1998(03)[12]王鐵強;賀仁睦;王衛(wèi)國;徐東杰;魏立民;肖利民.電力系統(tǒng)低頻振蕩機理的研究.中國電機工程學(xué)報2002（02）[13]羅云霞、李燕．電力系統(tǒng)基礎(chǔ)．黃河水利出版社，2009.[14]盧文鵬、吳佩熊．發(fā)電廠變電所電氣設(shè)備．中國電力出版社，2005.[15]谷水清、李鳳榮．電力系統(tǒng)繼電保護．中國電力出版社，2005.[16]劉學(xué)軍．繼電保護原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)．中國電力出版社，2006.[17]陳躍．電氣工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計指南電力系統(tǒng)分冊．中國水利水電出版社.2008.[18]周武仲、胡靜．中低壓配電設(shè)備選型與使用200例[M]第一版中國電力出版社，2006.[19]李光琦．電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M]第二版，中國電力出版社.2007.[20]何首賢、葛延友、姜秀玲．供配電技術(shù)[M]．中國水利水電出版社，2005.[21]孟凡超、焦國強.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)對電網(wǎng)穩(wěn)定影響的研究[J].陜西電力，2010.[22]蒲偉佳、戴永彬、孫宇.