同步发电机电力系统稳定器设计

1、同步发电机电力系统稳定器设计学院：机电学院 班级：09电气（4）班姓名：黄满超学号：2009092725指导老师：柴兆森 摘要为了抑制低频振动，通过对励磁系统产生辅助控制信号，电力系统稳定器常用来为同步机提供阻尼转矩。电力系统是非线性和动态的。大量的传统技术曾用来设计PSS，但其中大部分被组合地建立在线性模型的基础之上。本文将基于同步控制理论提供一种非线性电力系统稳定器。PSS的同步综合体完全基于电力系统的简化非线性模型。至于规定的操作模式，负载变量的不变性以及电力系统参量和输入变量变更的鲁棒性，就是指同步控制理论渐进稳定性。相同的情况下，与传统PSS或者无PSS相比，现代PSS的动态特性在经

2、典单机无穷大电力系统里深有研究。仿真结果表明，现代PSS在非线性动态系统中具有鲁棒性，而且在阻尼振荡方面比传统PPS表现更好。关键字：电力系统稳定器，同步控制，非线性控制，单机无穷大电力系统。1. 简介电力系统运行的稳定性问题，即动态安全可靠性问题，是电力系统运行的重要问题。如果电力系统运行的稳定性遭到破坏，就有可能造成一个或者数个大区域停电，使他们一时陷于瘫痪和混乱，严重时甚至危及全国，对人民生活及国民经济造成灾难性损失。电力系统稳定可分为三类：即暂态稳定，静态稳定，动态稳定。电力系统发展初期，静态稳定问题多表现为发电机与系统间的非周期失步。随着电网的不断发展壮大，静态稳定问题越来越表现为发

3、电机或发电机群之间的等符或增幅性振荡在系统的联络线上表现尤为突出。因此，改变电力系统运行的稳定性，动态可靠性。过去今后仍然是一项艰巨的任务。电力系统稳定性分类的问题在有关文献和教材中有不同的定义。自世纪起，国际上比较通用的是分为静态稳定和暂态稳定。静态稳定是指：在一个特定的稳态运行条件下的电力系统，如果遭受到任何一个小干扰后，经过一定时间，它能够自动地恢复到或者靠近于小千扰前的稳定运行条件。电力系统具有静态稳定，这是能够正常运行的基本条件。静态稳定和控制理论叙述的小干扰稳定定义是相同的。暂态稳定是指：在一个特定的稳态运行条件下的电力系统，如果遭受到一个特定的大的干扰后，能够从原来的运行状态不失

4、去同步地过渡到新的另一个允许的稳态运行条件下的能力。当发电机受到大的干扰时（比如发生短路故障、切除大容量的发电机、输电或变电设备等），能否继续保持同步运行，就属于暂态研究的问题了。作为改善电力系统稳定运行的重要手段，发电机励磁控制受到人们的极大关注。针对产生负值阻尼转矩的原因，可以在励磁调节系统中另外人为地引进某种附加控制信号补偿这种相位滞后。当前大部分发电机配置了反应快，高增益调压器和励磁系统来自发控制端电压。虽然通过增大同步机的同步转矩来改善电力系统的暂态稳定，但是发电机电压校准功能对电力系统的动态稳定性有不利影响。电力系统内部存在微小低频机电振动，而且持续很长一段时间，在某些情况下电力系

5、统的转移性能甚至受到了限制。现在能识别两种类型的振荡：一种是局部模式振荡（12Hz范围内），这和其它电力系统发电厂的发电机振动有关系;另一种内部模式振荡（0.21Hz范围内），这和系统某一特定区域而不是其它区域的许多机械振动有关系。因此，为了抑制这两种震荡，通过对励磁系统产生辅助控制信号，电力系统稳定器常用来为同步机提供阻尼转矩。为了提高电力系统稳定水平和改善其动态品质，引入了上述励磁系统附加控制传统电力系统稳定器（）它在电压作为反馈信号基础上，引入一个辅助反馈信号（或广泛使，）的二阶超前校正环节，在一定程度上能抑制系统的低频振荡，提高系统的稳定性。通常情况下，只能在某一给定运行方式和某一电网

6、振荡频率下设计参数，在参数设计选择合适的情况下，可以改善系统阻尼特性和提高稳定性。但是应该引起注意的是，由于电力系统具有模型非线性和干扰随机性的特征，这种传统控制方式存在着鲁棒性差的问题。上述用的PSS，就是所谓的经典电力系统稳定器（CPSS），是通过频域内相位补偿技术来设计，通过中位补偿器来执行的。而中位补偿器的参量是基于一个线性化模型的电力系统基础上确定的。为了在较宽的工作范围内达到良好的阻尼效应，需要调整经典电力系统稳定器（CPSS）的参量来应对这两种类型的震荡。由于电力系统是一个高度非线性的系统，而且它的配置和参量会随时间而变化，基于电力系统的线性模型基础上的CPSS的良好性能是不能在

7、一个高度动态的操作环境中得到保证的。因此，考虑到电力系统的非线性性质，能够适应运行工况的变化的先进PSS是必要的。为了改善CPSS的性能引进了许多技术。通过在离线模式下优化基于成本函数的特征值，智能优化算法被用来确定最佳参数。由于这些方法基于线性化模型和参数，不能在线更新，因此它们在实际操作中缺乏令人满意的效果。基于规则的模糊逻辑控制方法在规则参量的获取和调整方面难以表示，尤其是在线上。最新的研究成果表明,开始越来越强调模糊控制系统与其他技术的结合使用,如神经网络增加适应性设计。然而,设计非常复杂。目前,大多数的非线性控制方法采用简化模型以减少复杂的算法。考虑到实际电力系统的复杂性,为了在大范

8、围的操作条件下实现有效的鲁棒控制，需要一种计算时间较少的更实际的模型。在本篇论文中，提出了一种基于同步控制理论的新型的非线性方法，明确利用电力系统综合控制的一种非线性模型来克服上述的线性控制问题。一般而言，俄国学者首先提出了同步控制理论。最近,这一理论已成功应用在该地区的电力电子控制领域。同时,同步控制理论也被成功地应用于一个实际电池充电系统中。第二部分论述了利用同步控制理论来实现厂用控制器程序的总体设计过程。然后第三部分将论述一个单机无穷大电力系统的数学模型。第四部分介绍了基于同步控制理论电力系统稳定器的设计。第五部分给出了现代PSS的和常规PSS性能比较的仿真结果。第六部分总结了论文。2.

9、同步控制合成过程基于同步控制理论的设计程序是综合稳压器分析设计的。这个部分综述了总体同步合成过程。一般来说，n维非线性动态系统可以用下式表示： （1） x向量为系统的状态变量，u为控制变量，t表示时间。控制器产生控制变量u，来按照预定的方式驱动系统动作。如（2）中所示，通过定义一个宏变量，来表示控制器的同步合成。 （2） 表示宏变量，表示系统状态变量和独立时间的用户定义函数。同步控制器作用就是引导系统从多方面操作。 （3） 根据控制目标、时间设定、控制输出限制等控制规则，设计者可以选择宏变量的特点。在琐碎情况下，宏变量可以是一个简单的线型变量的线性组合。通过定义控制渠道尽可能多的宏观变量，同样

10、的过程是可以重复的。通过引入一个约束条件，如等式所示，这个宏变量可以按预期的方式演变。 (4)控制参量T表示闭环系统的收敛速度，通常规定闭环系统的宏变量值等于零。考虑到式法则的区别,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，控制函数可以写为： (7)从(7)式可以看出控制的输出不仅由系统的状态变量决定，而且和选定的宏观变量和时间常数T有关。换句话说，设计者可以选取一个合适的宏观变量和时间常数T设计控制器的特点。在整合控制器时，多方面引入状态空间域上的新约束，以及全局稳定的工作条件下为系统降阶。上述同步控制器的合成过程清楚地表明同步控制器可以工作在完全非

11、线性的系统，而且不像有传统控制理论那样，必须是线性或简化系统模型。通过通过选取合适的宏观变量，设计者可以从终端系统获得以下有趣的特点：1.全局稳定 2.参量敏感度3.噪声抑制 有趣的是，同步控制理论多方面保证了全局稳定。这意味着，即使在应对大信号变化时，系统也会达到流形上全局稳定，而不会放任不管。这种情况，虽然确保该系统将保持降阶的特点，但并不保证系统本身的全局稳定。设计师有必要选择一个合适的流形，使新型限制系统将具有必要稳定的特点。总之，这里复杂电力系统自动合成控制理论的计算机程序是很容易实现的，或者对一个只含有少量状态变量的简单系统，可以手工实现。3.电力系统模型在这本文文中，所研究的是一

12、个简化的动态的电力系统模型，即为单机无穷大（SMIB）电力系统模型，。SMIB系统，在本文中被称为电厂（plant），它由同步发电机通过升压变压器和两个平行的传输线连接到大电网组成，近似一个无穷大系统。同步发电机是由涡轮和调速器驱动，由外部的励磁系统励磁的。而励磁系统由自动电压调节器（AVR）和电力系统稳定器（PSS）控制。SMIB电力系统（如图1.所示）经典单轴动态动态模型可以用下列方程式表示。（请注意，在这些方程中的变量和参数的定义在命名部分上。）图1： 发电机的机械动力学方程 （8） （9）输入机械功率在励磁控制器的设计中被当做一个常量。也就是说，的调节范围很小，不会对机动态产生明显的影

13、响。 发电机的电动力学方程 （10）需要注意的是，假定在进行PSS设计时，PSS和AVR可以迅速地应用到励磁系统的输出上。与动态系统其余部分相比，电压控制系统（包括AVR,PSS,和励磁系统）是很快的，这正好验证了假设。这也就是说，快速动作的励磁系统时间常数远低于系统的其余部分。这个假设意味着，非线性PSS的设计可以只考虑同步发电机的动态。 自动电压调节器（AVR）的动态方程 电气方程传统的PSS框图在这种情况下，发电机转子速度偏差作为唯一稳定的信号。CPSS由一个放大器，一个冲洗过滤器，两个超前-滞后补偿器，和一个画匠。4. 基于同步控制理论的电力系统稳定器的设计由于PSS的主要目标是稳定的

14、发电机的转速，其中同步转速与转子速度的偏差是用来作为一个稳定的信号。为了减弱功率振荡，有电气有功功率输出也用来作为PSS的输入。因此，电力系统稳定器的同步合成开始通过定义一个宏变量。其中是一个正系数，和分别是旋转角速度和电气有功功率的参考值。同步控制器的目的就是引导系统在=0下动作。其中是一个预定义的控制器参数，表明了在=0时闭环系统的收敛速度。我们可以得到：根据链规则的不同，表达式表示电力系统稳定器预期的控制动作。控制定理（25）使状态变量的轨迹必须满足方程式（20）。根据这个方程，在=0，为时间常数时，轨迹收敛。=0后一直保持不变。因此，状态轨迹从此以后满足方程这个方程建立了两个输出变量w

15、和之间的线性关系，从而减少了一个系统参数。按这种方式动作，使其轨迹最终收敛到预期的稳定状态：w=，=。控制原理在相平面的几何表示如图3所示。稳态工作点就是原点，此处的误差为零。控制方程（27）表示一条斜率为1/，且通过原点的直线。系统工作点沿着这条直线（收敛条件）收敛，然后随着直线到达原点。值得注意的是，稳态量虽然作为发电系统的输出变量，但它实际是状态空间中状态变量的组合。5.数值仿真结果为了研究所述的电力系统稳定器的效果，对单机无穷大电力系统进行了仿真，用了大量的干扰来测试这个系统。，为了简洁起见，我们设定了以下三个典型方案：方案1）：三相短路故障方案2）：参考端电压阶跃变化方案3）：输入机

16、械功率的阶跃变化在每个方案中，都研究了三种情况，并做了比较（与所研究的PSS，与传统的PSS，和没有PSS）.同时把PSS的输出极限设为0.1pu。同步PSS的参数如下：=0.1s，=0.1.初始的工作条件如下： 在这个仿真案例中，单机无穷大系统在0s发生三相短路故障。当故障被清除时，其中一条并行传输线在0.1s内被切断。发电机的转子转过的角度，旋转角速度偏差，电气有功功率输出，端电压，三相短路故障时PSS的输出等的响应发生故障时，端电压大概下降到0.45pu，而电气功率下降到零。从仿真结果可以看出，故障被清除后，没有PSS的方案系统遭受了一次大震荡，而有传统PSS的方案中，系统震荡发生了衰减。同时我们也可以看到，在所研究的PSS方案中，系统震荡更小，衰减更快。在故障传输线被切断后，功角最终增大到460°，端电压略有增加。仿真结果表明：所研究PSS的工作效果远比没有PSS的系统好得多。甚至在抑制震荡方面比传统PSS更有效。6.结束语本文基于同步控制理论提出了一种设计单机无穷大电力系统的电力系统稳定器的非线性方法。这种方法利用电力系统综合控制的非线性模型，解决了线性控制问题。从理论上讲，对于必要的工作模式 ，负载变化的不变性，输入变量和电力