（流体机械及工程专业论文）基于pcc的电力系统稳定器的设计与研究.pdf

摘要 论文题目：基于p c c 的电力系统稳定器的设计与研究 学科专业：流体机械及工程 研究生：关欣 指导教师：南海鹏教授 签名： 签名： 摘要 随着国内电网规模的日益扩大，运行方式也日趋复杂，低频振荡已然成为危害电力系 统稳定的一个重要问题。众多抑制低频振荡的措施中，电力系统稳定器是行之有效的措施 之一。电力系统稳定器的理论已经成熟，在实际工程应用方面，国外已普遍使用并取得了 良好的效果，国内机组p s s 的配备仍不够完善，因此，在原有励磁系统的基础上研制开发 可靠、稳定的电力系统稳定器有着一定的现实意义。 本文利用传统的电力系统稳定器的设计方法，以p c c 为控制器核心，研制一种电力系 统稳定装置，该装置具有适用性广泛、开发周期短等特点。本文设计中采用高性能p p 4 1 作 为处理器，使得整个系统具有较强的运算能力，p s s 的软件设计采用a s 语言，能够在人机 界面上方便地调整p s s 的参数，从而使该系统具有较强的适应性，保证其对各种工况下都 有很好的抑制效果。最后在实验室条件下对电力系统稳定器进行了测试。完成负载阶跃扰 动试验。 试验结果证明本文设计的电力系统稳定器的性能指标达到国家标准；证明了本文采用 的设计方法有效。 关键词：低频振荡；电力系统稳定器；可编程控制器； 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m s 1 a b l l l z e rb a se do np c c m a j o r ：n i i i dm a c h i l l e r ya n de n g i l l e e r i n g n a m e ：x i ng u a n s i g n a t u 怕：( 锄丕溯 s u p e r v i s o r ：p r o f h a i p e n gn a n s l g n a t u r e ： a b s t r a c t w i mm em d 伽i a lm 栅o r ki n 咖n n 础o np r o j e c ti na l i n a 也e 玳撕o r ko f p o w 贫s y s t e m i sm o r c 锄dm o r el 鹕e 锄dc 0 m p l e 】【a n d 也mt h el o w 自唧c yo s c i l l a 矗o ni s be c o m i n go n e o f 也em o s ts e r i o l l sq u e s t i o 璐w b i c ：h 也r e a t t h es t a b i l i 巧o fp o w 盯蹈s t e m ( ) n es o l u t i o nt 0n l i s q u e s t i o ni st h ep o w e rs y s t e m 汹i 1 讫a b o u t 谢h i c ht h em e 0 巧i s p1 a i n 纽dp e r f e c t 虹da tt 1 1 e s 锄et i m e ，i th 勰d 0 咖a9 0 0 dw o r ki n 也e 砌a p p l i 垃0 ni n m ef 0 r d 口c o u n t r i 骼b u ti n i ti sn o t l l r 岖1 r n 廿y 也a tm e p o w 盱s y s t e ms t a b 物h a sb e e n1 l s e d i i lm y 删c c t ，1w m d 销i g nt h ep o w 贸s y 双e ms t a b i l i z 盯d 嘶c eb 丛e do n 也e ：p ( c o r 击n gt 0m e 心a d i 畦0 n a l 也e 0 巧c i ) m p a r e dw i m 也ea d v 孤c e d 击昏t a le x c i t a 矗o n 砌u s t e f l h ed e 、，i i ss m a u ，f l 【i b l ea n d e c o n o m i c a l s e l e c t e dp p 4 l 如也ei n t e 舯垃v cc o n 劬n 盱sc 0 r e c 0 m p a c d 谢t 1 1 也ef i 】n 嘶0 no f m i 口0 p c 嚣s o r 七勰c d 懿c i t 撕0 nr e g ：1 1 l 锄t h i sd e v i h 嬲a 丽d er a n g po fa p p l i c a b i h 锣纽d s h 嘣d e v c l o p m 耐c y c l e h 也i sp a p 贸t h ed 嚣i g nh i g h p e f f 0 皿a n c ep p 41 雒m ep r o c e s s o r m a k 吨m e w h o l es y s t e m 谢ma 灿n gc 0 m 1 咖p 0 w m ep s ss 0 脚a r ei sd 鼯i 弘e d 谢也t h e a s1 a n g u a g e ，o nt h em 觚- m a c h i n ei n _ t e ! r f a c e ，c o n v e n i e n ta 由咖钮to fp s sp 黝e t e 擂，t h a t t l l es y s c e mh 雒咖n ga d a p t a b i l i 饥t 0 印s u r ei t su n d 盯谢。璐c o n d i 戗。璐h 硒9 0 0 di n h i b i t 0 巧 e f f e c _ t p o w 贫s y s t 锄s t a b i l i z 贸h 嬲b 嘲t 鹤t e d1 】n d e rl a b o r a 慨哆c 0 删。璐t 0i n l 】p m v et h e p r 谢。瑚c 0 咖n e r s 邮b l 锄a tm 既蝴哪s 1 0 w i l lt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o 璐，伍ep o w 钌s y 鼬e ms t a b i h z e rh 鹪b e 钯嗽dc 1 ) m p 】e t em e 甑c i 僦0 no fl 0 a ds t e p 蝴锄e x p 谢m 既t 1 1 1 e 碳；u l t sp m v ct h a tm e ；p o w 盯咖 s t a b i 】i z e r0 _ b 住i i nt h en 砸o na ：is t a n d a i d s k e yw o r 凼：l 0 w 缸掣衄c ) ro s c m 砸。地；p o w 口s ) r s f t 锄s t a b i l 边p c c ； 2 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 电力系统的快速发展，快速励磁系统及快速励磁调节器的应用，使得不少电力系统出 现了低频振荡，给社会经济、工业生产和人们的生活带来了不可估量的损失。二十世纪六 十年代美国西部电网发生了低频振荡，造成了事故跳闸【i 】。之后日本及一些西欧国家也开 始出现了低频振荡的例子，这些国家开始重视这一问题，并着手研究造成这一问题的原因 及对策。 电力系统稳定性非常复杂，关于它的研究包含两个方面：分析方法及相应的改善措施。 电力系统稳定性的分析方法有以下几种：时域分析法、特征根分析法、直接分析法脚。改 善措施有两种，分别是加强一次设备和改善控制的手段，例如使用先进的励磁控制手段【3 】。 对于电网的安全稳定来讲，这两种措施都很重要，并且应该相辅相成。从电网的经济运行 角度来讲，比起花费大量资金去加强一次设备，采用有效的控制手段去改善稳定性显得更 为经济合理。随着先进控制理论在电网控制领域的应用，计算机、电子技术的迅猛迅速发 展，可以明显看出依靠控制手段去提高电力系统稳定性的优越性，当然这一手段也使电网白 的效益逐步增加。控制手段可以按安装地点的不同划分为发端控制、线路控制、受端控制 【4 】。显然，在以上的几种控制措施中，发电机的励磁控制具有经济，易实现且效益显著的 特点，因而得到了广泛应用。电力系统稳定器属于励磁附加控制的一种，也是在励磁控制 发展上的一个技术突破，它可以有效抑制电网产生的低频振荡，使系统动态响应得到有效 的改善。p s s 装置的作用在于增加系统阻尼，使低频振荡的衰减速度变快，使得电力系统 在干扰下也能迅速恢复稳定。因此本次课题的主要研究内容是基于p c c 的电力系统稳定- 器的设计。 1 2 电力系统稳定的定义及分类 图1 1 珥日呐丑c r e 电力系统稳定的分类示意图 f 培l lm 班狄槐a 删迸蛐s c l l 锄血o f 伍e 聊s y s 岫 西安理工大学项士学位论文 给定运行条件下的电力系统，在受到扰动后，重新回复到运行平衡状态的能力称为电 力系统的稳定性网。要求系统中的多数变量可维持在一定的范围，使整个系统能稳定运行。 如图1 一l 所示，根据性质的不同，电力系统稳定性可分为功角稳定、电压稳定和频率稳定 三类。 a 功角稳定 同步发电机在受到扰动后依然能保持同步运行的能力称为功角稳定。同步转矩或阻尼 转矩不足会引起功角失稳。功角失稳又包括非周期性失稳和振荡失稳，前者由同步转矩不 足引起，后者是阻尼转矩不足导致【6 1 。功角稳定根据所受扰动的大小不同又可以分为以下 两类： ( 1 ) 小干扰稳定性 系统受到小干扰后( 负荷的随机变化及随后的发电机组调节) 不发生自发振荡或非周 期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力称为小干扰稳定性。小干扰稳定有两种形式： 非周期失稳和振荡失稳。振荡失稳又包含本地地模式、互联模式。若系统在小干扰的作用 产生的振荡，但振荡逐步被抑制，系统状态的偏移量也足够小，则表明系统稳定；若振荡 的幅值在不断增大或无限维持，则表明系统不稳定川。系统在遭受小干扰后是否稳定与以 下因素有关：电网初始运行状态，输电系统中各元件联系的紧密程度，以及各种控制装置 的特性等。正常情况下，电力系统首先应该是小干扰稳定的，它的稳定研究的时间范围在 扰动之后1 0 一2 0 s 时间内。 ( 2 ) 大干扰稳定性 电力系统在遭受输电线短路等大干扰时保持同步运行的能力称为大干扰稳定性。它也 分为非周期失稳、振荡失稳。两种干扰稳定都属于电力系统机电暂态问题，都是分析系 统从正常运行状态开始，在受到干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者 过渡到一个新的平衡点的问题。 b 电压稳定 电力系统在受到扰动后，凭借系统本身固有的特性和控制设备的作用，维持所有母线 电压在可接受范围的能力称为电压稳定。电压稳定也分短期和长期。 c 频率稳定 系统在受到致使发电和负荷功率严重不平衡的大扰动后，维持系统平稳频率的能力 嗍。频率稳定也可以分为短期或长期现象。 3 低频振荡概述 1 3 1 低频振荡的定义 一 正常运行时，发电机向负荷输送的电功率保持不变但在扰动下，将发生一种自发波 动的现象【1 田。波动频率通常在0 2 2 5 h z 之间，故称之为低频振荡。由于低频振荡通常 会表现为发电机电功率的波动，所以也被称为功率振荡。 2 绪论 1 3 2 低频振荡的分类 为了分析低频振荡的发生机理，进而分析并采取有效的方法去抑制振荡，有必要对低 频振荡作分类研究。如表1 1 所示，低频振荡分为：地区振荡模式，电厂振荡模式，控制 器振荡模式和次同步谐振模式【l l 】。导致它们的振荡原因各不相同，表现形式也不一样， 因而我们需要建立不同的数学模型去分析和研究。 表1 1 低频振荡分类 地区振荡模式电厂振荡模式控制器振荡模式 次同步谐振模式 振荡类型 ( 瓯i b 毋，n d b 瑚m 嵋 i 证协r - i m 薯m o d e )a m 渊( c 删m o d e ) o s c i n a l i ) 一个地区机组群和系 站内机组和全系统其他 仅和系统中特定发电 表现形式统中另一地区机组群 机组问的振荡 机及其控制设各相关 某机组轴系和网络谐振。产 之间的振荡的振荡 生互赠振荡 频率范围 0 2 0 7 h z o 7 2 o h z 2 o h z 6 o h z 系统整体缺乏足够的控制设备配置不合 电磁系统频率和轴系频率 振荡原因阻尼，通常由于两大 机组上快速励磁装置给 理，给系统引入负阻 系统引入了负阻尼耦合产生互赠振荡 机群之间的联系较弱 尼 局部系统详细建模，其他局部系统详细建模，考虑轴 研究方法全系统详细建模系统等值建模或简单建 用单机无穷大系统模 型详细建模研究 系和网络动态，其余系统简 模单建模 1 3 3 低频振荡的机理研究 迄今，学术界对低频振荡机理的认识主要有以下几种理论： ( 1 ) 负阻尼机理 快速励磁系统的应用，以及系统互联使得系统阻尼下降，导致系统表现出负阻尼特性， 使得某些频率的振荡长时间不能消除【1 2 】。该机理清晰明确，不过仍局限于单机无穷大系 统中，无法应用于多机系统。 ( 2 ) 电磁惯性 在励磁电压的作用下，电感性的励磁绕组将产生一个滞后的相位，该滞后的相位将诱 发振荡【1 3 】。 ( 3 ) 共振机理w 当原动机遭受振荡的频率与系统固有频率相近或相等时，将出现等幅振荡【1 4 】。这种 低频振荡起振快、振荡频率与所受扰动频率一致、消失快。 以上三种机理分析下的低频振荡与电力系统的结构及参数关系密切【1 5 】，不同机理下 3 西安理工大学硕士学位论文 的低频振荡可能同时发生，有时还会相互作用。 1 4 低频振荡研究现状 研究低频振荡，我们需要逐步研究如下问题【1 日：系统有没有发生低频振荡，发生的 位置在哪里，发生模式是什么，系统中那些元件参与了低频振荡，有无外界干扰源，系统 的阻尼情况，低频振荡对系统造成了怎样的影响等。 基于负阻尼机理的抑制策略有两种，一种是针对一次侧系统，主要依靠功率调制，例 如，f a c r s 装置、h 忱i c 等附加控制控制手段，另一种是针对二次侧系统，也就是利用 励磁的附加控制控制，也就是本文中采用的p s s 。以上所述的控制方式中，f a c r s 装置 灵活快速，但成本较高，参数协调复杂【1 7 l 。相比较而言，p s s 更加经济、适应性也较强， 因而应用广泛。 1 5 电力系统稳定器研究现状 1 5 1p s s 国外研究进展 2 0 实际5 0 年代开始苏联就开始采用附加反馈去控制励磁系统【l s 】，与现有的发电机励 磁系统配套，去抑制系统在受到大干扰后产生的振荡。而当时的美国已经遭遇了低频振荡 引起的系统事故，因而从2 0 实际六十年代开始，就通过在发电机励磁系统中增加负反馈 的形式去提高系统的阻尼【1 9 】，并称之为电力系统稳定器。起初这种装置只在西部电力系 统应用，后来，几家大型发电机厂，g e 、西屋等都开始提供p s s 装置，如今已得到了广 泛应用刚。1 9 7 3 年，k 斌咖抽水蓄能机组在运行时发生了低频振荡，随后在安装微 机p s s 后系统阻尼得到了改善，抑制振荡效果显著【2 1 】。早在8 0 年代，日本的大部分发电 机组就安装了p s s 。近几年开发出模糊控制p s s 并取得了专利圈，这种新型p s s 能更有 效的抑制低频振荡，并适应于多机振荡模式。 7 0 年代前期，澳大利亚东南部t 1 衄u t 3 电站发生了低频振荡，当时采取减负荷和增磁 去抑制，在经历7 0 年代后期低频振荡造成的损失后，积累了大量经验并促使p s s 装置成 为本国发电机励磁系统必不可少的部分c 2 3 】。现如今对励磁系统的要求有两点，一是高响 应，二是配置电力系统稳定器【2 4 】。 加拿大一直在为提高电网稳定做着不懈努力，在大量研究和实测后建立了励磁系统模 型以及p s s 数学模型口5 】。目前加拿大电力部门采取两种措施提高电力系统稳定性：一方 面使用快速励磁系统提高电力系统暂态稳定，另一方面配置p s s 来改善系统的动态稳定 性。 在控制领域，针对p s s 的设计方法除了经典控制理论外，近年还将各种新颖的控制 方法引入到p s s 的设计中i 如自适应控制策略，最优控制策略等，并已研究实现了适应性 更强的p s s 装置。 4 绪论 1 5 2p s s 国内研究进展 1 9 8 0 年，我国第一台p s s 装置投入青海八盘峡电厂，之后在湖南风滩电厂发电机励 磁系统也配置了p s s ，增强了线路输送功率【2 6 】。八十年代初期，香港联络线遭遇低频振荡， 之在各大主干机组配置了电力系统稳定器，功率振荡问题显著改善【2 7 】。 尽管电力系统稳定器在国外早己普遍应用，并以成为维护电网稳定的基本措施，但在 国内应用并不是很广泛，并且即使有p s s 装置也没有真正投入运行，这个问题主要由以 下几点原因造成： ( 1 ) 由于低频振荡可以通过改变运行措施加以防止，因而对于真正阻尼不足造成的事 故，常归结为系统遭遇的大干扰： ( 2 ) 电力系统对动态稳定的分析计算不够网。只在系统发生自发振荡时才去考虑配置 p s s ，而对弱阻尼情况下导致的振荡失步重视不够； ( 3 ) 由于低频振荡是个系统级的问题【2 9 】，电厂宁可去增加无功补偿也不愿意花费资金 去配置p s s ； ( 4 ) 已配置p s s 装置的发电机组大部分都不够完善，例如采用转速信号的电力系统稳 定器并没有相应的转速检测器与之配套，或者即使在a v r 上有关于p s s 的功能说明也并 没有在电厂实际投运p s s 。 ( 5 ) p s s 参数整定及试验资料匮乏【3 0 】，现场调试方法需用专用仪器，限制了p s s 的推 r 。 1 6 本课题研究的主要内容 在了解目前国内外电力系统稳定器的情况和存在的问题的基础上，本文研究的主要内 容是： ( 1 ) 了解低频振荡产生的机理及电力系统低频振荡的研究现状及存在问题。 ( 2 ) 了解电力系统稳定器产生的背景及现状。 ( 3 ) 提出基于p c c 的电力系统稳定器设计方案，包括p s s 模型选择与参数整定；运用 m a n a b 搭建单机无穷大模型，运用仿真工具验证算法的有效性。 ( 4 ) 在p c c 的开发环境下使用a s 软件完成系统的软件设计，实现从读取a d 采样数 据、计算电功率、到输出p s s 的运算结果这一完整的p s s 功能。 ( 5 ) 在实验室条件下，做负载阶跃响应实验，验证p s s 的有效性。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 电力系统稳定器参数计算与仿真 电力系统的稳定，第一道防线就是电力系统暂态功角稳定，即在受到大干扰( 断路故 障，突然增加或减小发电机出力等) 后，同步发电机回到稳态运行的能力。如今电力系统 的互联与扩大，各种快速励磁调节器的应用极易诱发电力系统低频振荡，制约电网传输能 力，从而影响电力系统安全稳定运行【3 1 】。电力系统中发电机经输电线路并列运行时，在 扰动下会发生发电机转子间的相对摇摆，且在缺乏阻尼时引起持续振荡，此时输电线上的 功率也会发生振荡( 0 2 2 观) ，低频振荡又称功率振荡。在众多抑制低频振荡的措施中， 电力系统稳定器是种经济，有效的方式，也是国际大电网会议推荐的首选措施。本章将在 研究p s s 对低频振荡的抑制作用的基础上，以m a = 。a bs i 如：i l l i d k 作为仿真平台，借助 p s b 口o w 盯s y s t 锄b l o c k s e t ) 工具箱建立电力系统仿真模型，利用m a 。a b 提供的分析工 具做出系统频域分析，并根据结果对原p s s 模型进行参数整定。最后仿真验证其有效性。 本文在研究p s s 对低频振荡的抑制作用的基础上，利用m a n a b 建立励磁调节系统仿真模型， 对以留和为输入信号的p s s 分别进行了参数计算：并对比其对系统稳定性的影响。 2 1p s s 概述 电力系统稳定器是一种励磁的附加控制，作用为抑制电网的低频振荡。随着自并励静 止励磁系统的广泛应用，p s s 附加控制更成为励磁系统不可缺少的功能之一。好的p s s 附加控制能够增加弱阻尼或负阻尼励磁系统的正阻尼，能够有效的抑制电力系统低频震 荡，从而提高发电机组( 线路) 的最大输出( 传输) 能力。p s s 将一个领先于轴速度的附加信 号，如发电机有功功率、转速或频率，引入到自动励磁调节器中，产生一个正阻尼转矩， 去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用，从而抑制了低频振荡。 2 2p s s 模型 国际上典型p s s 有三种，如图2 1 所示，其中a 、b 两种为匝e e 推荐的p s s 模型，c 为正c 推荐的p s s 模型，这些模型具有技术简单及运行可靠等特点。这些推荐的模型由以 下几部分构成，如表2 1 所示，p s s 参数设计的重点为相位补偿环节。 表2 1p s s 模型介绍 1 ) 2 1i f i t l l 碉u c d o no f p s s 模型作用 传感器惯性环节抑制大于4 o i k 的高频非主信号。限制其幅值在主信号幅值的1 0 范围之内 高频滤波器过滤轴系扭振信号和其它高频信号 相位补偿器 补偿滞后的相位一般设置两级，根据现场情况也可为设置为单级或三级 隔直单元滤除0 o l i k 以下的非主信号 冲洗器 可以根据信号频率的大小自动投退p s s 6 电力系统稳定器参数计算与仿真 传感器高频滤波器 1 + 4 s + 4 s 2 j 生堕 i ! 苎互 相位补偿器 fl + s 五 制三 j ! 点互 相位补偿器 一 墨矗 放大器和冲洗器 ( a ) 正e e 的单输入通道系统 ( a ) t y p ep s s l a - s i n 酉e 抽p 吡p s s 一 曲 m e e 的双输入通道系统 ( b ) t y p ep s s 2 b 】翻瑚抽p u tp s s 传感器高频滤波器 1 + 4 s ，+ 4 ，： ( 1 + 4 ，+ 4 舻) ( 1 + 厶+ 4 ，z ) 1 + s 五 1 + j l 1 + s 互 1 + 5 z墨盎。1 + s 正ii 圪 相位补偿罂相位补偿器 放大器和冲洗器_ j 血 ( c ) 戏的一种系统 ( c ) t y p e p s s 黜c 锄db ，c 图2 1 三种典型的p s s f 迢2 1 胁锄p i c a l 殚r w 曩巧斑m 哟i b i l i 硪 大器 7 西安理工大学硕士学位论文 2 3p s s 输入信号 如表2 2 所示，p s s 输入信号主要有以下几种【3 2 】，转速信号w ，电压频率厂，电功 率，或是以上两种信号的组合，例如w & 必，他& 厂。p s s 将把这些测得的主信号 按照规定的目标传递到自动电压调节器中，阻尼o 1 3 0 h z 范围的三类振荡。 表2 2 p s s 输入信号 t 曲2 - 2 岫叫s i g n a lo fp s s 信号测量方式适用场合优点缺点 发电机轴上测量微分作用强 w 强联系系统作用随发电机符合增大而增大 机械量，测量复杂控制回路易谐振 从机端电压测取抑制地区性低频振可自动补偿系统联系减弱时励磁微分作用强 l 电气量荡系统增益的减小控制回路易谐振 超前a w 轴9 0 ，可少用一级超 电气量电路简单，应用广泛可能引起无功反调 前环节 2 4 单机无穷大系统模型简介 目前，被用来做低频振荡的研究分析的一般有单机无穷大系统或二机无穷大系统两 种。这种简化后的电力系统分析计算，可以明确低频振荡和运行参数之间的关系【3 3 】，进 而开展p s s 的参数设计并改善系统阻尼状况。本章m a r r i a b 仿真中采用的是单机无穷 大系统模型，该系统假设电压恒定。 2 4 1 同步发电机模型 同步发电机模型见图2 2 ，其中，墨k 。为线性化常数，一般为正，墨在发电机负 图2 - 2 同步发电机模型 f i 9 2 - 2s ) 吡妇咖寥嘲衄m o d c i 荷较小时为正，负荷较大为负；己为机械转矩；为电磁转矩；f q 是发电机纵轴暂态 电力系统稳定器参数计算与仿真 电势；是由励磁电压决定的假想空载电势；w 为转速；w o 为同步转速；阢为机端电 压；万为同步电机功角；d 为阻尼系数；m 为惯性常数；墨为励磁系统放大倍数；z 为 励磁系统时间常数。 2 4 2 励磁系统模型 励磁系统是一滞后单元，其传递函数为： 啪) = 瓜高麓嘉丽 亿d 相频特性： 热c 归叫矗等等虹l 汜2 ， 其中墨。0k 。为线性化常数，一般为正，墨在发电机负荷较小时为正，负荷较大为 负； 如图2 - 3 所示，为励磁滞后角，巳：为发电机滞后角，巳 + 巳2 ；m 。为a v r 产生的电磁转矩；口为p s s 补偿相位角。 j 励磁系统滞后角一般为3 0 。1 2 0 ，设滞后角优= 9 0 。时，系统的频率为厶，当 厂 兀，系统滞后角大于9 0 。当采用频率信号作为p s s 的输入信号时，p s s 应具有超前角9 ，设计时应使矽，略小于见，这时p s s 产生的附加力 矩与a w 轴同相位刚。当输入信号是功率时，由于- a 心超前w 轴接近9 0 - ，因此p s s 需要超前 角度为口，= p 一9 0 。 然而在快速励磁系统中，p c 弋 6 咄 图2 - 3 p s s 原理图 f 培2 - 3 p s sp i 蛔= i p k 9 西安理工大学硕士学位论文 2 5m t l a b 简介 2 5 1 队t l a b 概述 m a 蚴是一种数学工具软件，其中的电力系统模块库于1 9 9 8 年创建，该库在 s i m l l 】i n k 环境下运行，其中包含有各种电力系统专用的元件和模块。在m a a b 后期的版 本中，该库扩充了大量常用的模型元件，极大的方便了用户使用。 m a l l 。a b 的主要特点： ( 1 ) 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数非常丰富【3 叼，因而避免了许多繁琐的编程 工作； ( 2 ) 多种运算符。m a l r i 。a b 中基本有着跟c 语言一样多的运算符，这使得程序变得更 加简洁； ( 3 ) 控制语句结构化，编程可以面向对象； ( 4 ) 语法不严格，编程自由化； ( 5 ) 程序具有很好的可移植性； ( 6 ) 具有强大的图形功能，可视化简单，编辑图形的能力强； ( 7 ) 具有功能强劲的工具箱，本章中设计选用的就是p s b 工具箱。 2 5 1sim ui n k 简介 s i m u l i n k 是一种仿真及模型设计工具，它可以提供交互环境及各种模块库，方便设计 人员进行模型的执行和测试，在工业控制领域的各种系统应用广泛。它具有以下特点：【3 6 】 ( 1 ) 丰富的可扩充的预定义模块库； ( 2 ) 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图； ( 3 ) 可以分割模型，便于管理较为复杂的设计； ( 4 ) 运行仿真时，可选定步长或者变步长； ( 5 ) 仿真结果清晰可查，方便诊断系统性能； ( 6 ) 可视化的操作环境，方便建模，修改参数及数据分析。 2 5 1si l i i p 伽e r s y s t 硼s 库简介 如图2 4 所示，s i 皿l p o w e 娼y s t e n 坞库包含超过l3 0 个模块，这些模块分布在六个子库 中。库中还包含测量和控制电流与电压的模块【3 7 】。它们可作为电子信号与s i 珊】1 i n k 模块 之间的链接。其他的测量模块可提供傅立叶分析和三相序列分析。可以在模型中的选定位 置使用测量模块，以便通过s i m u l i n k 示波器观察电子信号，或将其转换成s i m l l l i n k 信号。 1 0 电力系统稳定器参数计算与仿真 囊甜t ；逆鍪j 雾孥餮要爱7 謦黪量j u ! 譬疆霹露登互j 瑟瑟j 翼j 警z 麓：i 等譬? 。鬈? 翟蔫磊雾荔骂薯警l ；瑟 丽i 淫重霾莺薹要面i _ 了_ j - _ _ 一_ 。_ i 焉_ - _ _ _ 篡蒜基i 塑冀等葶黧譬”； 匿黑蓑 瓷芝：塑篁- 蓬篇警囊兰：。 傍黧耻静誉“( 丑一m 箍嚣要嚣= 基j 裴瀑烹* 黧啦* 1 - 翟川一呻弱翟? s 翅2 = 器 ： 譬翱_ 。 一十_ 一 =，二 i 善嚣：曼墨。：i 刻等斟麓鬻。垂蝥2 瓮麓i 蛩端f 圉篡薏美。i = 耋羹慧“ 磐釜篡，i _ 囊蟹= 蒿，圈= 君篙匿篡黧：墨裟黧：誊2 詈慧譬。垦篡黧? ： 七n 岫参“一一 一 一 雏2 誊攀；零篷鬻x 露怒篆 ； l 舶丑睁睁麓： 叠1 - - 罅。1 一，! o 鬟爱鼬c _ 蜘i o 一：瓮 j 羹l _ 吐n 哺p 谵三j 载 ； 量酬卑h “； 基铂触角r h “一l 登钿_ h - l o ! _ 叠睁净r 尊睁 i 蔓& 叫h 、 奎墅鲤些塑兰兰兰二：。一：。一一。：=：。：。：一二：一一：二 墅! 堡! ! 壁苎一一一一一一一一一一一一： 图2 4s i i l l p o w e r s y s t 锄s 界面 f i g 2 _ 4 s i m p o w e r s y s t 即皓i n t e 匝l c c s i m p o w e r s y s t e m s 库提供以下子库【3 8 】： e l t r i c a ls o u r c e s ( 电源) ：包括交流和直流电压源、可控电压和可控电流； e 1 e c t r i c a lc i r c m te l e m e n t s ( 电路元件) ：包括电阻、电感、电容分支和负载、线性和饱 和变压器、避雷器和断路器以及输电线路模型； e l e c 仃i cm 砌血e 吼电动机械：) 包括同步、永磁同步及直流机械模型、励磁系统、液 压和汽轮机调速器系统模型； p o w e r e l e c 仃o n i c s ( 电力电子) ：包括二极管、简单和复杂可控硅、g t o 、开关、m o s f e t 、 i g b t 模型及通用电桥； c o n 臼的la n dm e 笛u r e m e n t ( 控制和测量) ：包括电压、电流和阻抗测量、i 己m s 测量、有 功功率和无功功率计算，以及计时器、万用表和傅立叶分析、h v d c 控制等； 1 1 b r e e p h a s ec o m p o n t s ( 三相元件) ：包括r j c 负载和分支、断路器和故障、兀节线路、 电压源、二极管、可控硅、变压器、发生器、分析器以及测量等。 进入m a t l a b 系统后打开模块库浏览窗口，双击即可打开其中的s i m p o w e r s y s t e m s ， 即电力系统工具箱模块库。由于这些元件和模块是由电力工业领域的专家提出并得到实际 证实的，符合电力专业分析软件的要求，所以在本章的设计中将利用这些库模块将该库与 s i m _ u l i i 出配合，以创建由s i d a p o w e r s y s t e m s 元件和控制回路组成的单机。无穷大系统仿真 图。 2 6p s s 参数整定 本文将基于m e e 推荐的模型，分别采用输入信号为转速和功率的p s s l a ，逐一进行 参数整定，并对比其对系统稳定性的影响。 同步发电机参数： 只= 2 0 0 删，u 。= 1 3 8 ，无= 6 啷z ， 西安理工大学硕士学位论文 r 。d = 1 0 s ，丁。d = 0 0 5 3 s ， r “孽o = 0 1 s ，z d = 1 0 3 5 p 埘， 工。d = o 2 9 6 p 卫，x 1 一= o 2 5 2 p - l | ， k = o 4 7 4 p 埘，z 1 9 = o 2 4 3 p 皿， 五= 0 1 8 p 卫，日= 3 2 ，间，d = 2 励磁系统参数： 足。= 3 0 0 ，疋= 0 0 5 j 。 励磁系统参数：k 。畜3 0 0 ，z = o 0 5 j 2 6 1 系统固有频率的确定 利用以上单机无穷大系统中小扰动下的同步发电机方框图可得到图2 5 所示的电机 开路时的电压调节环【3 9 】。将电力系统简化为如下二阶模型。 应用m a l la b 中s i s o t 0 0 l 工具箱，得到该系统的传递函数： g g ) = 3 0 0 ( o 0 5 j 2 + 1 0 0 5 s + 3 0 1 ) ，调用d a m p 函数，可以得到系统的固有频率： 正= 2 4 5 阳d s = 3 9 日：。 图2 - 5 电压调节环 f i g 2 - 5 t a g e 龙g 山d l o 叩 2 6 2p s s 参数计算 在m a n 。a b 环境下计算p s s 参数，首先，绘制系统的b o d e 图，得出相角裕量和幅 值裕量。其次，观察系统的频率特性，根据输入信号的不同选择适当的计算方法。最后， 对比校正后的系统与原系统的b 0 d e 图，看参数设计是否满足要求。 1 输入信号为转速信号的p s s 本文采用正e e 推荐的p s s l a 模型，用单点最优法设计思想计算p s s 相位补偿环节 参数。为了保证在o 墉：一2 5 日：范围内有较宽的频率补偿，选择= 2 5 日：作为中心频率 点。根据系统的b o d c 图，厂= 2 5 日：时系统滞后角口。= 4 2 。，p s s 需要整定的角度 以= 口。一5 。= 3 7 。采用两级超前滞后校正，每个环节超前以2 1 9 。 由公式得低频衰减羲扣涨- 0 爱k 蠢劫厩_ 超前校正戤瓤 电力系统稳定器参数计算与仿真 糍= 嵩罴，互= 互一0 眺五= 互_ o 吣，p s s 的超前滞后环节为： f ，1 + o 0 9 s 、2 l i l + o 0 4 5 s p s s 的增益可以由仿真计算获得。缓慢增大k 直到某个量出现明显振荡，此时获得 的即为临界增益。根据临界增益法，取临界增益的1 3 作为最佳增益。在这里取k = 1 。网 绘制系统附加p s s 后的伯德图。如图6 所示，附加p s s 后，系统相角裕度增大，附 加p s s 后系统在厂= 2 5 日，时的相角为1 8 ，参数整定的目标达到。 图2 - 6 系统伯德图 f 喀2 - 6 b o d e 丘g l 】鹏 2 输入信号为功率的p s s 本文第二个方案是以功率为输入信号的p s s 的设计。依然选用正e e 推荐的p s s l a 模型，根据原系统的b o d e 图，整定p s s 参数，并做出p s s 效果校核试验。 如本文2 4 2 所述，当输入信号是功率时，在快速励磁系统中，以 m 炒记录 i 硒咖锁存的次 数， 记录 锁存的次数1 。 b 姗【d i o 功能函数 l 1 义d o 功能函数参数说明如表4 2 所示。i 冱x d i o 功能函数可以读一个带有链接 的数字量输入，可以输入信号上升沿和下降沿。这个函数也可以用来记录输入信号的上升 沿或下降沿的个数。当输入的信号状态发生变化或者当比较计数器到达 c i n p c n 伊所设定 的值时都可以向另一个通道 发出链接的事件【5 l 】。 当收到一个链接时可以触发将 i 弛炒锁存到 的事件，当收到一个链接 时，根据输入信号的状态可以触发向另一个通道发出链接的事件。该函数具有一定的滤波 能力，为了能够识别下降沿，低电平保持时间必须大于 通道的链接，怎样响应一个 链接一次可激活一个或多个功能( b i 仅轳l 时函数激活) ： 链接将会被发送 b i t ：当输入为”o 。接收到链接( 桥接) b 的l ：当输入为”1 ”接收到链接( 桥接) b i 2 ：输入上升沿时 b 湖3 ：输入下降沿时 当接收到链接时： b i 口：q 遍? 。c n 伊将会镇存到 i 觚c h c n 以输入为”0 b i o 晒：q 独胁将会锁存到 i 柚c h 以输入为。1 ) 当抽p 既伊到达设定值时： b i _ 嘶：边沿技术器 i 啦；o 囱纠每会复归 b i t 0 7 ：发送一个链接 输入 l 口l l c h | m 字 链接将要被发送到的通道编号 $ o 啦田u j 墨道l $ 0 l 可曙u 脱2 西安理工大学项士学位论文 $ 0 泖u 通道1 5 s o f _ 1 阳u 通道1 6 输入 l d f i l t 冒字 低电平滤波时间( 最大s 8 0 0 0 单位为t p u 的时钟周期) 输入 h i f - n t 可字 高电平滤波时间( 最大$ 8 0 单位为t p u 的时钟周期) 输入 c i m p c n t 字比较计数罂 输出s 蛳s字 用来报状态( 略) 输出 h 1 【s t 砒字 当收到一个链接后，当 e i g 。q p 被锁存到 i 丑土c h c 伊时， 增加 输出 l i m 出c n t 字 锁存边沿计数器抽；e c n 以由于链接) 输出 e l g i n t 字输入边沿计数器 输出d i g i l i 位输入状态( 输入边沿计数器融e 血伊的0 位) c l 1 d o o 功能函数 i ：d o o 功能函数具有链接和延时功能的数字量输出。这个输出可以由另外一个通 道通过发送一个链接信号而产生。该函数可根据设置输出高电平、低电平和脉宽调制信号。 i 似d o o 功能函数参数说明如表4 _ 3 所示。 表4 3i 脓d 0 】x o 功能函数参数说明 r 抽4 _ 3d 嚣翻砸劬l 母猢e 胁臌d o o f i l n 萌 输入倚出参数类型说明 l ：函数块被激活 输入袖l c位 0 ：函数块禁止 这个参数决定何种事件触发发送到l 通道的链接，接收到一 个链接数字量输出做出何种响应一次可激活一个或多个功能( b i 臼口【t i 时函数激活) ： b i 0 4 ： e 啦晦，将会锁存到 i l 曲q 螂入为。o - ) b i t 0 5 ： l 岫 。c n 伊将会锁存到 设定时间的高电平 输入m o d c字 2 ：输出 设定时间的低电 平的脉宽调制信号 输入 d i 9 0 眦 位数字量输出的状态 输入 io h i d d a y双字节 低电平时间( 以1 1 p u 的一个时钟周期为单位) 输入 m b d c l 巧 双字节 高电平时间( 以t p u 的一个时钟周期为单位) 输出翻叠m s字 ( 略) 输出 in k s t a n l s字收到的链接数 输出 e l g a c n t 字 边界计数器( 位0 为实际的输出状态) d l 1 d p w o 功能函数 具有链接功能的脉宽调制函数。这个函数具有记录发出的边沿个数的功能，当记录的 边沿个数达到设定的数值时，可以停止发出调制脉冲。当开始发脉冲式边沿计数器可以被 复归【5 6 】。当接收到一个链接时，可以停止或者开始发出调制脉冲。当调制脉冲开始发出 或停止时，该函数可以向其它通道发出一个链接。开始延时时间( ) ，高电平持 续时间( ) 低电平持续时间( ) 是以t p u 的一个机器周期作为单位的。 l 1 x d p 删功能函数参数说明如表“所示。 表“i 盯酬x o 功能函数参数说明 t 出4 4d l 嚣甜晒6 0 n 缸蝴咖m 肥酬x o f l l n 舐吼 输入输出参数类型说明 l ：函数块被激活 输入 e n 曲1 e 位 0 ：函数块禁止 这个参数决定何种事件触发发送到l 通道的链接，接收到一个 链接数字量输出做出何种响应一次可激活一个或多个功能( b i t x f l 时 函数激活) ： 链接将会被发送 b i t 0 0 ：开始发出脉宽调制信号 b i t 0 1 ：停止发出脉宽调制信号 输入瑚o d e字当接收到链接时： b i t 0 2 ：开始发出脉宽调制信号 b i t 0 3 ：停止发出脉宽调制信号 附加功能： b i t l 4 ：当 达到设定值时停止发出脉宽调制信号 b i t l 5 ：开始发出脉宽调制信号时边沿技术器 将会复归 警告：如果延时时间未到又接收到一个新的链接。上一个链接将会被忽略 链接将要被发送到的通道编号 s 0 0 ：t p u 通道l s o l = t p u 通道2 输入k i 的l 锄字 $ 倔删通道1 5 $ 砸吲1 p i 通道1 6 西安理工大学硕士学位论文 ：1 时启动脉宽调制功能 输入s t 锄吨位 = 0 时停止脉宽调制功能 输入s t a 工h t t i c k s 字开始延时时间 输入l o - t i c k s字 低电平持续时间 输入 h i g h r i c k s 字 高电平持续时间 输入c p c n t字 边沿计