电力系统电压稳定器的研究

贺州学院本科毕业论文（设计）本科毕业论文二级学院机电学院专业电气工程及其自动化年级2009级学号0910617025学生姓名李赐有指导教师常宏斌职称讲师完成时间2013年04月15日电力系统电压稳定器的研究李赐有电力系统电压稳定器的研究独创性声明本人郑重声明：我所呈交的毕业论文（设计）是我在指导老师指导下取得研究成果。除文中特别加以注释和致谢的地方，论文（设计）不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与此研究成果相关的所有人做出的贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。签名：年月日授权声明本人完全理解贺州学院有关保留存档、使用本科生毕业论文（设计）的相关规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件或者磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅、借阅。本人授权贺州学院可以将本毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，亦可以采用影印、缩印、扫描等复制手段保存和汇编论文（设计）。本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）：签名：年月日指导教师签名：年月日贺州学院本科毕业论文（设计）目录摘要..............................................................1引言..............................................................21电力系统电压震荡产生的原理分析..................................32PSS在电力系统的作用及与其他方式的比较分析.......................32.2PSS与其他方式的比较分析...................................43电力系统的简化分析..............................................54模糊理论........................................................54.1模糊控制器的结构...........................................54.2Sugenon模糊推理系统.......................................74.3模糊控制规则表.............................................75电力系统稳定器的设计............................................85.1PSS的原理.................................................85.2引入模糊算法的PSS设计....................................146仿真结果与分析..................................................167结论...........................................................18参考文献.........................................................19ABSTRACT.........................................................20致谢.............................................................21贺州学院本科毕业论文（设计）1电力系统电压稳定器的研究作者李赐有指导教师常宏斌摘要：本设计主要提出一种基于模糊-比例积分微分控制地电力系统稳定器-PSS,它囊括了模糊、比例积分微分控制方式的优点，使得电力系统稳定器既有模糊控制简单有效的非线性控制效果，亦有比例积分微分控制的快速性和跟踪能力。本设计用单机无穷大系统为例子做了研究和模拟，实现了模糊、比例、积分、微分（FUZZY-PID）复合控制，其结果表明，本设计的PSS可以提高电力系统的稳定性和动态品质。关键词：模糊控制；电力系统稳定器；比例积分微分控制；复合控制李赐有电力系统电压稳定器的研究2引言随着大容量发电机组的投入、快速励磁系统、高电压、及远距离输电系统和大型电力互联系统的出线，系统的稳定性越来越突出。并随之产生新的电力系统动态问题。现在的励磁调节器通常采用的信号有反馈电压偏差ΔVt、电磁功率偏差ΔPe和速度偏差Δw、或机端电压频率偏差Δf、过剩功率ΔPm及他们的组合等。由于各输入量不同，且各有自己的功能和特殊要求，为使PSS的输出信号具有产生正阻尼的相位，一般PSS都要求配备相位超前/滞后网络。在现有电力系统稳定器中，模糊控制是最有效的一种控制方式，模糊控制逻辑属人工智能控制的方法，模糊控制有结构简单、物理概念清晰、知识表达简便、实时控制快速及计算量小等优点。可以克服在实际电力系统中电压稳定器的不足，即一般的模糊稳定器不具有积分环节，它不能完全消除稳态误差，特别在变量分级不够多的情况下，常会在平衡点附近出现微小的振荡现象。可以很好的提高电力系统的电压稳定性和动态品质，在电力系统控制中具有广阔的前景。贺州学院本科毕业论文（设计）31电力系统电压震荡产生的原理分析在远距离的输电系统中，励磁控制系统会减弱系统的阻尼能力，引起低频的振荡发生。其存在的可能原因，可总结为如下两条:（1）励磁调节器的按电压偏差比例调节；（2）励磁控制系统的具有惯性；当输电线路的负荷较重时，转子的相位角将发生振荡，由于励磁调节器是采用按电压偏差比例的调节方式，故提供的附加励磁电流相位具有振荡角度加大的趋势.不过励磁调节器维持的电压是发电机运行中的最基本的要求，不能取消其维持电压的功能。研究结果表明，在采用的电力系统稳定器去产生正阻尼转矩可以抵消励磁控制系统而引起的负阻尼转矩，这是一个比较有效的办法。我们的电力系统稳定器所采用的信号即可以是发电机轴角速度Δw或者为机端的频率偏差Δf、电功率偏差ΔPe和过剩功率ΔPm及他们的组合等。由于这些信号相对于轴角速度的相位不同，为了使PSS的输入信号能够产生适当的正阻尼的合适相位，一般的PSS都要求其配备相位超前或者滞后网络[1]。本设计提出一种基于模糊-比例积分微分（Fuzzy-PID)控制的电力系统稳定器，并作计算机（matlab）的模拟研究，对不同情况的结果分析比较。2PSS在电力系统的作用及与其他方式的比较分析2.1PSS在电力系统的作用2.1.1PSS可将小干扰稳定极限上升到线路极限在现代电力系统中，大型发电机的自动电压调节装置（AVR)在发电机重负荷长距离输电线路中，往往会出现负阻尼的作用。这种负阻尼，无论是快速励磁系统，还是常规励磁系统都有可能发生。AVR的负阻尼作用使得电力系统的小干扰电压稳定水平下降，远低于线路极限。因此线路极限是指保持发电机端电压恒定时的极限。当采用PSS时，可以提供系统足够的正阻尼有效的克服了AVR的负阻尼作用，把小干扰送电极限上升到线路极限。李赐有电力系统电压稳定器的研究42.1.2PSS对大干扰后系统震荡的阻尼作用电力系统的增幅震荡（低频振荡）可以在小的扰动后发生，亦可以在大的扰动后发生。通过近几年科学工作者的研究知道PSS对大干扰激发的振荡也有很好的阻尼效果。我们以图2-1（a）为例来进行研究。图2-1（b)快速励磁与常规励磁系统的研究结果。其大干扰动下：在线路L2的始端让其三相短路，在0.1S内切除L2。由图可以知道，无论是在快速励磁系统的作用下，还是常规励磁系统的作用，PSS都能够很快的印制振荡，只要1-2次振荡就可以平息了。（a）单机无限大系统（1）快速励磁（2）常规励磁（b）P=0.7时的大信号稳定图2-1大干扰作用下的单机系统及仿真结果2.2PSS与其他方式的比较分析励磁控制的最基本任务是保持发电机的电压水平在给定的标准水平上。而且它又提高了电力系统的稳定性。依据电力系统稳定的要求，在电压调节基础上可贺州学院本科毕业论文（设计）5以辅助一定的附加控制信号，得以达到改善电力系统稳定的目的。PSS则是为提高电力系统动态稳定的水平而发展起来的一种附加励磁控制。(1)AVR+PSS控制方式，可以把电力系统小扰动的稳定水平提升到线性极限。(2)AVR+PSS控制方式既可以用于快速励磁系统，亦可以用于常规励磁系统，也可以用于简单电力系统（比如两机），同时也可以用于多机复杂的电力系统。（3）AVR+PSS控制方式有很强的阻尼系统震荡的能力，且有较好的适应性及很好的维持发电机的电压水平能力，且有物理概念清晰，现场调试方便的优点，且更适于推广应用[2]。3电力系统的简化分析在第一、第二章中都曾提到过，电力系统中产生持续或增幅低频振荡的原因是因系统中产生的负阻尼作用，拆消了系统固有的正阻尼。电力系统是一个非线性的系统，但对电力系统低频振荡的研究，我们应用无穷大的电力系统模型是可行的。而且能更清楚的表明了低频振荡与其运行状态下的各种参数关系。以及用电力系统电压稳定器如何改进提高电力系统的阻尼系数，提高系统的稳定性。带有电力系统电压稳定器的单机无穷大系统如图3-1所示：图3-1带有PSS的单机无穷大系统4模糊理论4.1模糊控制器的结构模糊系统具有如下几个特征：李赐有电力系统电压稳定器的研究6a、模糊系统就是一个基于知识或基于规则的系统，其重要的核心是if-then的规则说组成的规则库。b、在一个if-then的规则里，一个用连续函数对多描述的居住所作出的if-then形式的陈述。c、模糊系统靠组合模糊if-then规则构造而成的。d、当我们把模糊规则当做控制器来使用时，我们也可以把这种控制器作为模糊控制器来使用。我们构造一个模糊系统的出发点就是要对得到的一组来自于钻井或基于该领域知识的模糊if-then规则而后将这些规则组合到某一系统中，对不同的模糊系统可以采用不同的组合原则。因为模糊控制器的控制规则是依据操作人员的控制经验说得到的，模糊控制器的作用也就是模仿人工的控制。然而用人工控制某一生产的过程中，一般的操作人员只能观测到被控的对象输出变量的变化率，或者说观察到的输出变量与输出变量的综合这两状态，然后凭借经验就可以对其中的生产过程进行控制。所以在常规的模糊控制器中，大多数是选偏差值e以及偏差变化率Δe，然而将控制量作为模糊控制器的输出变化率，这样就基本确定了模糊控制器的基本结构了。如图4-1所示，图中给出了一个模糊控制器的基本结构，模糊控制情况也划分为模糊输入接口，模糊推理判决的机构和模糊输出的接口三大部分，各部分的主要作用分别为：(1)模糊输入接口的功能是为了实现精确的模糊化，即将偏差e及偏差变化率Δe的精确值转化为模糊量，以方便进行模糊推理的决策。(2)模糊推理的决策机构主要功能是模仿人的思维特征，根据总结人工的控制取得的语言控制规则进行模糊的推理并且决策出模糊输出的控制量。(3)模糊输出接口的主要功能是对经模糊判决，将输出模糊量转化为精确的控制量施与被控的对象。贺州学院本科毕业论文（设计）7图4-1模糊控制器的基本结构4.2Sugenon模糊推理系统模糊推理是针对模糊输入和模糊规则[3]，按照我们确定的推理方法进行推理；得到的模糊输出量，其实质是将一个给定的输入空间通过模糊逻辑的方法映射到一个特定的输入空间，并通过模糊逻辑的方法映射到一个给定的输出空间的计算过程，对于一般的一阶Sugeno模型规则的形式为IfxisAandisB.thenz=px+qy+r式中，x与y将为输入的语言变量；A和B为推理前的模糊语言变量；z为输出语言变量，p、q、r问为常数。Sugeno模型中采用的单元素输出函数，其中模糊蕴含即是简单的乘法法则，模糊的合成即是各单元输出函数的简单包涵，该模型可以极大的提高逆模糊化处理过程的效率。4.3模糊控制规则表发电机的速度偏差及转速变化率信号最能代表系统的动态性能[4]，故被选择作