1、.装订线.毕 业 论 文励磁系统对电力系统静态稳定性的影响院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气 3 班 届 次 2015 届 学生姓名 学 号 指导教师 二 0 一五年六月一日I目 录摘要 .IIIAbstract.IV1 绪论 .11.1 前言 .11.2 励磁控制原理 .11.3 同步发电机励磁系统的介绍 .21.3.1 励磁方式的发展 .21.3.2 励磁调节的发展 .31.3.3 励磁系统对电力系统稳定性的影响 .51.4 本文的主要工作 .62 电力系统稳定 .62.1 引言 .62.2 电力系统稳定性概述 .62.3 电力系统稳定性的研究方法和对象 .72.4 电力系统的稳定
2、性基本概念 .72.5 电力系统静态稳定性的分析方法 .92.5.1 小干扰法分析简单电力系统的静态稳定 .92.5.2 根据特征值判断系统的稳定性 .103 基于 MATLAB 的电力系统静态稳定性的仿真与分析 .113.1 引言 .113.2 电力系统静态稳定性简介 .123.3 简单电力系统的静态稳定性仿真 .133.3.1 Simulink 模型构建 .133.3.2 MATLAB 仿真分析 .154 结论以及展望 .224.1 本文的主要结论 .234.2 后续的工作展望 .23参考文献 .24致谢 .25IIContentsAbstract .IV1 Introduction .1
3、1.1 Foreword .11.2 Excitation control principle.11.3 Introduction of synchronous generation excitation system.21.3.1 Development of excitation mode .21.3.2 Development of excitation regulation .31.3.3 The influence of excitation system on the stability powersystem.51.4 The main work of this paper.62
4、 Power system stability.62.1 Foreword .62.2 Overview of Power system stability.62.3 Research methods and objects of power system stability .72.4 Basic concept of stability for power system.72.5 Analysis method for static stability of power system.92.5.1 The static stability of simple power system is
5、 analyedby small interference method .92.5.2 Judging the stability of the system according toeigenvalue.103 Simulation and analysis of static stability of power system based on MATLAB.113.1 Foreword .113.2 Introduction to static stability of power system .123.3 Static stability simulation of simple
6、power system.133.3.1 Simulink model construction .133.3.2 Simulation analysis of MATLAB .154 Conclusions and Prospects .224.1 The main conclusion of this paper .234.2 Future work outlook .23References .24Acknowledgement.25III励磁系统对电力系统静态稳定性的影响摘要：由于我国远距离输电系统的发展、高压电网的建成以及大容量发电机组在电网中投入运行和联合电力系统地发展，一个要面临
7、的重要问题是怎样保持电力系统稳定、安全、可靠地运行。在提高电力系统的安全性和稳定性运行中，起着至关重要作用的装置就是同步发电机励磁系统。在诸多提高同步发电机稳态运行的措施中，人们普遍认为最有效和经济的措施是提高励磁系统的控制性能。同步发电机励磁系统的发展主要体现在两个方面：一是励磁方式的发展；二是励磁控制器的发展。励磁系统是同步发电机的重要配套装置,其对于改善电力系统运行的安全性和稳定性,保证电源质量具有重要意义。本文就发电机励磁系统展开研究，并通过 MATLAB 仿真分析关于发电机的励磁调节对电力系统静态稳定性的影响。关键词: 励磁系统 MATLAB 仿真 电力系统静态稳定性 IVThe i
8、nfluence of the excitation system on the static stability of power systemAbstract: Owing to the gradual development of long-distance tranmission system in China, foundation of the high-voltage grid, gradual operation investment of large capacity generators in the grid and the development of joint po
9、wer system, how to maintain the power system stable, safe and reliable operation, is a prominent problem to be faced. Synchronous generator excitation system to improve the security and stability of the power system plays a vital role. In many measures to improve the stability of operation of synchr
10、onous generator, improve the performance of their excitation control system, it has been considered the most effective and economic measures.Development of synchronous generator excitation system is mainly reflected in two aspects: First, the excitation mode of development; The second is the develop
11、ment of excitation controller. Excitation system is an important means of supporting synchronous generator, which is important for imporving the safety and stability of power system operation, ensure the power quality. In this paper, there is a study on the excitation, and an analysis about generato
12、r excitation regulating on power system static by MATLAB.Keywords: excitation system ; MATLAB simulation ; the static stability of power system11 绪论1.1 前言大型化、联合化电力系统的发展是世界电力系统发展的趋势，同时也是我国电力行业发展的必然趋势。保证系统可靠稳定运行的难度逐渐增大，因为电网规模的逐步扩大以及系统运行方式变得更加复杂，同时使电网安全稳定的问题也越发突出。电力系统在运行中可能受到各种故障的扰动，这些扰动的分布很广，对电力系统的影响也
13、是各种各样，为了保证电力系统的安全运行，也需要采用各种相应的控制对策。电力系统中最常见的扰动是短路故障，对于短路故障点通常是由继电保护装置启动断路器来清除，有些严重故障，包括多重性故障，即使继电保护正确动作，仍难免事故扩大。系统中发生的故障影响发电机稳定性的方式有一个共性，即当系统中发生故障时，系统送电端的发电机输出电磁有功功率减少，由于输入发电机的机械功率一般不会立刻变化，在发电机转子上便会产生不平衡转矩，造成了发电机的摇摆振荡。可见不论系统中发生什么类型的故障，发电机输出有功功率的变化或振荡是影响发电机稳定性的主要因素。对电力系统的稳定可靠运行有着重要影响的部件就是发电机的励磁系统，励磁系
14、统影响发电机的运行特性。研究及实践证明：全面提高电力系统可靠、稳定运行的重要措施是提高发电机励磁控制系统，因为其经济性、有效性和成熟程度。发电机励磁控制系统的重要作用有： a. 能够合理分配无功功率,于并列运行的发电机间；b. 保证发电机的机端电压恒定；c. 使继电保护装置的动作足够准确；d. 提高电力系统的暂态稳定性和动态稳定性。目前，电力系统稳定可靠问题是一个悠久且又充满新鲜活力的研究课题，从电力系统的初步产生就不断研究，由于经济的迅速发展，其随之也不断有新的稳定问题出现，为电力系统稳定可靠问题的研究不断提出新的目标和方向。随着电网规模的不断扩大，电力系统的稳定问题日益突出，从发电机励磁系
15、统调节这个角度来分析其对电力系统静态稳定性的影响具有重要意义。1.2 励磁控制原理同步发电机励磁系统是由励磁机、发电机、电压调节器等部分组成，其结构如图 1-1 所示：2图 1-1 励磁控制系统结构图在这个系统中，励磁控制器检测发电机的机端电压 UF，并将 UF 与参考电压 UC 相比较得电压差 ( UC- UF)，通过综合放大得出控制电压 UK，Uk= K( UC-UF)。由该式不难看出，当发电机的机端电压 UF 上升，电压差就会降低，这样，经过综合放大后的控制电压 UK 也会降低，于是，励磁机的励磁电流以及发电机的转子电压都会随之下降，这样，发电机的机端电压 UF 也随之下降，这样发电机的
16、机端电压上升的扰动就被抵消了。因此，励磁系统具有提高电力系统稳定运行、维持电压水平以及提高同步电机功率极限和电力系统传输功率等功能。除此之外，在这个系统中还可以根据实际需要附加阻尼、模糊神经等辅助控制功能。励磁控制的主要部分是励磁调节器，其作用在于感受发电机电压的变化，并发出控制命令对励磁功率单元加以控制，励磁功率单元也只有在接收到励磁调节器的控制命令后才会改变其输出的励磁电压。因此，一方面，励磁调节器应能反映发电机电压高低以维持发电机机端电压在给定水平，能合理分配发电机组的无功功率，并且应具备强行励磁功能以迅速反应系统故障，以提高暂态稳定和改善系统运行条件；另一方面，励磁功率单元要有足够的可
17、靠性，并具有足够的调节容量，同时具有足够的励磁电压顶值和电压上升速度。励磁系统的模型，根据不同的分类可以分为许多种。我国常用的励磁系统模型主要有直流励磁系统、交流励磁系统以及静止励磁系统 ( 包括自并励和自复励。在电力系统的实际分析中，通常采用简化的实用模型。同时，通用的励磁系统之中附加了快速励磁控制方式，其作用在于能够在系统发生故障时快速捕捉发电机端电压等的变化信号，并对之加以控制，以此来控制发电机转差的摇摆，提高暂态及静态稳定性。为了快速控制发电机端电压，必须提高整个励磁系统的反应速度。因此，有必要提高励磁系统 ( 包括自动电压调节器 AVR) 的适应性能和励磁系统的峰值电压。1.3 同步
18、发电机励磁系统的介绍31.3.1 励磁方式的发展同步发电机传统的励磁方式是由同轴的直流发电机作为励磁电源，给发电机励磁绕组提供励磁电流；60 年代以来，随着大功率可控硅(简称晶闸管)制造技术和应用技术的发展及其可靠性的提高，交流励磁系统在大中型发电机上得到广泛的应用，交流励磁系统就是把交流励磁电源经半导体整流装置变为直流后进行励磁的，根据交流励磁电源的种类不同，同步发电机励磁方式可分为他励励磁和自励励磁。他励励磁是采用与主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经硅整流器或晶闸管进行整流，供给励磁。这类励磁系统由于交流励磁电源来自主机之外的其他独立电源，故称为他励整流器励磁系统(包括他励硅整流器励
19、磁系统和他励晶闸管励磁系统)，简称他励系统。同轴的作为励磁电源的交流发电机称为交流励磁机，其中若整流器元件和交流励磁机电枢与主轴一同旋转，直接给主机转子励磁绕组供励磁电流，不需要经过转子滑环及炭刷引入，则称为无刷励磁方式。自励励磁是采用变压器作为交流励磁电源，励磁变压器接在发电机出口或厂用电母线上。因励磁电源取自发电机自身或发电机所在的电力系统上，故这种励磁方式称为自励整流器励磁系统，简称自励系统。图 1-2 自并励励磁系统示意图G同步发电机； AVR自动电压调节器； T励磁变压器； U可控整流器；TV电压互感器； TA电流互感器。自励系统也有几种不同的励磁方式。如果只用一台励磁变压器并联在机
20、端，则称为自并励方式。如果除了并联的励磁变压器外还有与发电机定子电流回路串联的励磁变流器(或串联变压器)，二者结合起来，则构成自复励方式。自并励方式是自励系统中接线最简单的一种励磁方式，如图 1-2 所示。自并励方式的优点是a. 设备接线比较简单，维护方便；4b. 由于无转动部分，具有较高的可靠性；c. 缩短了轴系长度和机组高度，降低了电厂造价；d. 具有高起始的快速响应特性，励磁调节速度快。迄今为止，自并励方式越来越普遍地得到采用，国外一些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。从 80 年代中期起，我国已在一些大中型机组上，推广应用自并励励磁方式。1.3.2 励磁调节器的发展励磁调节
21、器的主要任务就是调节发电机励磁绕组的直流电流，控制发电机机端电压恒定；控制发电机机组间无功功率的合理分配；提供适当的人工阻尼和提高电力系统的稳定性和功率传输能力。同步发电机无论运行在稳态还是暂态过程中，其运行状态在很大程度上和励磁有关。对发电机的励磁进行调节和控制，不仅可以保证发电机及电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性，而且可以提高发电机及电力系统的技术指标。下面对励磁调节器的发展与研究阐述如下：（1）单变量控制的励磁调节器自动调压器(AVR)体现了这一设计理论的励磁控制方式，其控制规律是按照发电机的机端电压的偏差进行 PI(比例、积分)或 PID(比例、积分、微分 )调节的，它运用古典控制
22、理论来确定控制器的参数。AVR 的基本功能是进行电压调节和无功功率分配，还有助于改善电力系统的稳定性。但是，PID 调节主要是针对电压偏差信号而设计的，它所产生的超前相位频率未必与低频振荡频率相同，亦即未必能满足补偿负阻尼所需的相位。此外，PID 调节方式对抑制系统低频振荡的作用是有限的。 （2）AVR+PSS 励磁调节器由于 AVR 调节方式对抑制电力系统低频振荡的作用是有限的。依照 F.D.Demello 和C.Concordia 理论设计出的电力系统稳定器 PSS 是一种有效的附加励磁控制器，它可以弥补 AVR 的负面作用，这一点已被实践所证明，AVR+PSS 这种励磁调节方式也在工程中
23、得到了广泛应用。从国内外的实际应用来看，PSS 应用在电力系统中已取得了较好的效果，能够增强系统阻尼，有效地抑制了低频振荡。PSS 是为了抑制低频振荡而设置的，也就是说在发生低频振荡时，PSS 才起作用，而在正常运行时，若发生的不是低频振荡时，PSS 则不应起作用，以避免扭振激化、汽轮机低压缸叶片断裂等负作用。（3）线性最优励磁调节器60 年代以来，现代控制理论得到了不断的发展。最优控制理论是现代控制理论中一个发展比较完善、应用较为广泛的重要分支，其研究的中心问题是选择最优控制规律，以使得控制系统在特定指标下的性能为最优。早在 1970 年， 加拿大余耀南博士便率先5对电力系统进行了线性多变量
24、最优控制规律的研究。我国在 80 年代也将最优控制理论应用到电力系统中，并进一步综合改善了电力系统小干扰稳定性及动态品质因数，但将最优控制理论应用于多机系统励磁控制的设计，难以得到分散最优控制规律。（4）非线性最优励磁调节器电力系统实际上是一个非线性的系统，上述的数学模型的建立均是将非线性的模型线性化后得出的，因此难免会发生精确不够的问题。在我国，首先将基于微分几何理论方法的非线性系统控制理论用于复杂电力系统。目前，非线性最优励磁控制器仍处于研究阶段，只有不断完善和发展才能在电力系统中得到应用。（5）智能励磁控制器智能励磁控制包括模糊逻辑励磁控制，基于规则(专家系统)的励磁控制，人工神经网络励
25、磁控制以及基于遗传算法、自学习理论、迭代学习算法以及它们的某种结合的励磁控制，基本特点是不依赖于对象系统的精确数学模型，而是基于某种智能概念模型将控制理论和人的经验及直觉推理相结合，具有处理非线性、并行计算、自适应、自学习和自组织等多方面的能力和优点。目前，智能型励磁控制方式大多还停留在仿真计算阶段，少数应用实例也仅仅是一些简单的实验性尝试，要推广其应用，还有大量的理论和实际工作要做。1.3.3 励磁系统对电力系统稳定性的影响（1）励磁系统对电力系统静态稳定性的影响电力系统必须具有在遭受微小扰动后快速恢复到原来的正常运行状态的能力，这就是电力系统的静态稳定。当电力系统发生扰动时，发电机端的电压
26、就会下降，这样，定子电流也相应增加，于是，励磁电流也会随之增加。在这种情况下，如果接入励磁调节器，当发电机电压下降，励磁调节器将使励磁电流增加，其增加量和速度决定于励磁系统增益和时间常数。如果励磁电流增加分量与衰减分量相抵消 , 则系统可以达到一个新的静稳定极限。（2）励磁调节对电力系统动态稳定性的影响当发电机的故障消除后，在许多情况下，功率的波动趋于收敛，而是趋于发散或由于非线性因素而进行自持等幅振荡，这通常会持续几秒至几十秒，这种稳定性被称之为动态稳定性。一般说来，引起这种振荡的是快速励磁系统产生的负阻尼。因此，为了提高系统的动态稳定，在许多情况下需要加大励磁系统所产生的正阻尼转矩，即在励磁调节器中引入附加信号，测出发电机的转速或电功率的变化并对它进行相位补偿以提高制动效果。（3）励磁调节对电力系统暂态稳定的影响电力系统必须具有在遭受短路，发电机切除等大的扰动后过渡或恢复到新的稳定状态的能力，这就是电力系统的暂态稳定。提高电力系统暂态稳定，通常有两种方法，或是提
