电力系统电压稳定器的研究.docx
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电力系统电压稳定器的研究
本科毕业论文
电力系统电压稳定器的研究
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
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。
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签名：
年 月 日
授权声明
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签名：
年 月 日
指导教师签名：
年 月 日
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
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。
1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。
2.1.2PSS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：
a、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。
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]，故被选择作为电力系统稳定器的输入信号，选择Sugeno模糊推理系统，确定的输入Δw的范围及语言变量值（即为NC,NM,NS,Z,PS,PM,Pc七个）,其中函数选择高斯型：
确定输出U范围及语言变量值（为了避免反复的调试，而需要取得更好更平滑的控制效果，我们确定为13个，即（N6,,N5,N4,,N3,N2,,N1,,Z,,P1,,P2,P3,P4,,P5,,P6,）用以控制规则表在一行或同一列没有相同的元素并且相邻的为主控制行为均不相同，其函数选择为单点集（分别为-0.4，-0.3，-0.25，-0.15，-0.1，-0.05,0,0.1，0.15,0.25,0.3，0.4）.表1即为其模糊控制规则表：
表4-1：
U
NL
NM
NS
Z
PS
PM
PL
NL
N6
N5
N4
N3
N2
N1
Z
NM
N5
N4
N3
N2
N1
Z
P1
NS
N4
N3
N2
N1
Z
P1
P2
Z
N3
N2
N1
Z
P1
P2
P3
PS
N2
N1
Z
P1
P2
P3
P4
PM
N1
Z
P1
P2
P3
P4
P5
PL
Z
P1
P2
P3
P4
P5
P6
5电力系统稳定器的设计
5.1PSS的原理
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。
如图5-1所示为PSS的方框图框图。
图5-1PSS框图
图5-2为PSS的通用传递函数.对于不同的输入信号，各环节的阶数不同，时间常数也不相同。
图5-2通用传递函数
在这里我们讨论以w为信号的电力系统稳定器的设计。
5.1.1电力系统稳定器的传递函数
如图5-3所示得，假设转速的信号通过传递函数Gs（s）在被引入到励磁调节器参考点。
图5-3PSS引入后的传递函数
根据图5-3可得：
然后再分别把G3（s）、Ge（s）代进去得：
因K6Ke>>`1/K3,所以可以将1/K3省略，则有：
其中：
式子中：
wx-为励磁控制系统的无阻尼自然震荡频率；
x-为系统的阻尼比。
因此可以知道，如果稳定器的传函准确的与d（s）相消，那么稳定器就可以提供附加转矩与转速w成正比，即超前的Δδ相位角90。
，提供了正阻尼转矩。
事实上，Gs（s）与d（s）能够准确的相消是难以做到的，只要使Gs（s）与d（s）有相类似的相频特性，相近的幅角，那么稳定器就可以提供正阻尼转矩。
对于支配机组振荡的频率，主要是有发电机的机械惯性环节决定的，如图5-4所示。
图5-4发电机的固有振荡框图
通过化简图5-4的框图得到如下传函：
其中：
式子中：
wx-为机械环节的无阻尼自然震荡频率；
x-为机械环节的阻尼比。
当在欠阻尼的（0<
x<1）的情况下，阶跃输入后，机械环节的振荡频率是由阻尼自然振荡的频率wd0（支持机组振荡频率）来决定的，他的值为：
因此，Gs（s）一般由如下两部分组成：
①相位的校正环节传函Gφ（s）。
励磁系统中含有惯性元件，是滞后环节。
为了使其滞后的角度消去，Gφ（s）应该具备超前的相位角。
Gφ（s）由超前的环节构成，他的传函为：
式子中的n为串联级数。
②信号的富贵环节传函。
对于系统的稳定运行出发，我们并不希望稳定器的信号对发电机的维持电压产生影响，也就是不因稳定器的引入而影响发电机的稳态电压。
因此稳定器中还需要串联一个隔离信号稳定值的环节。
此环节的传函为：
式子中Tre-2～4s;Kre/Tre-10～40。
上述的传函在阶跃信号的作用下，其在稳态的输出为零[1]。
因此电力系统稳定器信号单元总的传递函数为：
5.1.2电力系统稳定器的电路简介
对于无刷励磁系统的PSS原理框图如图5-5所示。
他是运用转速信号进行校正的PSS。
图5-5电力系统稳定器框图
通过机组轴上的磁阻变换器而产生的比例用于轴转速电压信号，而额定的转速时，该电压信号就是30000Hz、20V。
他通过转速检测器和频率电压转换器转换后的转速偏差稳定信号。
其中转速检测前为分频器，他将3000Hz的正弦波输入的信号转换成为50Hz的方波信号。
频率电压变换器将此信号转换成了与转速偏差成比例的稳定信号。
图5重点陷波器是滤波器，他的作用就是将机组转轴扭振频率的干扰信号滤除，通常由二级滤波器组成。
一级滤掉一阶的扭振频率信号，二级滤波器参数则可根据机组二阶扭振频率或者二阶和三阶扭振频率的综合值整定。
超前滞后网络则是一个拥有两个可独立整定的时间常数环节，他的作用是为了补偿励磁控制系统惯性时滞，然后可以使稳定信号在整个规则的频率范围内获得说需要的输出输入相位。
而其超前的时间常数用于补偿励磁系统的相位滞后；其滞后时间常数有降低噪声的作用，使达到其允许水平。
模拟励磁调节器的PSS中，超前滞后网络由微分积分器构成，其原理接线如图5-6所示。
图5-6超前/滞后网络原理接线
超前滞后网络的传递函数Gφ（s）为：
其式中：
Ta-为超前时间常数，Ta=K1C1R;
Tb-为滤波时间常数，Tb=rC1;
Tc-为滞后时间常数，Tc=K2C2R;
Td-稳定放大器电路的时间常数，Td=RCF。
Ta、Tc远大于Tb、Td。
典型的电路中，Tc=0.01s、Td=0.001s,与Ta、Tc相比他们都很小，所以上面的式子可以写成：
超前的时间常数Ta的整定范围：
0.25～2s，由调节电位器W1可以获得，滞后的时间常数Tc的整定范围：
0.01～0.15s，由调节器W2可得。
放大电路提供可调增益，为满足稳定信号对增益选择的要求。
在PSS中，信号复归的电路是具有时间常数范围可以选择的微分积分器，其电路图如图5-7所示。
图5-7信号复归电路
其传递函数为：
其中：
，Tre超前时间常数为5～50s。
因它的值很小，因此：
对于综合限制器的作用就是在放大信号的同时可以对输出信号进行限制幅度，他的限幅值由限幅电位器来整定。
本设计单元的另一个作用是为了当辅助输入信号超过了整定值时，切断输出的信号使电力系统稳定器装置自动退出运行。
而最后的环节-辅助延时器是一监视保护装置，它的作用是为了监视稳定器的输出。
当稳定器输出超过了预定值，并实践超过了辅助延时器的设定值时，将稳定器输出的信号切除，防止因稳定器内部零件的故障而导致不必要的长实践误强励。
5.2引入模糊算法的PSS设计
在基于模糊-比例积分微分（Fuzzy-PID）的控制电力系统稳定器是一种很多模特分段控制算法的控制器，他综合了模糊比例积分微分控制器的优点，即让系统具有快速的相应速度与抗参数变化的鲁棒性，又让实现系统高精度误差控制稳定器的输入信号取发电机的转速与同步转速之差Δw和其变化率Δw1，输出的信号u作为励磁机控制信号的一部分。
这个控制器的特点就是在大偏差的范围内利用了模糊推理的方法。
根据系统偏差量Δw，在小偏差范围内转化为PID的控制，两者的转换依据事先设定好的偏差Ep范围自动实现模态之间的切换规则，如下面所示：
Fuzzy控制当
PID控制当
其控制结构如图5-8所示:
图5-8控制结构示意图
PID控制驱动拉普拉斯变换如下：
其中，U（S）是输出信号，E（S）是输入信号，KP,KI,KD分别是比例、积分、微分环节增益。
PID控制要使效果更好，就必须要对比例，积分，微分这个环节调整成相互配合，相互制约的关心，这关心不仅仅是简单的线性关系，而且是要在变换无穷的非线性组合中找出最佳的关心。
在查找资料中，经过参数的整定，可以确定PID的控制参数最优为KP=10，KI=1.5，KD=0.01，模糊控制与PID的控制设定值为
[5]。
依据复合控制的原理，我们可以通过MATLAB进行仿真研究，如图5-9所示：
图5-9MATLAB模拟仿真图
MATLABFuzzy-logic-toolbox给予了与Simulink的无缝功能连接，对于在模糊连接工具箱中建立的模糊推理系统后，我们可以立即在Simulink的仿真环境中进行仿真。
在Simulink中有对应的模糊逻辑控制器方块图，将该方块图复制，到用户建立Simulink仿真模块里，使模糊逻辑的控制方块图，模糊推理矩阵的名称与用户于MATLAB的Workspace建立的模糊推理系统名称一样，也就完成了模糊推理系统与Simulink的连接了。
6仿真结果与分析
对于将单机的无穷大系统的仿真模型应用到基于Matlab的环境下的模糊推理系统工具箱（Fuzzyinfenencesystemtoolboxfomatlab）,要完成如下4种情况的仿真分析研究：
（1）不含PSS的系统
（2）含有PSS的系统
（3）含有模糊推理的控制器系统
（4）复合控制器型的PSS系统
基于Δw和Δw1的变化曲线和结果如下所示。
a无PSS的Δw的仿真曲线b无PSS的Δw1的仿真曲线
图6-1无pss的仿真图
图6-1为没含PSS的仿真图，t为时间，y为相对幅度，由图中的变化趋势我们可以知道，不带电力系统稳定器的系统在收到小的扰动后，因其阻尼过小或者为负值，导致系统震荡发散严重甚至为无穷大。
故不带PSS的系统是不稳定的。
a有PSS的Δw仿真曲线b有PSS的Δw1仿真曲线
图6-2有PSS的仿真图
图6-2则是带有传统电力系统稳定器的情况，对于图中的曲线变化情况，我们可以知道在有常规电力系统稳定器的系统在遇到小的扰动后Δw和Δw1的曲线震荡是收敛的，不是发散的，这就很大的改善了电力系统的性能，让系统趋于稳定。
故带有PSS的系统是稳定的。
a有模糊PSS的Δw仿真曲线b有模糊PSS的Δw1仿真曲线
图6-3有模糊PSS的仿真图
图6-3则是带有模糊控制器的电力系统稳定器的情况，对于从图中的曲线的变化我们可以看得出，在带有模糊式的电力系统稳定器的系统遭到小的干扰后，Δw和Δw1的曲线振荡不仅趋于收敛，并且调整的时间更快。
明显可以看得出，他比常规的电力系统稳定器具有更好的特性。
a复合控制时的Δw仿真曲线b复合控制时的Δw1仿真曲线
图6-4复合控制时的仿真图
图6-4则是带有复合控制型的电力系统稳定器情况，在图中曲线的变化趋势来看，可以知道带有复合式的电力系统稳定器遇到小的干扰后，即是超调幅度或调整时间均小于其他几种情况，从中可以知道他比模糊控制电力系统稳定器具有更好的特性。
7结论
在本文提出的是一种基于复合控制的电力系统稳定器,他能够根据实际运行情况在FuzzyPID的控制中进行选择性控制,不仅克服了在实际电力系统中模糊式电力系统稳定器的不足,即一般模糊逻辑稳定器不具有积分环节,它很难完全消除稳态误差,尤为是在变量分级不够多的情况下,经常会在平衡点附近出现微小的振荡现象。
当用本文方法设计的电力系统稳定器时，其既具有模糊控制简单有效的非线性控制作用,而且又具有比例和积分控制的快速性与跟踪能力。
用单机无穷大系统为例作的研究和模拟,实现了FuzzyPID复合控制,取得了良好的仿真结果,提高了电力系统的稳定性和动态品质,其在电力系统控制中具有广阔的应用前景。
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Powersystemvoltagestabilitystudies
Major:
ElecitricalEngineeringandAutomation
CiyouLi
ABSTRACT:
Thisdesignisproposedbasedonfuzzy-proportionalintegralderivativecontrollocalpowersystemstabilizer-PSS,itencompassesafuzzyproportionalintegralderivativecontrolmodeadvantagesofbothsimpleandeffectivefuzzycontrolofnonlinearcontrol,mak
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