[发明专利]一种电力系统稳定器设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制技术领域，尤其涉及一种电力系统稳定器设计方法。

背景技术

电力系统低频振荡问题属于电力系统小干扰稳定性范畴，其表现形式为系统中发电机间的功角、系统联络线功率等发生振荡频率在0.2～2.5赫兹之间的等幅或增幅振荡。随着电力系统规模由于区域性系统的互联而不断扩大，以及远距离大功率输电需求的不断发展，电力系统低频振荡问题日益突出，已成为威胁电力系统稳定及限制区域间功率传送容量的重要因素。因此，研究低频振荡的控制措施对于提高系统传输能力、维护电力系统稳定运行具有非常重要的意义。

电力系统低频振荡的经典理论认为：发生低频振荡的根本原因是系统中缺乏足够的机电振荡阻尼。在较高外部系统电抗和较高发电机输出的条件下，由于发电机磁场绕组、励磁系统及励磁调节器的相位滞后特性，使励磁调节器产生相位滞后于功角并与转子速度偏差反相位的负阻尼转矩，抵消了系统固有的正阻尼，使得系统的总阻尼很小或为负。因此一旦出现扰动，就会引起发电机间的功角或联络线功率等出现等幅或增幅形式的振荡，这就是低频振荡的负阻尼机理。励磁系统产生负阻尼转矩的原理如图1所示，在外部系统电抗较高或发电机输出较高的情况下，励磁系统输出的电磁转矩可能位于Δω-Δδ平面的第四象限，此时励磁系统输出的电磁转矩有与转速偏差反相位的分量，即励磁系统产生了负阻尼转矩。

电力系统抑制低频振荡的一种有效措施是施加附加励磁控制，电力系统稳定器PSS(power system stabilization)是一种简单有效、使用广泛的励磁阻尼稳定器。目前电力系统稳定器PSS的设计有两种方案：一种方案是基于相位补偿方法，通过在励磁系统中采用某个附加信号，经相位补偿后使其产生正阻尼转矩的方法来提高系统阻尼。电力系统稳定器PSS向系统提供正阻尼转矩的原理如图2所示，当由电力系统稳定器PSS产生的电磁转矩与励磁调节器产生的电磁转矩合成的转矩相量在Δω-Δδ平面的第一象限时，系统的总阻尼转矩为正。如果能通过整定电力系统稳定器PSS相位环节的参数，补偿电力系统稳定器PSS产生的电磁转矩与转速偏差之间的相位，则电力系统稳定器PSS可以产生正的纯阻尼转矩，从而增大系统阻尼。基于相位补偿法设计PSS可能存在以下两个问题：其一，在一定的运行方式下，可能存在着多个振荡模式，相位补偿环节参数的选择不可能同时对每个振荡频率进行有效的补偿，这将削弱甚至恶化电力系统稳定器PSS对某些振荡模式的抑制效果；其二，即便所选择的相位补偿环节参数对所有振荡模式都能做到相角补偿适当，稳定器的增益还是很难整定。目前电力系统稳定器PSS增益的整定主要是通过现场试验，找到临界增益值后依靠经验取该值的1/3～1/2作为电力系统稳定器PSS的增益。寻找临界增益值的过程需要多次试验，逐次增大电力系统稳定器PSS的增益直到系统失稳，每次试验都要对系统形成冲击，并且依据此方法设置的稳定器增益也不能保证在各种振荡模式下为系统提供足够的阻尼。可见，相位补偿方法不是基于严格的控制理论及数学理论建立的，而是一种物理的、直观的设计方法。

另一种设计方案是基于全状态反馈控制的稳定器设计，通过建立状态空间下的系统动态模型，求解黎卡提方程使二次型性能指标最优来设计电力系统稳定器PSS，这是一种理论严格的方法，然而并非系统所有的状态变量都易于直接检测，有些状态变量甚至无法检测，因此常常需要建立全空间状态变量的观测器。而观测器的状态逼近实际状态的速度取决于观测器极点的选择，因此，对于由状态观测器构成状态反馈的闭环系统，观测器极点的设计会同时影响整个稳定器的控制效果。

发明内容

针对上述背景技术中提到的相位补偿方法中相位补偿环节参数的选择不能对所有振荡频率进行有效的补偿、全状态反馈控制的状态变量观测器极点不易配置等不足，本发明提出了一种电力系统稳定器设计方法。

本发明的技术方案是，一种电力系统稳定器设计方法，其特征是该方案包括以下步骤：

步骤1：建立发电机、励磁系统和电压调节器的系统状态空间模型；

步骤2：计算系统状态空间模型中状态变量的反馈增益，取对应于反馈增益最大量的变量为主导变量；

步骤3：以发电机机端电压参考值为输入变量、所述主导变量为输出变量，建立发电机、励磁系统和电压调节器的传递函数模型；

步骤4：利用步骤3中的传递函数模型构建系统根轨迹图，确定使系统稳定的条件；

步骤5：根据使系统稳定的条件，通过调整稳定器的参数来完成稳定器的设计。

所述稳定器的表达式为：