第一章 绪论
1.1课题研究的背景
随着大区电网的互联以及高放大倍数励磁系统的使用，随之也产生了一些问题，其中低频振荡问题是比较常见的也是危害比较大的问题之一。为解决上述问题，需要为发电机配置电力系统稳定器(PSS)。PSS 可以有效增加同步发电机的阻尼转矩分量，提高电力系统的动态稳定性。由于控制策略以及控制器结构的不同，与之适应的 PSS 的模型也是不同的。PSD-BPA 暂态稳定分析程序中提出了一些 PSS 模型，并在程序中得到了实现。由于直流输电在大容量、远距离输电方面的优势，直流输电得到了快速的发展。自 1954 年世界第一条高压直流输电工程——瑞典哥特兰直流工程投运以来，目前，全世界已有 80 多项直流工程投入运行，在大容量、远距离输电方面发挥了重要的作用。
电力电子技术的发展为高压直流输电的发展提供了技术支持，汞弧阀的问世使直流输电成为现实，之后晶闸管换流阀的出现促进了直流输电大发展，到现在新型大功率全控型半导体器件（如 IGBT 等）的应用，将会促进直流输电的进一步发展。同时，直流输电具有一系列的优点，推动了直流输电工程的发展，其优点主要有：
(1)直流输电与交流输电相比不存在稳定问题，适合远距离大容量输电；
2)直流输电可实现系统间的非同步联网；
(3)直流输电功率调节快速灵活，可有效改善交流系统的运行性能；
(4)直流输电线路电容和电感不起作用，线路电压分布均匀。
当然，直流输电也有自己的缺点，但随着新型电力电子器件在直流输电工程中的不断应用，这些缺点将得到改善或克服。
自 20 世纪 70 年代，前苏联、美国和加拿大等国家就开始了±600KV 及以上电压等级的直流输电技术的相关研究。主要建设的直流工程包括±750KV 的哈萨克斯坦—中俄罗斯直流工程、±600KV 巴西—巴拉圭伊泰普工程等。我国煤炭、水电资源主要集中在西部和西南部，而电力负荷主要集中在中部、东部和南部沿海，这种能源分布与负荷中心的不平衡，促使了我国西电东送战略的实施。另外，我国自然形成了东北、华北、华中、华东、西北、南方以及一些省的区域电网。这种大容量远距离输电以及区域电网互联的需求，都促进了高压直流输电的发展。2005 年我国第一个大区联网直流背靠背工程—灵宝背靠背工程投入运行，实现了华中与西北电网的非同步互联。
到 2008 年，我国已投运的大容量高压直流输电工程有 11 项，包括±500KV 的葛洲坝-上海、三峡-上海、天生桥-广州、三峡-广州、贵州-广州一回、贵州-广州二回、高岭背靠背直流工程等。我国从 2005 年初启动±800KV 高压直流输电工程关键技术和可行性研究，2010 年 6 月 18 日，世界上第一个±800KV 直流输电工程——云广特高压直流输电工程投产运行，增加了西电东送的能力。随后，2010 年 7 月 8 号±800KV 向家坝-上海直流输电工程竣工投产。与此同时，采用直流输电已经实现了东北-华北、华北-华中、华中-华南和华中-西北各大电网之间的互联，为全国联网打下了基础。到 2020 年，国家电力系统中将投运的直流工程达 30 个左右。含多馈入直流输电系统的交直流混联电力系统的运行和控制非常的复杂，为电力系统安全稳定分析仿真提出了更高的要求，作为电力系统分析基础的电力系统仿真也面临着新的挑战。
第二章 发电机及其控制系统的数学模型
2.1同步发电机数学模型
同步发电机是电力系统中的电源，是最重要的元件之一，其数学模型的选取直接影响到仿真计算的精确度。同步发电机数学模型主要包括经典模型、双轴暂态模型和双轴次暂态模型等，它们的主要区别在于考虑的转子绕组不同。一般电力系统中同步发电机台数可达上千台，如果采用过高的微分方程阶数，可能会引发“维数灾”问题。对于一些需要详细模拟的发电机采用高的微分方程阶数，而对于其它发电机则可以采用不高的微分方程阶数。下面详细介绍一下同步发电机的双轴暂态模型。
发电机励磁系统向发电机提供励磁电流，起到调节电压和控制无功功率分配的作用，同时可提高电力系统的稳定性，改善电力系统的动态性能。励磁系统根据电源的不同可分为直流励磁系统、交流励磁系统和静止励磁系统。下面简单介绍 IEEE 于 1968 提出的励磁系统模型 EA 模型。EA 模型的输入信号为发电机所在母线或系统某一母线电压测量值，再通过测量环节、综合放大环节、限幅环节、软反馈环节和励磁机环节得到合适的励磁控制信号，作用于发电机，达到其控制目标。
第三章基本原理和数学模型 ...............................18-30
3.1 直流输电基本原理 ...............................18-19
3.2 直流输电系统的数学模型 ............................... 19-24
3.3 直流输电的控制特性 ............................... 24-30
第四章 电力系统的机电暂态仿真 ............................... 30-52
4.1电暂态仿真数学模型 ............................... 30
4.2电暂态仿真数值解法 ...............................30-31
4.3 各元件的双向迭代模型 ...............................31-37
4.3.1 发电机及其控制系统 ............................... 31-34
4.3.2 直流系统仿真模型 ............................... 34-36
4.3.3 电力网络模型 ...............................36-37
4.4 电力系统双向迭代机电仿真 ............................... 37-38
4.5 算例分析 ...............................38-52
4.5.1 SI/SI+模型验证 ............................... 38-40
4.5.2 直流系统验证 ............................... 40-52
第五章 直流调制的参数优化设计 ............................... 52-68
5.1 直流输电系统的直流调制 ............................... 52-55
5.1.1 直流调制抑制低频振荡 ............................... 52-53
5.1.2 直流调制数学模型 ...............................53-55
5.2直流调制参数优化设计 ...............................55-65
结论
选取合适的直流调制控制器参数，不但可以改善直流系统自身的运行特性，还可以利用其快速可控改善交流系统的动态性能，因此直流调制控制器的参数优化是一个很有意义的研究课题。本文在前人研究的基础上，提出了一种基于时域仿真的直流调制参数优化方法，将直流调制参数优化问题转化为带参数约束的非线性优化问题。该方法，首先将约束优化问题转化为无约束优化问题，通过轨迹灵敏度仿真得到目标函数的梯度信息，应用拟牛顿法(DFP)优化直流调制控制器参数。由于目标函数反映了 AC/DC 复杂系统的动力学特性，该方法可有效地改善系统的阻尼特性，抑制大扰动引起的系统振荡。在 IEEE 四机系统上进行的特征值分析和时域仿真结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。
电力系统的时域仿真法是将电力系统各元件用非线性微分方程组和代数方程组模拟，称其为轨迹系统，利用数值解法逐步求解运行变量和状态变量的数值解，求得各变量随时间变化的曲线，从而判断系统的稳定性。时域仿真法能够充分考虑所有元件的非线性特性，但不能给出关键模式的定量信息，也不能得到系统响应和系统参数之间的定量关系。轨迹灵敏度方法可以弥补时域仿真法的这种缺陷，使得利用时域仿真法设计控制器参数成为可能。