第 1 章 绪论
1.1 电压稳定的背景与意义
现代科技造就的大型电力系统，是人类社会发展中的重要成就。它由三个部分构成，即：发电、输电、变电、配电和用电的一次系统；确保电力系统可靠、稳定、安全的管理系统；电能的交易系统。电力系统覆盖面积大，局部故障往往会对整个电网造成不良影响，一系列的恶性反应会造成严重的后果，在某些情况下，电力系统运行条件的改变会导致电压快速不可控的下降并最终导致电压的崩溃。近些年来，我国的电力工业发展迅速，由于东西部经济发展的差异，一些负荷中心距离电源位置很远，因而高电压远距离输电势在必行，而对于高电压远距离输电系统来说，系统的稳定性往往摆在很重要的地位。高压输电网络的互联使得电力系统的结构越来越复杂，远距离的输电网络增多且输电线路多运行在高负荷工况下，使得电网发生故障时容易发生大规模的功率转移，导致受端网络功率的缺失，系统发生小的扰动时可能出现电流、电压、功率等运行参数剧烈变化和震荡现象。随着经济的迅速发展，电能消费急剧增加，电力系统运行越来越接近系统极限，电压稳定问题更加突出。如果系统电压失稳不能在短时间内得到控制，很可能会造成整个电网电压失去稳定，甚至使整个互联的大电网解列，最后导致大范围停电事故，必将给国民经济和人民生活带来重大损失。
近年来，提高电力系统稳定成为电力系统运行中最为关注的问题之一。在我国，电压稳定性问题尤为突出，如何在原有线路基础上，采用合适的控制方法保证电力系统的电压稳定，尽可能多的提高输送功率的极限，是我们尤为关心的问题。电力系统是一种典型的多维数动态大系统，它具有很强的动态性和时变性，所建立的模型也往往具有一定的不确定性，因而对这样的系统进行控制也是极为困难的。但也正是因为问题的复杂性使得先进的控制理论得以在这一领域发挥优势。随着大功率电力电子器件的出现及微型计算机的迅猛发展，使得以前因条件不足而难以实现的先进的控制方法可以在电力系统控制中得到应用。在众多的先进控制理论中，智能控制是很引人注目的一种，它具有许多控制律所没有的突出优点。近年来自动控制发展的一个新的方向就是智能控制，即将传统的控制理论与人工智能相结合，模仿人的智能来研究解决复杂控制问题。模糊控制是智能控制的一个非常重要的研究分支，已在各领域得到广泛的应用，并不断取得新成果。基于模糊控制理论的成熟和发展，以及广泛的成功应用，近些年电力系统的模糊控制已成为新兴的研究方向。过去，解决电力系统的许多问题，如运行、规划和控制等，多采用解析法[1]，然而，对于大型电力系统，在某些特定假设条件下导出许多实际问题的数学解析公式并非易事。而且，电力系统是一个庞大而复杂、地域广阔的分布式系统，易受突发事件的影响，仅通过看似严密的数学解析公式难以有效地处理许多复杂的不确定性问题。此外，在电力系统中也存在着一些目标互相矛盾的问题，如电力系统的经济性和安全性，最大供电负荷和最小发电成本等，传统的解决办法是用加权系数来综合这些目标，而模糊集理论提供了一个解决电力系统诸多问题的新途径。近几年，模糊集理论用于电力系统的有关文献大量增加，涉及电力系统的规划、运行、负荷预测、状态评估、控制、故障诊断等多方面领域，其中以控制领域最多，显示出它对解决电力系统问题的潜在作用。目前，以模糊控制为主的智能控制理论已经在电力系统稳定控制方面取得了许多令人瞩目的成绩。进一步研究、探讨模糊控制在电力系统中的应用，对改善系统电压稳定具有重要的意义。
1.2 电压稳定问题研究的现状
电力系统稳定性问题可以分为角度稳定、电压稳定和频率稳定三个方面。长期以来，无论是经典还是现代的电力系统稳定性理论及其分析方法，其关注的重点为系统的角度稳定性，尤其是集中在系统受到大的扰动或故障冲击后其暂态行为特征方面。20 世纪 70、80 年代电力系统发生的一些事故用原有的分析方法不能给出令人满意的解释。这类事故的一个共同特点是：系统发生扰动时，其频率和角度基本维持不变，而某些节点电压持续下降且不可控制，最终导致系统损失大量负荷或瓦解，这类事件被称为电压失稳或电压崩溃[2]。电压崩溃事故屡屡发生，引起了电力工作者的关注，推动了电压稳定控制的研究。1982 年美国 EPRI 输电小组在规划电力系统运行方面的研究方向时，把电压失稳列为主要研究课题。IEEE 和CIGRE 也分别成立了专门的工作组进行讨论研究，并于 1987 年专门提出了防止电压失稳的准则进行规划控制。国内从 1990 年开始有关于电力系统电压稳定控制的研究，随着研究的深入发表了大量的论文。在过去的 20多年来，国内外兴起了电压稳定及控制的研究热潮，几乎使电压稳定成为一个独立的研究领域。
第 2 章 电压稳定性研究
2.1 电压稳定概述
虽然已经进行了很长时间，但是目前对它还没有一个公认的严格定义。一些研究人员将电压稳定看作是电力系统在无功功率支持下，维持负荷点电压在允许范围内的能力。当负荷的导纳持续增加，伴随着负荷功率升高的同时，若电压和功率都是可控的，则可认为电压是稳定的[30]。那么电压的失稳就是系统在受到扰动或发生故障时，节点电压超出了可接受的范围，一般来说指的是电压发生不可控的下降。GIGRE 于 1993 年提出：在电力系统遭受扰动后，邻近节点的负荷电压能够达到扰动后的平衡值，并且该受扰状态处于扰动后的稳定平衡点的吸引域内，那么就认为系统是电压稳定的；与此相反，当负荷邻近节点的电压在受到扰动后，无法维持在平衡点(低于可接受的电压极限)，产生持续下降，那么称其为电力系统电压崩溃。电压崩溃一般发生在系统内大面积、大幅度的电压下降过程中，当出现扰动后(有些时候伴随着重负荷的情况出现)，系统电压迅速下降，电力控制系统已经失去对电压衰减的控制，电压的降落有时需要几小时或几分钟，有时甚至发生在几秒钟内。持续的电压下降又会导致一些电动机的转矩下降[31]，转矩降至负荷转矩以下时电动机就会停转，那么系统所能提供的电压又进一步降低了，于是就发生了连续停机的连锁反应，最终的结果就是受影响区域发生大面积的停电。
第3章 基本模糊控制器设计........... 35-44
3.1 精确量的模糊化........... 35-40
3.1.1 模糊控制器的语言变量...........35
3.1.2 量化因子与比例因子........... 35-36
3.1.3 语言变量的选取........... 36-37
3.1.4 语言变量论域上的模糊子集...........37-39
3.1.5 一个确定数的模糊化 ...........39-40
3.2 模糊控制算法 ...........40-42
3.3 输出信息的模糊判决...........42-43
3.4 本章小结 ...........43-44
第4章 SVC 的模糊非线性控制研究........... 44-59
4.1 控制系统概述........... 44-45
4.2 被控对象的数学模型 ...........45-48
4.3 状态方程的线性化........... 48-50
4.4 控制器设计........... 50-56
4.4.1 滑模切换面的设计........... 50-51
4.4.2 模糊控制器的设计........... 51-56
4.5 系统仿真........... 56-58
4.6 本章小结 ...........58-59
第5章 模糊电力系统稳定器 ...........59-70
5.1 控制系统的特点........... 59-60
5.2 FPSS 控制算法分类........... 60-63
5.3 量化因子的调整........... 63-65
5.4 控制器设计方法 ...........65-68
5.5 小干扰下的仿真分析...........68-69
5.6 本章小结........... 69-70
结论
随着电力工业的迅速发展，人们对电力系统电压稳定的关注度会越来越高。从静态稳定的角度考虑，电压失稳问题是系统中的无功不足造成的。本文分析说明了在给定的电网中，随着节点负荷的增长，为了维持负荷端电压，必须减少负荷的无功功率(增大功率因数)或增大无功功率的补偿，不然节点电压下降，以致达到一个极限点，超越这一极限点就不能再维持一个稳定的运行方式。从小扰动动态稳定角度考虑，低频振荡问题是危及电网安全运行的因素，其首先反映在功率和相角的变化上，会使励磁电压产生较大的波动，严重时将使局部系统解列，造成电压崩溃。在本文中，以上述两点为背景，将模糊控制理论应用于 SVC、PSS 的控制中，主要完成了以下三点工作：
(1)建立了简单的单机无穷大系统模型，并构成了带有 SVC 的单机无穷大系统。为了便于分析设计，采用反馈线性化方法将非线性模型线性化，设计了采用模糊滑模变结构控制方法的 SVC 控制器；
(2)设计了基于单机无穷大模型的 FPSS，其修正因子可进行寻优调整，使该 FPSS 比传统 PSS 获得了更优良的性能；
(3)通过仿真分析了所设计的 SVC 控制器和 FPSS 在改善电压稳定方面的效果。
参考文献
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2 苏永春, 程时杰等. 电力系统电压稳定性及其现状. 电力自动化设备, 2006, 26(6):97-100
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4 王梅义, 吴竞昌等. 大电网系统技术. 北京: 中国电力出版社. 1995: 117-230
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