電力拖動系統穩定性仿真分析

張彥南　王旭

【摘 要】為設計出能夠實現穩定的電力拖動系統。結合某一個設計案例，建立了系統的數學模型，在設定階躍信號輸入后，進行穩定性仿真。通過調整增益值，得到了良好的系統動態特性，為后續電力系統的優化，奠定了基礎。

【關鍵詞】電力拖動系統；穩定性；增益值

Stability Simulation Znalysis of Electric Drive System

ZHANG Yan-nan1，2 WANG Xu3

（1.Sichuan University， Chengdu Sichuan 610065， China；

2.Dazhou Municipal Development and Reform Commission， Dazhou Sichuan 635000， China；

3.Chengdu college of university of Electronic Science And Technology of China， Chengdu Sichuan 611731， China）

【Abstract】Designed to achieve a stable electric drive system. Combined with a design case， the mathematical model of the system is established， and the stability simulation is carried out after the input of the step signal. By adjusting the gain value， good dynamic characteristics of the system are obtained， which lays the foundation for the optimization of the power system.

【Key words】Electric drive system； Stability； Gain value

電力拖動系統[1]，是集電機能量轉換、生產機械運轉于一體的有機整體。隨著電機拖動技術的飛速發展，實現系統的自動控制，已經成為了趨勢。如此一來，系統的控制效果、動態性能以及穩定性等指標優良與否，是設計中必須考慮的問題。因此，當系統完成設計后，對其動態性能和穩定性進行仿真，能夠有效預判系統的整體性能，并根據情況，優化增益值，保證系統的性能優越。綜上所述，本文結合一個電力拖動系統的案例，建立了系統的數學計算模型，并完成仿真。最后，獲得了系統的動態運行規律，再改變參數，讓該系統的性能參數，達到了良好的指標。

1 系統結構分析

在電力拖動系統數學模型建立之前，首先要做的就是進行結構分析。以明確數學模型的具體模塊。從電機啟動到穩定運行，一般會經歷兩個階段：（1）系統振蕩階段；（2）穩態穩定運行階段。通常情況下，穩定運行的系統，不會出現太大的問題。而振蕩頻繁的動態階段，則是表征其性能的關鍵。因此，仿真過程，僅需針對動態特性即可。從系統的自動控制元件來看，主要包括：給定元件、信號元件、反饋元件等，部分元件為：

（1）三相電源，頻率為50Hz；

（2）阻抗；

（3）串聯電容器；

（4）并聯電抗器。

2 數學模型的建立

以上述自動控制元件為根據，可以建立該系統的數學模型，具體分為以下幾個步驟：

（1）確定數學模型各環節模塊[2]。即新建Simulink的模型窗口，按照系統元件和給定的輸入信號、傳遞函數等，將全部組件拖入界面中。

（2）聯接系統的相鄰模塊。利用系統各個部件之間的信號傳遞先后順序，用“→”連接相鄰模塊，直至組合成系統整體。

（3）設置系統參數。各個環節確定后，通過計算微分方程，確定每個模塊的傳遞函數、空間狀態函數等。然后，將函數經過拉式變換，獲得的方程式各項增益，就是各模塊需要設置的參數。

由于系統運行時，外界存在擾動因素。因此，為確?？刂凭?，系統采取的結構為閉環結構。電力拖動系統的數學模型，如圖1所示。

3 系統動態性能仿真

對于系統的動態性能仿真中，選取最不利條件進行計算，可以獲得系統最嚴峻的動態性能，若該性能滿足要求，則其余條件下，系統性能亦滿足要求。所以，控制系統的輸入信號確定為單位階躍輸入。

由于通過微分方程、狀態空間函數的計算，系統大部分的增益值已是定值，故不存在調節的可能性。此外，系統由于并不存在缺項等問題，故也未選擇PI控制器來調整性能。由圖1可知，確定系統性能的可調參數，僅有K值。首先，根據經驗，取一個較大的K值進行計算[3]：K=4。該參數下的仿真結果，如圖2所示。

圖2 K=4仿真結果

如圖2所示，系統在階躍信號的作用下，自開啟之后，處于等幅振蕩狀態。然而，判斷系統能否實現穩定，是以波形是否衰減為依據，當波形逐漸衰減，系統則越發趨于穩定值，以此達到穩定運行狀態。所以，從圖2所示的波形來看，系統并未實現穩定，即動態性能不佳。因此，必須進一步調整K值。理論上來說，K值取得越小，系統的收斂性越強。因此，取系數K為：K=2。仿真結果，如圖3所示。

由圖3可知：

（1）該系統的動態性能，從初始到60s，曲線振蕩頻率減弱，幅值降低。40s后，基本進入穩定運行階段，即系統是穩定的。

（2）雖然系統是穩定的，但動態性能的指標如何，決定系統的運行壽命。從指標的數據來看，調整時間，約為40s；最大超調量約23%，完全符合國家定義的標準[3]：2.5%～25%。由此可知，該系統的動態性能指標良好。

綜上所述，當系統的K值取為2時，系統能夠實現收斂的目標，動態性能參數也全標準范圍內。由此可以得出結論：該系統的動態特性較好，控制精度較高。

4 結論

本文在對某電力拖動系統的穩定性數值計算中，通過分析系統的組成結構，選擇了閉環控制的方式。根據傳遞函數和微分方程，建立了系統的數學模型。在仿真過程中，選取兩組K值進行計算結果比較。結果顯示，當K=2時，系統的動態性能較為優越，即達到了優化設計的目的。

【參考文獻】

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