基于MATLAB的天生橋二級電站PSS仿真分析

朱建偉

(南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司天生橋水力發(fā)電總廠，貴州 興義 562400)

1 前言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，大區(qū)之間聯(lián)網(wǎng)，以及采用高增益的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來改善發(fā)電機(jī)電壓精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得低頻振蕩的現(xiàn)象時(shí)有出現(xiàn)，威脅系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前，電力系統(tǒng)普遍采用在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上附加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)的附加勵(lì)磁控制方案，引入功率增量、轉(zhuǎn)子角增量、角速度增量或它們之間組合的反饋?zhàn)饔?，能有效地增?qiáng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的阻尼，抑制低頻振蕩的發(fā)生，從而改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

目前針對PSS的研究，主要集中在參數(shù)辨識(shí)［1］及參數(shù)優(yōu)化［2］，抑制低頻振蕩機(jī)理分析［3］，及系統(tǒng)的建模和仿真［4］等方面。在眾多的電力系統(tǒng)仿真工具中，Matlab中SPS模塊以其使用簡易和界面友好而被越來越多的電力工作者采用。SPS擁有豐富的電機(jī)、負(fù)荷、電源、測量及電力驅(qū)動(dòng)的專用元件，其模塊化的設(shè)計(jì)功能和圖像化的建模環(huán)境給使用者帶來極大的便利。本文首先用轉(zhuǎn)矩向量分析法分析了低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理和PSS對低頻振蕩的抑制，然后以天生橋二級電站#1機(jī)組為例，建立基于Matlab的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證明PSS對低頻振蕩的抑制作用。

2 PSS對低頻振蕩的抑制

De Mello等運(yùn)用阻尼轉(zhuǎn)矩的概念對單機(jī)無窮大系統(tǒng)低頻振蕩的現(xiàn)象進(jìn)行了探討和分析，指出電力系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)等幅的或者增幅性的低頻震蕩，其根本原因是由于系統(tǒng)中產(chǎn)生了負(fù)阻尼抵消了系統(tǒng)原有的正阻尼，使系統(tǒng)的阻尼變的很小甚至為負(fù)值［5］。

2.1 低頻振蕩產(chǎn)生原因

在同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中，δ表示功角，ΔUt表示機(jī)端電壓偏差，它有兩個(gè)分量 ΔUt1和 ΔUt2，其中ΔUt1=K5Δδ，K5為比例系數(shù)。ΔMS表同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)，ΔMS表示阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。當(dāng)負(fù)荷較重時(shí)，δ角較大，K5＜0，ΔMS＞0，電壓調(diào)節(jié)器能夠增加系統(tǒng)的同步能力。但ΔMD＜0，即電壓調(diào)節(jié)器加入后，總的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)減小，隨著電壓放大系數(shù)的增加，當(dāng)總的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)為負(fù)時(shí)，阻尼轉(zhuǎn)矩將助長Δδ的上下變化，機(jī)組將發(fā)性振蕩失步。

若系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，不論什么原因，δ角產(chǎn)生了一個(gè)諧波振蕩，用相量Δδ表示，振蕩情況下的轉(zhuǎn)矩相量如圖1(a)所示。此時(shí)設(shè)K5＜0，則與K5成正比的電壓偏差中的第一個(gè)分量ΔUt1與Δδ反向。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器按－ΔUt1調(diào)節(jié)，它的輸出為ΔEfd，它與－ΔUt1間相角差很小，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器的慣性很小。ΔEfd再輸入勵(lì)磁繞組，它的輸出為 ΔMe2，在振蕩過程中，從 － ΔUt1到 ΔMe2的滯后相當(dāng)于一個(gè)0°～90°的相位角。

圖1 PSS抑制低頻振蕩轉(zhuǎn)矩向量圖

2.2 PSS相位補(bǔ)償分析

如圖1(b)所示，電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩ΔMe2落后轉(zhuǎn)子角振蕩Δδ的相位為φx，如果能產(chǎn)生一個(gè)足夠大的純粹的正阻尼轉(zhuǎn)矩ΔMp，則ΔMp與ΔMe2的合成轉(zhuǎn)矩就位于第一象限，而它的兩個(gè)分量——同步及阻尼轉(zhuǎn)矩都是正的。上述正阻尼轉(zhuǎn)矩ΔMp，是在電壓調(diào)節(jié)器參考點(diǎn)輸入一個(gè)附加信號Δus來產(chǎn)生的，因?yàn)樗妮斎朦c(diǎn)與ΔUt1的輸入點(diǎn)事實(shí)上是同一點(diǎn)，所以要使Δus產(chǎn)生純粹的正阻尼轉(zhuǎn)矩(相位上與轉(zhuǎn)速同方向)，Δus的相位必須超前Δω軸φx角，這樣輸入電壓調(diào)節(jié)器后，經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器及勵(lì)磁系統(tǒng)的滯后，剛好可以產(chǎn)生純粹的正阻尼轉(zhuǎn)矩。附加信號Δus即為PSS的輸出，上述過程就是PSS相位補(bǔ)償?shù)脑矸治觥?/p>

3 基于MATLAB的PSS建模

3.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)模塊分析

天生橋二級電站#1機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是ABB Unitrol－5000型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為雙通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，控制方式采用的是PID+PSS控制。電壓調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型如圖2所示，經(jīng)濾波后機(jī)端電壓輸出與PSS的輸出信號UST疊加后作為電壓調(diào)節(jié)的輸入。電壓調(diào)節(jié)器包括兩級超前滯后環(huán)節(jié)和穩(wěn)態(tài)增益KR，最后一級濾波環(huán)節(jié)是門控單元和整流橋的簡化數(shù)學(xué)模型。

圖2 電壓調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)模型

PSS數(shù)學(xué)模型如圖3所示，包括機(jī)械功率計(jì)算、陷波器、加速功率計(jì)算、相位和增益補(bǔ)償四個(gè)環(huán)節(jié)。PSS的輸入信號為V1和V2。V1表示轉(zhuǎn)子角頻率的變化量，V2表示機(jī)組的電功率。V1和V2首先經(jīng)過兩級隔直環(huán)節(jié)后濾出穩(wěn)態(tài)值，得到相應(yīng)的變化量。電功率信號經(jīng)兩級隔直和一級濾波后得到其變化量的積分。機(jī)械功率的積分來自于V1和V2兩路信號的合成，Ks3用于微調(diào)。陷波器用于濾掉有害的高頻分量，比如軸系扭振。加速功率的積分來自于機(jī)械功率的積分與電功率積分的差值。最后，兩級超前滯后環(huán)節(jié)和放大單元Ks1用于相位補(bǔ)償和增益補(bǔ)償。

圖3 PSS數(shù)學(xué)模型

3.2 基于MATLAB的PSS仿真系統(tǒng)

利用Matlab/Simulink功能建立單機(jī)無窮大系統(tǒng)如圖4所示，基中AVR與PSS模塊是對上述勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的封裝。

圖4 PSS仿真系統(tǒng)

單機(jī)無窮大系統(tǒng)建模需要matlab/simulink如下模塊:

(1)SimPowerSystems工具箱

①Electrical Sources中的Three－Phase Source(三相電源)模塊;

②Elements中的 Three－Phase Series RLC Load(三相串聯(lián)RLC負(fù)載)模塊，Three－Phase Breaker(三相斷路器)模塊，Three－Phase Fault(三相故障整流器)模塊，Three－Phase Transformer(Two Windings)(三相變壓器繞組)模塊;

③Machines里Synchronous Machine pu Standad(標(biāo)么標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī))模塊，Machines Measurement Demux(電機(jī)復(fù)合測量)模塊;

④powergui模塊。

(2)Simulink常用工具箱

①Commonly Used Blocks(常用模塊)中的Constant(常量)模塊，Ground模塊(直流)，Scope(顯示器)模塊;

②Signal Routing(信號路由)模塊庫下的Manual Switch(手動(dòng)開關(guān))模塊。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

同步發(fā)電機(jī)參數(shù):Pn=245MVA Vn=18kV Xd=1.305p.u.Xd'=0.296p.u.Xd″=0.252p.u.Xq=0.474p.u.Xq″=0.243 p.u.Xl=0.18 p.u.Tdo'=4.7s Tdo″=0.0681s Tq″=0.0513s

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù):Tr=0.02s TB1=5s TB2=0.08 TC1=1s TC2=0.08s

PSS參數(shù):TW1=2s TW2=2s TW3=2s TW4=0 Ks1=10p.u.Ks2=0.143p.u.Ks1=10p.u.Ks2=0.143p.u.Ks3=1p.u.T1=0.2s T2=0.04 T3=0.44 T4=0.12 T7=2 T8=0.2 T9=0.1

M=5 N=1 USTmax=0.1p.u.USTmin=－0.1p.u.

4.2 相位補(bǔ)償試驗(yàn)

相位補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)利用matlab軟件中Linearization Task功能得到相頻特性曲線。由上文分析，勵(lì)磁系統(tǒng)引入PSS后產(chǎn)生的合成電磁轉(zhuǎn)距在0.1～2.0Hz的范圍內(nèi)滯后加速轉(zhuǎn)矩約60°～120°。PSS補(bǔ)償前和PSS補(bǔ)償后系統(tǒng)的相頻特性如圖5所示，除了0.1Hz滯后－57.8，1.4Hz滯后 －134.7，在 0.1 ～2.0Hz的頻率范圍內(nèi)，有補(bǔ)償相頻特性在－60～－120之間，由PSS產(chǎn)生的電磁力矩的阻尼分量為正，PSS相位補(bǔ)償基本滿足要求。

圖5 PSS補(bǔ)償相頻特性

4.3 小擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

如圖4所示的系統(tǒng)仿真模型分別進(jìn)行在小擾動(dòng)下未加和加上PSS的仿真實(shí)驗(yàn)。15s時(shí)在機(jī)端參考電壓Uref輸入階躍擾動(dòng)(2%)，25s時(shí)線路模擬三相短路故障，0.02s后故障切除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，未加入PSS的階躍擾動(dòng)電功率Pe在20s處停止波動(dòng)，加入PSS后電功率Pe在17s處停止波動(dòng)。未加入PSS的三相短路故障電功率Pe在32s處停止波動(dòng)，加入PSS后在37s處停止波動(dòng)。通過對比可看出PSS對小擾動(dòng)有較好的抑制作用。

圖6 小擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)Pe時(shí)域圖

5 結(jié)束語

本文利用轉(zhuǎn)矩向量分析法分析了低頻振蕩產(chǎn)生的原因，PSS對低頻振蕩抑制的機(jī)理。對天生橋二級電站#1機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模塊數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹，借助Matalb軟件建立了PSS分析模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，PSS對系統(tǒng)的低頻振蕩有較好的抑制作用。本文的工作有助于增進(jìn)對PSS抑制低頻振蕩的理解，為勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析提供了一個(gè)很好的仿真平臺(tái)。然而，電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，本文在建模分析時(shí)并沒有考慮到天生橋二級電站多機(jī)組的影響，利用Matlab平臺(tái)搭建全廠PSS仿真系統(tǒng)是下一階段工作的重點(diǎn)。

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