基于Simulink的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)應(yīng)用仿真

余洋

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

在電力系統(tǒng)中，提高和維持同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，是保障電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提條件。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)進(jìn)行電壓調(diào)控和穩(wěn)定運(yùn)行的重要部分，對(duì)其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性有著直接影響。常規(guī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般采用PID控制方式，控制簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，得到了非常廣泛的應(yīng)用。但是由于它提供的超前相位的頻率與低頻振蕩的頻率不一定相同，因而它為電壓信號(hào)所設(shè)計(jì)的超前相位不一定滿足補(bǔ)償負(fù)阻尼所需的相位[1-3]。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）是一種有效的附加勵(lì)磁控制，主要應(yīng)用于干擾之后的系統(tǒng)功率振蕩，通過(guò)采集發(fā)電機(jī)參數(shù)組成反饋?zhàn)饔糜趧?lì)磁系統(tǒng)，在系統(tǒng)短路故障瞬間的暫態(tài)過(guò)程中可以加快發(fā)電機(jī)端電壓的恢復(fù)，有助于平穩(wěn)各發(fā)電機(jī)參數(shù)的暫態(tài)振蕩。PSS主要應(yīng)用于干擾之后的系統(tǒng)功率振蕩，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

本文利用Matlab/Simulink仿真研究了不同輸入形式的PSS穩(wěn)定電力系統(tǒng)的作用。仿真對(duì)比了無(wú)窮大系統(tǒng)中處于同樣工況的發(fā)電機(jī)在加裝不同PSS的條件下對(duì)于不同類型故障的響應(yīng)情況。仿真結(jié)果表明，安裝了PSS的同步發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)故障擾動(dòng)下的穩(wěn)定性得到明顯提升，并且雙輸入的PSS的功能強(qiáng)于單輸入PSS。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)原理及模型建立

1.1 勵(lì)磁系統(tǒng)原理

勵(lì)磁系統(tǒng)是現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分，其主要任務(wù)就是通過(guò)采集發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓信息，反饋到勵(lì)磁作用中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于發(fā)電機(jī)端電壓的控制電壓控制、合理分配，以提高同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般由2個(gè)部分組成：勵(lì)磁主電路和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。前者是由勵(lì)磁電源、主整流器、滅磁電路以及過(guò)流過(guò)電壓保護(hù)電路組成。后者根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以滿足發(fā)電機(jī)的運(yùn)行要求，主要包括測(cè)量比較、綜合放大、移相觸發(fā)3部分，見圖1。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the excitation system

在Simulink軟件中提供了勵(lì)磁系統(tǒng)模塊，可以輸入?yún)?shù)直接應(yīng)用。其框圖如圖2所示。圖中4個(gè)輸入端口，Vref是參考電壓；Vd、Vq分別是輸出電壓的直軸和交軸分量，Vstab為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸入端口。

圖2 Simulink中勵(lì)磁系統(tǒng)模塊框圖Fig.2 Block diagram of the excitation system in Simulink

1.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS原理

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS一般由測(cè)量環(huán)節(jié)、超前—滯后環(huán)節(jié)和隔直環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中，測(cè)量環(huán)節(jié)用于信號(hào)的測(cè)量和濾波，信號(hào)采集環(huán)節(jié)由傳感器來(lái)完成，它將PSS的工作主頻（0.1~3 Hz）范圍內(nèi)的信號(hào)傳進(jìn)PSS；超前—滯后環(huán)節(jié)用于相位的補(bǔ)償；隔直環(huán)節(jié)的作用是當(dāng)信號(hào)的變化達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，PSS的輸出為0[4]。PSS在電壓調(diào)節(jié)器（AVR）或其他形式的調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，通過(guò)采集與低頻振蕩有關(guān)的發(fā)電機(jī)輸出量，如有功功率、轉(zhuǎn)速或頻率，加以處理，產(chǎn)生附加信號(hào)加到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中。這些引入的附加反饋ΔP（Δf或Δ∞）能夠使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生對(duì)功率（或轉(zhuǎn)速）中的低頻振蕩分量的阻尼力矩，迅速抑制低頻振蕩。

圖3 一種雙輸入PSS結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of a bi-input PSS

因此，由于引入反饋量的類型與個(gè)數(shù)不同，不同種類的PSS的工作性能之間存在著差異。單一的以ΔP，或Δω作為輸入信號(hào)都存在不足之處，而Δ∞和△只同時(shí)為輸入信號(hào)，它們可以相互補(bǔ)償，減小反調(diào)現(xiàn)象的影響[4]。圖3是一種較為典型的雙輸入PSS的結(jié)構(gòu)圖。本文重點(diǎn)在于通過(guò)仿真分析基于ΔP和Δω 2個(gè)反饋量的雙輸入PSS和只引入ΔP的單輸入PSS相比于沒(méi)有PSS情況下工作性能差異。

2 應(yīng)用Simulink進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)

Matlab提供的Simulink工具箱是一個(gè)針對(duì)電力系統(tǒng)仿真軟件平臺(tái)，在這一平臺(tái)上可以完成諸多方面的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真。為了保證問(wèn)題研究具有普遍性，在研究勵(lì)磁系統(tǒng)仿真模型時(shí)，通常采用典型的電力系統(tǒng)，即單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行[5]。在Matlab軟件中以Simulink搭建此仿真模型，該仿真系統(tǒng)包括同步發(fā)電機(jī)模塊、PSS模塊、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模塊、升壓變壓器模塊、三相短路模塊、無(wú)窮大系統(tǒng)模塊、斷路器模塊和線路阻抗模塊。

在圖4中，同步發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)升壓變壓器與無(wú)窮大電源并網(wǎng)，并通過(guò)接入三相短路刀閘模擬電力系統(tǒng)短路故障，通過(guò)在原動(dòng)機(jī)輸入端疊加階躍函數(shù)表示原動(dòng)機(jī)擾動(dòng)。同步發(fā)電機(jī)模型輸出三相電以及發(fā)電機(jī)參數(shù)。通過(guò)電機(jī)參數(shù)分離模塊獲取的發(fā)電機(jī)參數(shù)，變換后輸入給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器以及PSS。經(jīng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和PSS調(diào)節(jié)后的電壓相加后又送到發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁端口[6-9]。

電路各模塊的參數(shù)如下。

發(fā)電機(jī)參數(shù)：P等于 200 MV·A；Un等于13 800 V；f等于 50；Xd等于 1.305；Xd′等于 0.308；Xd″等于 0.273；Xq等于 0.465；Xq″等于 0.251；Xl等于0.22。

電網(wǎng)參數(shù)：變壓器變比為23.8/210；電網(wǎng)電壓為200 kV。

圖4 仿真電路圖Fig.4 Circuit simulation diagram

勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)：Tr為 0.002；Ka為 100；Ta為0.01；Kf為 0.01；Tf為 0.1；限幅幅值為 11.5。

PSS 參數(shù):T1為 5；T2為 0.181；T3為 0.087；T4為0.02；T5為 1。

2.1 三相接地短路

短路故障是電力系統(tǒng)中最為常見的暫時(shí)性故障，其中以三相接地短路帶給電網(wǎng)的沖擊最大，因此，研究這種工況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)研究電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性意義重大。由于在正常情況下，當(dāng)出現(xiàn)短路時(shí)，一般線路繼電保護(hù)設(shè)備在0.1 s的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)完全能夠正確動(dòng)作[10-13]，因此仿真其重合閘時(shí)間一般為0.1 s，故設(shè)短路模塊的接地時(shí)間是25~25.1 s。

試驗(yàn)分別在不加PSS，加入基于ΔP的單輸入PSS和基于Δω與ΔP的雙輸入PSS 3種情況下進(jìn)行。圖5~7為3種情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω隨時(shí)間的變化情況，圖8~10為3種情況下發(fā)電機(jī)輸出功率隨時(shí)間的變化情況。

2.2 原動(dòng)機(jī)擾動(dòng)

圖5 三相接地，不加PSS的轉(zhuǎn)子角速度波形Fig.5 Waveform of ω without PSS in 3-phase fault

圖6 三相接地，加單輸入PSS的轉(zhuǎn)子角速度波形Fig.6 Waveform of ω with single-input PSS in 3-phase fault

發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化會(huì)影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)（P=1）時(shí)，起勵(lì)25 s后在原動(dòng)機(jī)輸出功率上疊加一個(gè)5%的階躍量用以模擬原動(dòng)機(jī)狀態(tài)的變化，此時(shí)得到同步發(fā)電機(jī)起勵(lì)運(yùn)行的機(jī)端電壓波形如圖11~12所示。觀察波形可以看出，不加PSS時(shí)，受到擾動(dòng)波動(dòng)幅值大，20個(gè)周波后仍有振蕩，而使用AVR+PSS控制時(shí)，其擾動(dòng)波動(dòng)幅值小，大約在12個(gè)周波后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明PSS對(duì)擾動(dòng)有很好抑制作用。

圖7 三相接地，加雙輸入PSS的轉(zhuǎn)子角速度波形Fig.7 Waveform of ω with bi-input PSS in 3-phase fault

圖8 三相接地，不加PSS的發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.8 Waveform of P without PSS in 3-phase fault

圖9 三相接地，加單輸入PSS的發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.9 Waveform of P with single-input PSS in 3-phase fault

圖10 三相接地，加雙輸入的PSS的輸出功率波形Fig.10 Waveform of P with bi-input PSS in 3-phase fault

圖11 原動(dòng)機(jī)加階躍，不加PSS發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.11 Waveform of P without PSS when mover steps

圖12 原動(dòng)機(jī)加階躍，加雙輸入PSS發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.12 Waveform of P with bi-input PSS when mover steps

3 結(jié)果分析

通過(guò)軟件仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)電機(jī)在不加PSS，加單輸入PSS和加雙輸入PSS 3種情況在電網(wǎng)故障狀態(tài)后的參數(shù)變化，可以得到PSS對(duì)于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，其主要體現(xiàn)在以下方面。

3.1 抑制低頻振蕩

由于PSS是專門為抑制低頻振蕩而設(shè)置的，其效果是明顯的。對(duì)比仿真結(jié)果，不論是開機(jī)后的啟動(dòng)振蕩，還是在系統(tǒng)發(fā)生故障的暫態(tài)振蕩，投入PSS后發(fā)電機(jī)的參數(shù)振蕩平息速度大大快于不加PSS的情況，提高了電力系統(tǒng)故障后的穩(wěn)定性。

3.2 提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性

PSS對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定的影響主要可以分成2個(gè)方面：一是對(duì)于大擾動(dòng)后第一擺的影響；二是對(duì)第一擺后的后續(xù)振蕩的影響。對(duì)比仿真結(jié)果，PSS對(duì)于第一擺的影響不明顯，因?yàn)镻SS主要通過(guò)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組起作用，而發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)較大。由于PSS能夠在一定頻率范圍內(nèi)提供正阻尼，因此，它對(duì)后續(xù)振蕩有明顯的抑制作用，可以降低振蕩幅值，縮短暫態(tài)過(guò)程。

由于ω附加阻尼力矩，雙輸入的PSS波動(dòng)幅值均小于單輸入PSS，因此，基于Δω和ΔP的雙輸入PSS有著比ΔP的單輸入PSS更好的穩(wěn)定功能。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)系統(tǒng)受到不同類型的干擾后，傳統(tǒng)的AVR勵(lì)磁控制系統(tǒng)雖然能一定程度上保證系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，但收斂時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，波動(dòng)幅度較大。含有PSS的勵(lì)磁控制系統(tǒng)具有較好的控制特性，而且PSS采取的反饋量越多，則控制力度越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越好。

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