余洋

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

在電力系統(tǒng)中，提高和維持同步發(fā)電機運行的穩(wěn)定性，是保障電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的前提條件。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是發(fā)電機進行電壓調(diào)控和穩(wěn)定運行的重要部分，對其運行的可靠性和穩(wěn)定性有著直接影響。常規(guī)勵磁調(diào)節(jié)器一般采用PID控制方式，控制簡單且易于實現(xiàn)，得到了非常廣泛的應用。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，因而它為電壓信號所設計的超前相位不一定滿足補償負阻尼所需的相位[1-3]。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）是一種有效的附加勵磁控制，主要應用于干擾之后的系統(tǒng)功率振蕩，通過采集發(fā)電機參數(shù)組成反饋作用于勵磁系統(tǒng)，在系統(tǒng)短路故障瞬間的暫態(tài)過程中可以加快發(fā)電機端電壓的恢復，有助于平穩(wěn)各發(fā)電機參數(shù)的暫態(tài)振蕩。PSS主要應用于干擾之后的系統(tǒng)功率振蕩，具有極高的應用價值。

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。仿真對比了無窮大系統(tǒng)中處于同樣工況的發(fā)電機在加裝不同PSS的條件下對于不同類型故障的響應情況。仿真結果表明，安裝了PSS的同步發(fā)電機在系統(tǒng)故障擾動下的穩(wěn)定性得到明顯提升，并且雙輸入的PSS的功能強于單輸入PSS。

1 勵磁系統(tǒng)原理及模型建立

1.1 勵磁系統(tǒng)原理

勵磁系統(tǒng)是現(xiàn)代同步發(fā)電機的重要組成部分，其主要任務就是通過采集發(fā)電機機端電壓信息，反饋到勵磁作用中，實現(xiàn)了對于發(fā)電機端電壓的控制電壓控制、合理分配，以提高同步發(fā)電機運行的穩(wěn)定性。勵磁調(diào)節(jié)器一般由2個部分組成：勵磁主電路和勵磁調(diào)節(jié)器。前者是由勵磁電源、主整流器、滅磁電路以及過流過電壓保護電路組成。后者根據(jù)發(fā)電機的運行狀態(tài)自動調(diào)節(jié)勵磁電流以滿足發(fā)電機的運行要求，主要包括測量比較、綜合放大、移相觸發(fā)3部分，見圖1。

圖1 勵磁系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the excitation system

在Simulink軟件中提供了勵磁系統(tǒng)模塊，可以輸入?yún)?shù)直接應用。其框圖如圖2所示。圖中4個輸入端口，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一般由測量環(huán)節(jié)、超前—滯后環(huán)節(jié)和隔直環(huán)節(jié)構成。其中，測量環(huán)節(jié)用于信號的測量和濾波，信號采集環(huán)節(jié)由傳感器來完成，它將PSS的工作主頻（0.1~3 Hz）范圍內(nèi)的信號傳進PSS；超前—滯后環(huán)節(jié)用于相位的補償；隔直環(huán)節(jié)的作用是當信號的變化達到穩(wěn)態(tài)時，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)基礎上，通過采集與低頻振蕩有關的發(fā)電機輸出量，如有功功率、轉速或頻率，加以處理，產(chǎn)生附加信號加到勵磁調(diào)節(jié)器中。這些引入的附加反饋ΔP（Δf或Δ∞）能夠使發(fā)電機產(chǎn)生對功率（或轉速）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結構框圖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作為輸入信號都存在不足之處，而Δ∞和△只同時為輸入信號，它們可以相互補償，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的結構圖。本文重點在于通過仿真分析基于ΔP和Δω 2個反饋量的雙輸入PSS和只引入ΔP的單輸入PSS相比于沒有PSS情況下工作性能差異。

2 應用Simulink進行仿真實驗

Matlab提供的Simulink工具箱是一個針對電力系統(tǒng)仿真軟件平臺，在這一平臺上可以完成諸多方面的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真。為了保證問題研究具有普遍性，在研究勵磁系統(tǒng)仿真模型時，通常采用典型的電力系統(tǒng)，即單機無窮大系統(tǒng)來進行[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)電機模塊、PSS模塊、勵磁調(diào)節(jié)器模塊、升壓變壓器模塊、三相短路模塊、無窮大系統(tǒng)模塊、斷路器模塊和線路阻抗模塊。

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

電路各模塊的參數(shù)如下。

發(fā)電機參數(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，當出現(xiàn)短路時，一般線路繼電保護設備在0.1 s的時間內(nèi)已經(jīng)完全能夠正確動作[10-13]，因此仿真其重合閘時間一般為0.1 s，故設短路模塊的接地時間是25~25.1 s。

試驗分別在不加PSS，加入基于ΔP的單輸入PSS和基于Δω與ΔP的雙輸入PSS 3種情況下進行。圖5~7為3種情況下發(fā)電機轉子轉速ω隨時間的變化情況，圖8~10為3種情況下發(fā)電機輸出功率隨時間的變化情況。

2.2 原動機擾動

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

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

發(fā)電機的原動機轉矩變化會影響電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當發(fā)電機滿載運行時（P=1）時，起勵25 s后在原動機輸出功率上疊加一個5%的階躍量用以模擬原動機狀態(tài)的變化，此時得到同步發(fā)電機起勵運行的機端電壓波形如圖11~12所示。觀察波形可以看出，不加PSS時，受到擾動波動幅值大，20個周波后仍有振蕩，而使用AVR+PSS控制時，其擾動波動幅值小，大約在12個周波后趨于穩(wěn)定，說明PSS對擾動有很好抑制作用。

圖7 三相接地，加雙輸入PSS的轉子角速度波形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 原動機加階躍，不加PSS發(fā)電機輸出功率波形Fig.11 Waveform of P without PSS when mover steps

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

3 結果分析

通過軟件仿真結果對比發(fā)電機在不加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置的，其效果是明顯的。對比仿真結果，不論是開機后的啟動振蕩，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對于暫態(tài)穩(wěn)定的影響主要可以分成2個方面：一是對于大擾動后第一擺的影響；二是對第一擺后的后續(xù)振蕩的影響。對比仿真結果，PSS對于第一擺的影響不明顯，因為PSS主要通過發(fā)電機的勵磁繞組起作用，而發(fā)電機的勵磁繞組的時間常數(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)過程。

由于ω附加阻尼力矩，雙輸入的PSS波動幅值均小于單輸入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 結語

當系統(tǒng)受到不同類型的干擾后，傳統(tǒng)的AVR勵磁控制系統(tǒng)雖然能一定程度上保證系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定運行點，但收斂時間相對較長，波動幅度較大。含有PSS的勵磁控制系統(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，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越好。

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