耿福江，辛星志

（1.淄博旭能熱電有限公司，山東 淄博 255300；2.勝利石油管理局電力總公司，山東 東營(yíng) 257000）

輔助勵(lì)磁控制對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響研究

耿福江1，辛星志2

（1.淄博旭能熱電有限公司，山東 淄博 255300；2.勝利石油管理局電力總公司，山東 東營(yíng) 257000）

在PSCAD環(huán)境中建立了PSS輔助勵(lì)磁控制系統(tǒng)的仿真模型，并針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行PSCAD仿真驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比有無(wú)PSS輔助勵(lì)磁控制的情況下，系統(tǒng)勵(lì)磁電壓以及發(fā)電機(jī)有功功率穩(wěn)定性在不同擾動(dòng)中的變化，分析了PSS輔助勵(lì)磁控制對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明PSS對(duì)低頻振蕩有良好的抑制作用，能顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

輔助勵(lì)磁控制；低頻振蕩；系統(tǒng)擾動(dòng)；PSS

0 引言

提高和改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)民生活和國(guó)家安全具有十分重要的意義。同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)質(zhì)量，保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的作用是保證發(fā)電機(jī)出口電壓平穩(wěn)和保證并聯(lián)的機(jī)組無(wú)功功率合理的配置。隨著對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制要求的提高，不僅要求勵(lì)磁控制系統(tǒng)能夠從整個(gè)大局出發(fā)提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性，還要在一定程度上有助于維持系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

研究表明［1-2］，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的附加控制能夠有效抑制系統(tǒng)中出現(xiàn)的低頻振蕩和次同步振蕩現(xiàn)象，在一定程度上提高系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。因此，提高同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的性能是一項(xiàng)重要研究課題。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成

電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)電壓和無(wú)功功率的分配會(huì)根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化而變化。勵(lì)磁控制的主要作用是維持機(jī)端電壓恒定，為了保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況時(shí)，需要發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)快速地增加勵(lì)磁電流。所以，同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動(dòng)控制可以有效提高系統(tǒng)電能質(zhì)量，保證系統(tǒng)中無(wú)功功率的合理分配，對(duì)于提高系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全可靠性具有重要作用［3-4］。

勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和發(fā)電機(jī)組成。傳統(tǒng)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)不需要發(fā)電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，形式較簡(jiǎn)單，參數(shù)容易整定，不過(guò)這種控制的動(dòng)態(tài)性能比較差。所以輔助勵(lì)磁控制應(yīng)運(yùn)而生，它引入附加控制量，來(lái)改善系統(tǒng)的阻尼特性。附加勵(lì)磁控制信號(hào)可通過(guò)多種方法，如以加速功率信號(hào)為輸入的附加控制系統(tǒng)等。

2 附加勵(lì)磁控制器（PSS）原理

2.1 PSS抑制低頻振蕩的原理

低頻振蕩的產(chǎn)生是因?yàn)橄到y(tǒng)阻尼的減少。低頻振蕩可以從減少負(fù)阻尼和增加正阻尼兩個(gè)方面降低。 減小負(fù)阻尼的措施有衰減動(dòng)態(tài)增益；增加正阻尼的措施包括PSS，線性和非線性最優(yōu)激勵(lì)控制，靜態(tài)補(bǔ)償器，直流輸電控制等。

PSS的本質(zhì)是提供一種信號(hào)，以通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)增加發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中的阻尼扭矩。PSS通常采用的輸入信號(hào)有 Δω、Δf或 ΔPe，在此選用 Δω進(jìn)行說(shuō)明。PSS通常由放大鏈路，復(fù)位鏈路，相位補(bǔ)償鏈路和限制部分組成。PSS傳輸功能框如圖1所示。圖中，K 為比例系數(shù)；T1、T2、T均為時(shí)間常數(shù)；n為相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)；Uref為參考電壓；Ut為采樣電壓。

圖1 PSS傳遞函數(shù)

ΔUPSS是由PSS產(chǎn)生的電壓信號(hào)，超前Δω是φ，之后在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)作用下，如果ΔUPSS發(fā)出的電磁轉(zhuǎn)矩ΔMPSS正好落在Δω軸上，若ΔMPSS足夠大，則它與轉(zhuǎn)矩ΔMe2結(jié)合，產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)矩ΔMe2，新轉(zhuǎn)矩在第一象限里面，產(chǎn)生正的同步轉(zhuǎn)矩和阻尼轉(zhuǎn)矩。可以在一定程度上消除由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器所引起的振蕩。這些可以通過(guò)設(shè)置PSS裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)［5-8］。其向量如圖2所示。

圖2 PSS向量圖

2.2 PSS各環(huán)節(jié)作用

復(fù)位環(huán)節(jié)。為了使PSS正常運(yùn)行并提取出有功波動(dòng)量成分，設(shè)置復(fù)位的環(huán)節(jié)。勵(lì)磁系統(tǒng)的頻率特性在低延遲下非常小，有的甚至更高級(jí)，出現(xiàn)高頻滯后，所以預(yù)計(jì)在低頻下的復(fù)位單元是不可預(yù)期的，所以T較大的情況下，復(fù)位單元盡可能少提前。假設(shè)輸入信號(hào)是Pe，如果T太大，調(diào)節(jié)電源時(shí)太長(zhǎng)，不穩(wěn)定，因而正常情況下PSS輸入的信號(hào)是△Pe的時(shí)候，T的值是2~8 s。

相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)。超前滯后相的補(bǔ)償是串聯(lián)一級(jí)或者三級(jí)，勵(lì)磁系統(tǒng)不同，相頻特性不同，比如快速的勵(lì)磁系統(tǒng)滯后相位角一般為 30°~180°（0.1～2.0 Hz），而三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的滯后角度會(huì)變大，一般兩級(jí)延時(shí)單元的設(shè)置就可以滿足三級(jí)系列的需求，在必要時(shí)可以對(duì)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得頻率范圍寬的頻率特性。 根據(jù)不同勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以得到PSS的合理補(bǔ)償時(shí)滯。

限幅環(huán)節(jié)。為了阻止機(jī)電模式振蕩，諧波激勵(lì)，功率擺幅和噪聲限制，防止達(dá)到PSS極限的放大倍率，一般在PSS采用較大的PSS增益余量后臨界增益，關(guān)鍵參數(shù)增益為 1／5~1／3。

勵(lì)磁系統(tǒng)。作為額外的勵(lì)磁控制，PSS在提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性這個(gè)方面有重要價(jià)值作用。具有物理概念清晰，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便，使用人員易于接受的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，優(yōu)于其他輔助勵(lì)磁控制。最適合實(shí)際情況下來(lái)使用。因此，PSS被國(guó)內(nèi)外大量使用，并取得良好效益，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)［1］。

抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩。PSS的研究目的主要是抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)低頻振蕩時(shí)，PSS能夠使振蕩在1~2周期后消失，過(guò)沖只有3%。

提高靜態(tài)穩(wěn)定的功率極限。采用PSS，勵(lì)磁控制系統(tǒng)可采用較大的放大倍數(shù)，能夠有效提高機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)精度，基本維持端電壓恒定。

提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。一般情況下，由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)較大，而PSS的作用需要通過(guò)勵(lì)磁繞組才能發(fā)揮出來(lái)，因此，PSS對(duì)于第一搖擺的抑制效果很小。在一定頻率范圍內(nèi)，PSS是可以為系統(tǒng)提供正阻尼的，因此經(jīng)過(guò)勵(lì)磁繞組的時(shí)間常數(shù)延遲即第一搖擺之后，PSS能夠起到明顯的抑制作用，可使搖擺過(guò)程盡快平息。

3 PSCAD仿真驗(yàn)證

在PSCAD環(huán)境中，建立了無(wú)PSS輔助勵(lì)磁控制的系統(tǒng)和有PSS附加勵(lì)磁控制的系統(tǒng)模型，對(duì)其進(jìn)行了PSCAD仿真測(cè)試，對(duì)比分析系統(tǒng)在不同擾動(dòng)下，勵(lì)磁電壓以及發(fā)電機(jī)有功功率穩(wěn)定性的變化。

3.1 PSCAD／EMTDC

PSCAD是一種用戶界面，使用戶可以更輕松地使用EMTDC分析電力系統(tǒng)的問(wèn)題，使復(fù)雜工況的電力系統(tǒng)可視化成為可能。該軟件可用作前端實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器，可模擬任何大小的HVDC系統(tǒng)。其功能包括：可以發(fā)現(xiàn)斷路器的異常，故障和雷擊過(guò)電壓；可以對(duì)復(fù)雜的非線性元件（如直流輸電設(shè)備）進(jìn)行全三相電力系統(tǒng)的準(zhǔn)確仿真；電力系統(tǒng)時(shí)域或頻域仿真都很有效果；電力系統(tǒng)諧波分析與電力電子仿真；HVDC和FACTS控制器的設(shè)計(jì)。

3.2 仿真模型

基于如圖3所示的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，建立仿真模型如圖4所示。

Xd=2.534，X′d=0.318，XT=0.1，XL=1.46，Td0=10，H＝8，D＝5.0 初始運(yùn)行條件：Pe=0.5，δ=70°；勵(lì)磁系統(tǒng)模型參數(shù)：Ka=129 Ta=0.02

整定調(diào)整后的PSS模型參數(shù)如圖5所示。

圖3 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)

圖4 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)仿真模型

圖5 調(diào)整后的PSS模型參數(shù)

3.3 結(jié)果分析與驗(yàn)證

無(wú)PSS輔助勵(lì)磁控制時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓給定階躍±1%~±5%時(shí)，測(cè)得的發(fā)電機(jī)有功功率波動(dòng)情況如圖6所示。在投入PSS情況下，做±1%UFN機(jī)端電壓階躍響應(yīng)獲得的曲線如圖7所示。

經(jīng)過(guò)圖6、圖7的對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒(méi)有PSS輔助控制時(shí)，在發(fā)生擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)機(jī)端電壓受擾動(dòng)后的穩(wěn)定時(shí)間要比有PSS的情況下有所延長(zhǎng)，且有功功率波動(dòng)較大，系統(tǒng)很大程度上會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象；投入PSS后，系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)擾動(dòng)的抵抗能力已得到改進(jìn)，系統(tǒng)不再出現(xiàn)失步現(xiàn)象，即系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。結(jié)果表明，PSS附加控制可以顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 未投入PSS時(shí)的波形

圖7 投入PSS時(shí)的波形

4 結(jié)語(yǔ)

勵(lì)磁控制系統(tǒng)采用輔助PSS時(shí)，相較于沒(méi)有PSS能夠有效提高系統(tǒng)抑制低頻振蕩的能力，同時(shí)采用輔助PSS的電力系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定性都得到很大提高，有效改善了傳統(tǒng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中僅對(duì)電壓偏差變量進(jìn)行比例調(diào)節(jié)的缺陷。證明了PSS對(duì)低頻振蕩有良好的抑制作用，能顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

［1］李靜．同步發(fā)電機(jī)PSS輔助勵(lì)磁控制及MATLAB仿真［J］．廣西輕工業(yè)，2011，27（2）：50-51．

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［3］張偉，余莉，劉玉娟，等．基于MATLAB的同步發(fā)電機(jī)PSS與勵(lì)磁系統(tǒng)仿真［J］．計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（8）：62-65．

［4］程磊，晁勤，秋向飛．兩種電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真［J］．內(nèi)江科技，2007，28（8）：119，161．

［5］余耀南．動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)［M］．北京：水利電力出版社，1985．

［6］倪以信，陳壽孫，張寶霖．動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2002．

［7］吳雪松，李振然．基于Matlab／simulink的附加勵(lì)磁控制器的仿真研究［C］∥2003年全國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第十九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集上冊(cè)，2003．

［8］湯偉．基于MATLAB的PSS的參數(shù)計(jì)算與仿真［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2010．

2017-06-26

耿福江（1968），男，工程師，從事熱電廠的電氣運(yùn)行與檢修等方面的工作；

辛星志（1971），男，工程師，從事輸配電線路維護(hù)管理，變電站維修試運(yùn)行等方面的工作。

Research on the Influence of Auxiliary Excitation Control on Power System Stability

GENG Fujiang1，XIN Xingzhi2
（1.Zibo Xuneng Thermomax Co.，Ltd.，Zibo 255300，China；2.Shengli Petroleum Administrative Bureau Electric Power Corporation，Dongying 257000，China）

Simulation model of PSS auxiliary excitation control systems is established using PSCAD followed by simulation study.The situations of weather running the generator with or without the PSS auxiliary excitation control in different disturbances of the system excitation voltage and generator active power are simulated and compared.Based on results，the PSS auxiliary excitation control effect on the stability of power system is analyzed.The results show that the PSS has a good suppression effect on the low frequency oscillation.This control improves the stability of the system.

auxiliary excitation control；low frequency oscillation；system disturbance；power system stabilizer

TM774

B

1007－9904（2017）11－0034－04