電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在抑制系統(tǒng)低頻振蕩中的應(yīng)用

趙 璐

(上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

由于電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，各區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)可以使電力系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)可靠地運行.但同時，大規(guī)模的互聯(lián)系統(tǒng)也帶來了許多復(fù)雜的問題，如發(fā)電機組之間的功率動態(tài)振蕩，特別是在互聯(lián)系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線上，這種振蕩的表現(xiàn)更為突出.由于這種振蕩的頻率較低，一般在0.2～2.5 Hz范圍內(nèi)，因此稱之為低頻振蕩［1］.低頻振蕩嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)解列或失去穩(wěn)定，是大型電力系統(tǒng)互聯(lián)時產(chǎn)生的最嚴(yán)重的系統(tǒng)穩(wěn)定問題之一.系統(tǒng)中的弱耦合導(dǎo)致的弱阻尼是產(chǎn)生低頻振蕩的主要原因，而高發(fā)大倍數(shù)快速勵磁系統(tǒng)則進(jìn)一步加重了負(fù)阻尼的現(xiàn)象.因此，采取合理措施提高系統(tǒng)阻尼、抑制系統(tǒng)低頻振蕩是非常有必要的.

目前，國際上抑制低頻振蕩最常見的方法是勵磁系統(tǒng)附加穩(wěn)定控制，其中電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(Power System Stabilizer，PSS)因其具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、效果好等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用［2,3］.

1 PSS的工作原理

PSS的工作原理如圖1所示.

圖1 PSS工作原理

圖1中，φ2為PSS環(huán)節(jié)本身對特定頻率的輸入信號產(chǎn)生的相位移;φ3為勵磁系統(tǒng)對PSS調(diào)節(jié)信號ΔPSS產(chǎn)生的相位滯后角度.系統(tǒng)信號經(jīng)過勵磁系統(tǒng)后，所產(chǎn)生的電磁力矩T1滯后于Δδ一個角度?1，從圖1可以看出，T1在ω軸上的分量是負(fù)值，即其提供負(fù)的阻尼.為了消除這種負(fù)阻尼，需要附加一個控制信號，即PSS信號.

以取功率增量作為輸入信號的PSS為例來說明其作用原理.功率增量ΔP與Δδ反向，從圖1可以看出，要使機組穩(wěn)定運行，并使最后合成的電磁轉(zhuǎn)矩T∑在ω軸上的分量為正值，即提供正的阻尼，則由PSS調(diào)節(jié)信號產(chǎn)生的電磁力矩T2必須落在第一象限，因此必須對PSS的輸入信號ΔP提供一個相位滯后.

只要適當(dāng)調(diào)整PSS輸出信號的相位及放大倍數(shù)，就可以使最后的合成電磁力矩提供正的阻尼力矩和正的同步力矩.

在原理上，PSS的輸入信號可以是與電功率有關(guān)聯(lián)的任何量，包括 Δω，Δδ，Pe，ΔP，Δf等，本文利用轉(zhuǎn)子角速度和電功率信號作為PSS的輸入信號，克服了單輸入信號的缺點，同時使PSS達(dá)到更好的抑制效果［1］.

2 MATLAB仿真建模

2.1 PSS 系統(tǒng)建模

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是由隔直、超前-滯后校正、放大、限幅等4個環(huán)節(jié)組成的，因此將Simulinkcotinuous中的Transfer Fcn傳遞函數(shù)模塊，Math Operations中的Sum信號疊加模塊和Gain增益模塊，Signal Routing中的Manual Switch手動開關(guān)模塊，Sources中的 Ground地輸出信號模塊，以及Discountinuities中的Saturation限幅模塊連接在一起，形成PSS系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示.

圖2 PSS系統(tǒng)仿真模型

2.2 勵磁系統(tǒng)模型

勵磁系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示.

圖3 勵磁系統(tǒng)仿真模塊

圖3中，與輸入端參考電壓Uref連接的是值為1的常數(shù)模塊，此處也可以連接一個單位階躍函數(shù)Step模塊.利用同步發(fā)電機信號分離器中的Us_qd輸出端將勵磁系統(tǒng)的定子、轉(zhuǎn)子電壓輸入端分離成Ud和Uq兩路，接入勵磁系統(tǒng).

2.3 同步發(fā)電機接線

同步發(fā)電機的仿真模塊如圖4所示.由圖4可以看出，在水力汽輪機的wref與Pref輸入端接入兩個常數(shù)模塊，we，Pe0，dw分別以同步發(fā)電機信號分離器中的wm，Pe0，dw信號量作為輸入，輸出端Pm與同步發(fā)電機的Pm輸入端相連接，為同步發(fā)電機提供機械功率.同步發(fā)電機的ABC 3相分別 連接負(fù)載和變壓器，模擬現(xiàn)實的輸電配電網(wǎng)絡(luò).

圖4 同步發(fā)電機仿真模塊

2.4 系統(tǒng)仿真模型

在Simulink-Sinks中的Scope示波器模塊中，分別命名所要測的信號量，并將各模塊對應(yīng)接上，觀察低頻振蕩對這些參數(shù)的具體影響，接線如圖5所示.

本文同步發(fā)電機采用的是標(biāo)幺制模塊，所以測得的數(shù)據(jù)是標(biāo)幺制形式［4］.

圖5 整個系統(tǒng)仿真模型

3 仿真試驗及結(jié)果分析

首先，利用Matlab的sisotool指令觀察系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，確定其固有頻率，并根據(jù)固有頻率和系統(tǒng)伯德圖選擇合適的整定頻率和整定相角，計算出將要滯后或者超前的角度，配置PSS的超前滯后單元參數(shù).其次，選擇PSS的輸入信號，根據(jù)不同的信號特點確定PSS系統(tǒng)隔直單元的參數(shù).最后，從小到大增加PSS的增益模塊，觀察發(fā)電機有功信號輸出是否開始持續(xù)振蕩，以確定整個系統(tǒng)的臨界振蕩值 勵磁系統(tǒng)和同步發(fā)電機可以使用默認(rèn)參數(shù)或者根據(jù)現(xiàn)場實際參數(shù)進(jìn)行配置，選擇合適的仿真時間和算法進(jìn)行最后的仿真.

雙擊手動開關(guān)能夠改變勵磁系統(tǒng)中PSS的投、切狀態(tài)，PSS投入前后發(fā)電機的有功波形如圖6和圖7所示.當(dāng)系統(tǒng)未投入PSS時，發(fā)電機各參數(shù)持續(xù)振蕩，在10 s時仍能看到持續(xù)小振蕩.但當(dāng)投入PSS后，可以清楚地看到，在2～4 s時系統(tǒng)各個參數(shù)便逐漸趨于穩(wěn)定，說明PSS系統(tǒng)能夠有效快捷地抑制系統(tǒng)的低頻振蕩，提高了發(fā)電質(zhì)量［6］.

圖6 未投入PSS時發(fā)電機的有功波形

圖7 投入PSS后發(fā)電機的有功波形

由圖6和圖7可以看出，在未投入PSS時，有功波形的最大上下峰值分別為6，－2，之后波形衰減幅度并不明顯，在10 s的仿真時間內(nèi)仍發(fā)生上下幅值相差比較大的振蕩，在最后時刻仍然能夠看到波形還沒有完全穩(wěn)定.但當(dāng)投入PSS后，能夠發(fā)現(xiàn)有功波形的最大上下峰值為6，－1，之后有明顯的衰減，下個波峰和波谷上下幅值相差較小，幅值也明顯比原波形小得多，在仿真進(jìn)行約3 s后波形已趨于穩(wěn)定，并持續(xù)輸出1(p.u.)，完全快速地抑制了低頻振蕩.

4 結(jié)語

本文應(yīng)用Matlab實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、勵磁系統(tǒng)和同步發(fā)電機的仿真，并進(jìn)行了大量的參數(shù)配置，從而實現(xiàn)了通過改變PSS參數(shù)來有效抑制低頻振蕩，這將大大減少現(xiàn)場調(diào)試PSS所花費的時間，具有較高的實用價值.

本文主要研究了在單機系統(tǒng)中PSS抑制低頻振蕩的效果，還可以根據(jù)此模型的原理及方法建立模擬多機系統(tǒng)的模型，以及觀察多機系統(tǒng)中各個PSS之間的影響、抑制低頻振蕩的效果等.隨著數(shù)字技術(shù)及仿真技術(shù)的發(fā)展，PSS將會逐漸趨于智能化，從而能更快速、有效地抑制低頻振蕩.

［1］石輝，張勇軍，徐濤.我國智能電網(wǎng)背景下的低頻振蕩應(yīng)對研究綜述［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(24):13-15.

［2］薛禹勝，郝思鵬，劉俊勇.關(guān)于低頻振蕩分析方法的評述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(3):26-28.

［3］BOUKARIM G E，WANG S，CHOW J H，et al.A comparison of classical robust and decentralized control designs for multiple power system stabilizers［J］.IEEE Transaction on Power System，2000，15(4):36-39.

［4］劉建，王晶，翁國慶.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008:156-160.

［5］吳峰，魯曉帆，陳維榮，等.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)優(yōu)化的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(5):28-30.

［6］楊俊新，馬進(jìn)，陶華.基于電力系統(tǒng)混合仿真的低頻振蕩誤差校正策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(8):18-21.