基于MATLAB的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器仿真研究

宋海輝，謝云敏

（1. 上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院，上海 201209；2. 南昌工程學院，南昌 330029）

基于MATLAB的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器仿真研究

宋海輝1，謝云敏2

（1. 上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院，上海 201209；2. 南昌工程學院，南昌 330029）

在介紹基于MATLAB的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）仿真方法的基礎上，研究了應用MATLAB/Simulink軟件建立相應的勵磁自動控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)在采用PSS前后受到小擾動時的情形進行了模擬仿真。仿真結(jié)果表明，在發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁的同時如采用PSS，系統(tǒng)受到小擾動后能迅速恢復平衡，從而避免低頻振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。

仿真；低頻振蕩；PSS；勵磁系統(tǒng)

0 引言

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，大型發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）往往會產(chǎn)生負阻尼，尤其在遠距離、重負荷的輸電線路上或互連系統(tǒng)的弱聯(lián)絡線上將更加嚴重。這種消極的阻尼可能發(fā)生在快速勵磁系統(tǒng)或常規(guī)勵磁系統(tǒng)中，它會破壞電力系統(tǒng)的平衡，并導致電力系統(tǒng)低頻振蕩[1]。電力系統(tǒng)低頻振蕩將威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，嚴重時將導致系統(tǒng)解列。要抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩，必須先找到低頻振蕩產(chǎn)生的原因，歸結(jié)起來，低頻振蕩產(chǎn)生的原因主要有以下幾點[2]：

（1）缺乏互聯(lián)系統(tǒng)機械模式的阻尼而引起低頻振蕩；

（2）發(fā)電機的慣性引起的低頻電磁振蕩；

（3）過于靈敏的勵磁調(diào)節(jié)引起低頻振蕩；

（4）電力系統(tǒng)的非線性奇異現(xiàn)象引起低頻振蕩。

根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，在電壓調(diào)節(jié)的基礎上可以輔助一定的附加控制信號，以達到改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定的目的，PSS就是為提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定水平而發(fā)展起來的一種附加勵磁控制。PSS用于提供一個正的阻尼力矩分量以彌補AVR所產(chǎn)生的負阻尼，從而形成一個有補償?shù)南到y(tǒng)，它增加了阻尼并增強了小信號（靜態(tài)）穩(wěn)定，這是由生成一個與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同相的信號并與AVR得出的參考值相加而得到的。再者，由于發(fā)電機勵磁電流與AVR的功能之間有一種固有的相位滯后，為補償這種效應，需要有一個相應的相位提前。

1 PSS的功能概述

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）是通過附加穩(wěn)定信號控制勵磁以對發(fā)電機轉(zhuǎn)子振蕩提供阻尼。為了提供阻尼，穩(wěn)定器必須產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子速度偏差同相的電氣轉(zhuǎn)矩分量[3]。

PSS一般采用轉(zhuǎn)速偏差?ω，頻率偏差?f，加速功率（Pm-Pe），電磁功率偏差?Pe中的一個或幾個信號作為AVR的附加信號輸入，以達到抑制低頻振蕩的目的。以?ω為輸入信號的PSS使用的是超前網(wǎng)絡，超前網(wǎng)絡在高頻時的放大倍數(shù)會增大，所以對發(fā)電機扭動振蕩極為敏感，使扭動振蕩現(xiàn)象更加嚴重；以?Pe作為輸入信號，檢測方便，所需超前角度小，穩(wěn)定性好，已得到了廣泛應用，但存在反調(diào)現(xiàn)象。對于風力發(fā)電發(fā)電機組，由于其機械功率變化速度快，反調(diào)影響更大；以加速功率（Pm-Pe）為輸入信號，有電功率信號輸入的優(yōu)點，不存在反調(diào)問題，但要增加機械功率Pm為輸入信號，而該信號的獲取不太容易；以?Pe和?ω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。

2 PSS的數(shù)學模型

圖1為符合IEC標準的PSS傳遞函數(shù)方框圖，PSS由三部分組成：控制器增益，信號濾波和相位補償，各部分的傳遞函數(shù)如下[4]。

（1）PSS傳遞函數(shù)

式中：KC—— PSS的放大倍數(shù); S—— 微分算子；T——時間；T1——超前時間常數(shù)；T2——滯后時間常數(shù)。

（2）同步發(fā)電機傳遞函數(shù)

式中：S—— 微分算子;0dΤ′—— 勵磁繞組時間常數(shù)。

（3）勵磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

式中：K1～ K6—— 電力系統(tǒng)系統(tǒng)初始運行點有關的系數(shù);0dΤ′—— 勵磁繞組時間常數(shù);esT—— 勵磁系統(tǒng)時間常數(shù); Ka—— 勵磁系統(tǒng)放大倍數(shù)。

圖1是包括PSS的傳遞函數(shù)框圖。圖中：PT—— 過剩功率；Pf——反饋功率；TJ——轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)；EF——假想空載電勢；UG——端電壓。

圖1 含PSS的傳遞函數(shù)框圖Fig. 1 Transfer function block diagram including PSS

3 仿真研究[5]

3.1 參數(shù)設置

（1）發(fā)電機參數(shù)設置

（2）勵磁控制系統(tǒng)參數(shù)設置

Te—— 勵磁時間常數(shù); Ka—— 勵磁系統(tǒng)放大倍數(shù)。

（3）線路和負載模型參數(shù)設置

（4）初始狀態(tài)

（5）計算結(jié)果

3.2 發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁但不采用PSS時，系統(tǒng)受到小擾動的情況

圖2是無PSS的發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁受小擾動時傳遞函數(shù)框圖。

圖3是系統(tǒng)在受到干擾后的5秒，發(fā)電機的端電壓、轉(zhuǎn)速和功率點受到干擾后的曲線。

由圖3可知，發(fā)電機的端電壓、轉(zhuǎn)速和功率點未能恢復平衡，系統(tǒng)的穩(wěn)定性進一步惡化，出現(xiàn)了低頻振蕩現(xiàn)象。因此，必須采取適當措施，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 采用PSS的發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁，系統(tǒng)受到小擾動時的情況

圖4是發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁受小擾動時傳遞函數(shù)框圖（有PSS）。

圖5在系統(tǒng)受到干擾后的5秒，發(fā)電機的端電壓、轉(zhuǎn)速和功率點曲線。

由圖5可知，發(fā)電機的端電壓、轉(zhuǎn)速和功率可以迅速回復到平衡，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的生產(chǎn)標準的安全和穩(wěn)定，它可以避免低頻振蕩現(xiàn)象。因此，PSS裝置對維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是非常重要的。

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，在發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁的同時采用PSS，系統(tǒng)受到小擾動，發(fā)電機的端電壓、轉(zhuǎn)速、功率三個狀態(tài)量能夠迅速恢復到平衡狀態(tài)，從而達到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性生產(chǎn)標準的要求波形，避免了低頻振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生。由此可見，PSS裝置對維護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到了至關重要的作用。

4.1 發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁受小擾動情況

圖2 發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁受小擾動時傳遞函數(shù)框圖(無PSS)Fig. 2 The transfer function block diagram for generator adjusting excitation on voltage

圖3 發(fā)電機的端電壓、轉(zhuǎn)速和功率點受到干擾后的曲線Fig. 3 The curve of generator terminal voltage, speed and the power point after being disturbed

4.2 發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁且采用PSS受小擾動情況

圖4 發(fā)電機按端電壓調(diào)節(jié)勵磁受小擾動時傳遞函數(shù)框圖（有PSS）Fig. 4 The transfer function block diagram for generator adjusting excitation on voltage and PSS

圖5 發(fā)電機的端電壓，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和功率點后受到干擾的PSS的曲線Fig. 5 The curve of generator terminal voltage, generator speed and the power point after being disturbed used PSS

[1] Manual. PSS/E brochure[M]. Power Technologies Inc, 2001.

[2] 王鐵強, 賀仁睦, 王衛(wèi)國. 電力系統(tǒng)低頻振蕩機理的研究[J]. 中國電機工程學報, 2002, 22(2): 21-25.

[3] 陳剛, 何潛, 段曉, 等. 電力系統(tǒng)低頻振蕩分析與抑制綜述[J]. 南方電網(wǎng)技術, 2010, 4(3): 17-22.

[4] ANDERSON P M. Power System Control and Stability Second Edition (電力系統(tǒng)控制與穩(wěn)定)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[5] SONG H H. Simulation study for Power System Stabilizer(PSS)[J]. IEEE FCC, 2010, 2: 199-201．

Simulation on Power System Stabilizer Based on MATLAB

SONG Hai-hui1, XIE Yun-min2
( 1.School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. Nanchang Water Resources College, Nanchang 330029, P. R. China )

A MATLAB based on PSS (Power System Stabilizer) simulation method is introduced in this paper. By using the MATLAB/Simulink software, an automatic excitation system is established. The small disturbance process of the system is also studied whether the PSS is used or not. Simulation results are also provided to demonstrate that the low-frequency oscillation can be avoided when the generator excitation voltage adjusting and PSS are both used. The reason is that the system can resume balance quickly from the small disturbance process in this situation.

simulation; low frequency oscillation; power system stabilizer (PSS); exciting system

TM712

A

1001-4543(2012)04-0283-05

2012-09-07;

2012-12-14

宋海輝（1969－），男，江西人，副教授，碩士，主要研究方向為電氣工程及風力發(fā)電，電子郵箱hhsong@ee.sspu.cn。

上海市教育委員會重點學科建設項目（No. J51801）