基于PSASP的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)穩(wěn)定性應(yīng)用分析

李惜玉 杜嘉明 許浩森

摘要：講述了電力系統(tǒng)的概念，簡(jiǎn)單介紹了點(diǎn)電力系統(tǒng)失穩(wěn)的嚴(yán)重影響，在PSASP上運(yùn)用控制變量法對(duì)算例進(jìn)行仿真試驗(yàn)，最后通過(guò)對(duì)比分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和調(diào)壓器兩種措施對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的效果。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性;PSASP仿真;AVR;PSS

中圖分類號(hào)：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）32-0212-02

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究一直是電力學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和擴(kuò)大，輸電距離和輸電容量也大大增加。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，有可能引發(fā)極為嚴(yán)重的后果。因此，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，具有非常重要的作用。[1]本文仿真研究的軟件是中國(guó)電科院所開(kāi)發(fā)的PSASP軟件。PSASP分三層，第一層是公用數(shù)據(jù)和模型的資源庫(kù);第二層是基于資源庫(kù)的程序數(shù)據(jù)包;第三層是計(jì)算結(jié)果庫(kù)和分析工具。可以進(jìn)行電力系統(tǒng)常見(jiàn)的潮流計(jì)算、短路計(jì)算、暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算等。[2]

一、電力系統(tǒng)穩(wěn)定的概念

1.大干擾穩(wěn)定（暫態(tài)穩(wěn)定）

在我國(guó)制定的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中，定義“暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步機(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的或恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定運(yùn)行的能力”。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的或恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)定運(yùn)行方式的能力。電力系統(tǒng)受到大干擾后是否能繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行的主要標(biāo)志：一是各機(jī)組之間的相對(duì)搖擺是否逐步衰減;二是局部地區(qū)的電壓是否崩潰。[3]

2.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）

一種為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵(lì)磁控制技術(shù)。它在勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中，引入領(lǐng)先于軸速度的附加信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩，去克服原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩作用。用于提高電力系統(tǒng)阻尼、解決低頻振蕩問(wèn)題，是提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。

電網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩的原因：負(fù)荷過(guò)重、遠(yuǎn)距離輸送電能;高放大倍數(shù)的勵(lì)磁系統(tǒng)。[4，5]

3.調(diào)壓器（AVR）

AVR調(diào)節(jié)器能自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)工況的變動(dòng)而擇優(yōu)整定其參數(shù)，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，使電壓保持在一定的允許范圍內(nèi)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。

二、電力系統(tǒng)失穩(wěn)的影響

現(xiàn)代電網(wǎng)的四個(gè)安全穩(wěn)定問(wèn)題是：大電網(wǎng)瓦解、穩(wěn)定破壞、電壓崩潰事故、頻率崩潰事故。由于現(xiàn)代社會(huì)與電能的關(guān)系已經(jīng)密不可分，電已經(jīng)滲透到社會(huì)活動(dòng)與人民生活的各個(gè)部分，因此，電網(wǎng)事故導(dǎo)致用戶的停電，在經(jīng)濟(jì)上、政治上的影響是十分巨大的。據(jù)IEEE估計(jì)，每少供1kWh電所造成的損失為0.33～15美元，造成的經(jīng)濟(jì)損失是實(shí)際店家的幾十倍。正因?yàn)槿绱?，我?guó)電力部門(mén)將“電網(wǎng)瓦解”“大面積停電”列入七種必須杜絕的重大事故中。[6，7]

三、電網(wǎng)潮流計(jì)算和暫態(tài)穩(wěn)定仿真

1.參數(shù)設(shè)置

電力系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由五個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)、三段輸電線路、三組負(fù)荷和補(bǔ)償裝置組成。其中S1為PV節(jié)點(diǎn)，在此作為單臺(tái)發(fā)電機(jī);S2、S3、S5為PQ節(jié)點(diǎn);無(wú)窮大系統(tǒng)S4為平衡節(jié)點(diǎn)。發(fā)電機(jī)、變壓器、交流線參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)：1）10kv發(fā)電機(jī)：P=3，Q= 0.3085，V=1.05，θ=0，Xd=1.4，Xd=0.3，Xd=0.1，Xq=1.35，Xq=0.6，Xq=0.1，Tj=10，Td0=6，Td0=0.05，Tq0=1，Tq0=0.05，a=0.9，b=0.06，n=10，D=2，Ra=0.005，R2=0.1。2）無(wú)窮大系統(tǒng)：P=Q=0，V=1.05，θ=0，Xd= Xd= Xd=Xq= Xq=Xq=0.00001，Tj=100，Td0= Td0= Tq0= Tq0=0.05，a=0.9，b=0.06，n=10，D=2，Ra=0.005，R2=0.1。變壓器：1）10.5kv變壓器：k=1.05，X=0.015。2）525kv變壓器：k=1.05，X=0.015。交流線：1）AC_23：R=0.08，X=0.3，B/2=0.25;2）AC_25：R=0.04，X=0.25，B/2=0.25;3）AC_35：R=0.1，X=0.35，B/2=0。

2.仿真設(shè)置

首先，打開(kāi)PSASP7.0。在菜單欄中選擇：“文件”>“新建工程”中建立新的工程文件。建立好工程文件后，會(huì)彈出新建單線圖的對(duì)話框。建立好單線圖文件后，我們可以在右側(cè)發(fā)現(xiàn)單線圖的快捷工具欄。里面有發(fā)電機(jī)、變壓器等的模型，逐個(gè)拖出相關(guān)的電力設(shè)備模型原件。接著，如圖1建立電網(wǎng)模型，并且用給出的參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)的模型。完成搭建單線圖后要在單線圖的“工程管理欄”>“廠站”建立廠站表。

3.仿真步驟以及結(jié)果

首先定義方案。定義好方案后，就可以進(jìn)行各種仿真。

（1）潮流仿真部分。潮流計(jì)算詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟：1）在功能控制模塊中選中“潮流計(jì)算”模塊。2）在右側(cè)的工具欄里面選擇“作業(yè)定義”?？梢栽O(shè)置收斂條件，迭代次數(shù)，迭代方法等。在這里，選擇Newton（power equation），迭代次數(shù)上限選50。3）按“潮流計(jì)算”按鈕，計(jì)算出潮流結(jié)果。4）報(bào)表輸出潮流結(jié)果。按“報(bào)表輸出”，勾選“物理母線”，此處可以輸出各個(gè)母線的電壓、相角，也可以輸出發(fā)電機(jī)、變壓器等其他各種電力元件的潮流，也可以設(shè)置標(biāo)幺值、有名值等。潮流結(jié)果如表1所示：

表1 潮流計(jì)算結(jié)果

物理母線

單位：p.u.

母線名稱 電壓幅值 電壓相角

1 1.05 -5.8717

2 1.0438 -8.3426

3 0.99736 -7.5867

4 1.05 0

5 0.96146 -22.1001

從表1可知，潮流結(jié)果分析：該單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)在正常運(yùn)行的時(shí)候，電網(wǎng)各處的電壓均在正常范圍（0.95-1.15p.u.），電網(wǎng)各處潮流分布合理，電能的供求平衡。

（2）暫態(tài)穩(wěn)定部分。暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）在功能控制模塊中選中“暫態(tài)穩(wěn)定”模塊。2）在右側(cè)的工具欄里面選擇“作業(yè)定義”?？梢栽O(shè)置故障類型、故障時(shí)間、仿真時(shí)間等。本文需要的是功角信息，因此，還要在“輸出信息”里面選擇“發(fā)電機(jī)功角”，選擇發(fā)電機(jī)對(duì)無(wú)窮大系統(tǒng)的功角。3）在右側(cè)的工具欄里面按“啟動(dòng)”按鈕，計(jì)算出暫態(tài)穩(wěn)定結(jié)果。4）在報(bào)表輸出可以選擇輸出自己需要的信息。本文需要的是功角信息，所以在“報(bào)表輸出”點(diǎn)擊“編輯方式”，點(diǎn)擊“增加”，最后按“輸出”，即可看到功角圖的輸出。

基于上述潮流結(jié)果，對(duì)圖1的電力系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定性分析。在交流線AC_35的50%處加入三相短路故障，短路時(shí)間為0.3-0.7s，各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的功角曲線分別是：

作業(yè)1：不加入AVR和PSS，仿真結(jié)果如圖2所示。作業(yè)2：加入常規(guī)AVR，不加入PSS，仿真結(jié)果如圖3所示。作業(yè)3：加入高放大倍數(shù)AVR，不加入PSS。作業(yè)4：加入高放大倍數(shù)AVR，加入PSS。作業(yè)3、作業(yè)4的最終結(jié)果一致，仿真結(jié)果如圖4所示。作業(yè)5：加入中等放大倍數(shù)AVR，加入PSS，仿真結(jié)果如圖5所示。

四、對(duì)比分析

第一，作業(yè)1（不加入AVR和PSS）與作業(yè)2（加入常規(guī)AVR，不加入PSS）對(duì)比，系統(tǒng)受到大干擾后機(jī)組功角隨時(shí)間搖擺，但振幅呈現(xiàn)的是逐漸衰減的狀態(tài)，最終穩(wěn)定在原來(lái)的狀態(tài)，電壓也可以回到故障前的水平?？梢园l(fā)現(xiàn)：加入常規(guī)AVR后，電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)之后的振蕩幅度有所減小，但是因?yàn)闆](méi)有加入PSS和阻尼大小的原因，作業(yè)1與作業(yè)2振蕩所持續(xù)的時(shí)間都比較長(zhǎng)。可見(jiàn)加入AVR對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有利。

第二，作業(yè)2（加入常規(guī)AVR，不加入PSS）與作業(yè)3（加入高放大倍數(shù)AVR，不加入PSS）對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)比于常規(guī)放大倍數(shù)的AVR，高放大倍數(shù)的AVR可以使得受到擾動(dòng)的電力系統(tǒng)振蕩幅度明顯減小，振蕩次數(shù)也減少。得出的結(jié)論是：加入高放大倍數(shù)的AVR更有利于受擾動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

第三，通過(guò)作業(yè)3、作業(yè)4與作業(yè)5（加入中等放大倍數(shù)AVR，加入PSS）對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)作業(yè)3、作業(yè)4兩者可以說(shuō)是完全重合，即當(dāng)AVR的放大倍數(shù)達(dá)到一定程度大小的時(shí)候，PSS對(duì)系統(tǒng)作用比較小。作業(yè)5為放大倍數(shù)適中的AVR，通過(guò)作業(yè)4與作業(yè)5的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)AVR越大，越有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

五、結(jié)論

AVR和PSS的引入有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。AVR的放大倍數(shù)越大，越有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。高放大倍數(shù)的AVR可以明顯減小系統(tǒng)振蕩持續(xù)的時(shí)間。當(dāng)故障使得系統(tǒng)發(fā)生振蕩的時(shí)候，PSS的加入可以明顯減小振蕩所持續(xù)的時(shí)間。AVR放大倍數(shù)到達(dá)一定程度的時(shí)候，PSS作用不明顯。

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（責(zé)任編輯：王意琴）