李 昂，蔣 燕 ，易 璋

（1.陜西理工學院 電氣工程學院，陜西 漢中723003；2.漢中變壓器有限責任公司，陜西 漢中723000；3.國網(wǎng)陜西省電力公司 漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

大擾動下低頻振蕩抑制及暫態(tài)穩(wěn)定性研究

李 昂1，蔣 燕2，易 璋3

（1.陜西理工學院 電氣工程學院，陜西 漢中723003；2.漢中變壓器有限責任公司，陜西 漢中723000；3.國網(wǎng)陜西省電力公司 漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

文中介紹了電力系統(tǒng)附加勵磁控制—電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的工作原理及其數(shù)學模型。通過建立典型單機—無窮大系統(tǒng)的仿真模型，模擬了系統(tǒng)在大擾動下暫態(tài)過程的運行特性。仿真結(jié)果表明PSS不但能夠有效地提高系統(tǒng)的阻尼作用，而且可以改善發(fā)電機的運行特性，提高電力系統(tǒng)的動態(tài)及暫態(tài)穩(wěn)定性。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；單機—無窮大系統(tǒng)；低頻振蕩；暫態(tài)穩(wěn)定性

大容量電力系統(tǒng)的互聯(lián)，增加了運行機組間功率振蕩的潛在可能性。功率振蕩頻率在0.2～3 Hz之間，稱為低頻振蕩。振蕩時，機組間功角相對擺動，造成功率在電網(wǎng)上來回傳輸，影響系統(tǒng)正常運行。更嚴重情況是，當擺動幅度過大時會使系統(tǒng)失步[1]。

低頻振蕩的產(chǎn)生是因為系統(tǒng)阻尼減小，那么抑制低頻振蕩的手段就是減小負阻尼或增加正阻尼。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS（Power System Stabilizer）正是通過增加正阻尼來抑制低頻振蕩的。PSS可以有效地加強電力系統(tǒng)的阻尼，改善電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定，已為大量的計算分析和運行經(jīng)驗所證明[2]。

本文通過對典型單機—無窮大系統(tǒng)三相短路過程的仿真分析，論證了設(shè)計良好的PSS在提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的同時，還能夠改善電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 電力系統(tǒng)低頻振蕩產(chǎn)生機理

1.1 單機—無窮大系統(tǒng)模型

單機—無窮大系統(tǒng)的低頻振蕩機理分析，是分析多機系統(tǒng)低頻振蕩的基礎(chǔ)，它的結(jié)論可以推廣到多機系統(tǒng)[3]。

發(fā)電機采用三階實用模型，勵磁系統(tǒng)動態(tài)用一階慣性環(huán)節(jié)表示時，發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)數(shù)學模型如下：

將上式在運行點線性化后可以得到單機無窮大系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖。這就是電力系統(tǒng)小擾動分析中著名的Phillips—Heffrom模型[4]。

式中：Xe、Uc分別為發(fā)電機與系統(tǒng)間聯(lián)系電抗、系統(tǒng)母線電壓，其余為發(fā)電機參數(shù)和運行變量?？梢姡瑓?shù)K1～K6的值反映了發(fā)電機運行及與電網(wǎng)聯(lián)系工況（其中K3與運行工況無關(guān)），顯然運行工況和電網(wǎng)參數(shù)將影響K1～K6的值。

1.2 低頻振蕩機理

由上可知功率偏差量（或功率增量）為：

若忽略電樞反應，即令 K4= 0 ，則上式可寫成：

由此可見，常規(guī)勵磁系統(tǒng)Ke越大，其負阻尼值越大，振蕩越嚴重；勵磁系統(tǒng)Te增大，負阻尼可減小，從而使振蕩減弱。但Te不能太大，否則振蕩時間會延長，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

可以看出，當Ke大于一定值后，再繼續(xù)增大，其分母增大的速度較分子快，即負阻尼在Ke較小時，隨Ke的增大而增加，到達某一值后，Ke再增大會使負阻尼減小。因此快速勵磁系統(tǒng)在AVR的增益很大時也能穩(wěn)定運行。

2 PSS對低頻振蕩抑制原理分析

若使Gpss（s）的超前相位Φpss恰好等于式（1）分母的相位Φ3，則：

3 PSS暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析

如圖1所示為單機—無窮大系統(tǒng)的仿真模型，這是一個包含完整AVR+PSS勵磁控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型。仿真模擬同步發(fā)電機在大擾動（三相短路）下的暫態(tài)過程。

暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來運行方式的能力。勵磁系統(tǒng)如果要對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生明顯作用，必須具備兩個條件：一是具有快速響應特性，二是具有高強勵倍數(shù)，這是因為當電力系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時，由于控制輸入機械功率的常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)的動作太慢，主要靠快速繼電保護切除故障，而故障切除以后，快速勵磁和強行勵磁可以增大發(fā)電機電勢，因而增大輸出的電磁功率，增大了制動面積，防止發(fā)電機搖擺角過度增大，以利于暫態(tài)穩(wěn)定性的提高[7]。

故障設(shè)置由斷路器完成，1 s時線路出口處發(fā)生三相短路故障，1.06 s時故障切除。圖2為發(fā)電機功角的仿真波形，圖3為發(fā)電機轉(zhuǎn)速的仿真波形。

對于三相短路這樣非常嚴重的故障形式，未投入PSS時，盡管采用了快速切除故障的措施，系統(tǒng)仍然失去了穩(wěn)定性；而采用PSS有效地增加系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)迅速趨向穩(wěn)定。PSS的作用使得發(fā)電機產(chǎn)生了附加電磁功率，該附加功率增強了系統(tǒng)的阻尼，使第一次功角振蕩回擺的幅度明顯減小，明顯改善了發(fā)電機的運行特性。

4 結(jié) 論

勵磁控制系統(tǒng)為復雜的高階、非線性、多變量系統(tǒng)，同時發(fā)電機的運動學特性復雜，電網(wǎng)的穩(wěn)定模型也不容易描述。本文通過對單機—無窮大系統(tǒng)三相短路暫態(tài)過程的仿真，分析了勵磁控制系統(tǒng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。從仿真結(jié)果可以看出，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS可以提供足夠的正阻尼，有效克服AVR的負阻尼作用，改善發(fā)電機的運行特性，提高系統(tǒng)動態(tài)及暫態(tài)穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的運行與安全穩(wěn)定分析提供了理論參考。目前基于大功率電力電子全控器件（如IGBT、

IGCT、GTO等）整流的新型勵磁系統(tǒng)是研究的熱點，這種勵磁系統(tǒng)不僅可以通過直流勵磁為系統(tǒng)提供阻尼，還可以充分利用全控器件構(gòu)成的整流橋的交流側(cè)直接向同步發(fā)電機端送出和吸收無功的特點，實現(xiàn)其與同步發(fā)電機直流勵磁的協(xié)調(diào)控制，為同步發(fā)電機和電力系統(tǒng)提供更快控制和更多阻尼[8]。

圖1 單機—無窮大系統(tǒng)仿真模型Fig.1 Simulation model diagram of the single machine-in fi nite bus power system

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圖2 發(fā)電機功角的波形Fig.2 Power angle waves of the generator

圖3 發(fā)電機轉(zhuǎn)速的波形Fig.3 Rotor speed waves of the generator

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Low frequency oscillation suppression and transient stability study of power system under great disturbance

LI Ang1，JIANG Yan2，YI Zhang3
（1.School of Electrical Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003，China；2.Shaanxi Hanzhong Transformer Co.，Ltd， Hanzhong 723000，China；3.Hanzhong Power Supply Company， State Grid Shaanxi Electric Power Company， Hanzhong 723000，China）

This paper introduces the working principle and the mathematical model of additional power system excitation control—Power System Stabilizer（PSS）.Through the establishment of a typical single machine-infinite bus system simulation model， simulates the synchronous generator's transient operating characteristics under large disturbances.Simulation results show that the PSS can not only effectively increase the system damping， but also can improve operational characteristics of the generator， considerably enhance power system dynamic and transient stability.

power system stabilizer；single machine-infinite bus system；low frequency oscillation；transient stability

TN75

A

1674-6236（2014）14-0055-04

2013-10-22 稿件編號：201310139

李 昂（1971—），男，陜西漢中人，碩士，副教授。研究方向：電氣工程及其自動化。