大擾動(dòng)下低頻振蕩抑制及暫態(tài)穩(wěn)定性研究

李 昂，蔣 燕 ，易 璋

（1.陜西理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 漢中723003；2.漢中變壓器有限責(zé)任公司，陜西 漢中723000；3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

大擾動(dòng)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(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 漢中723003；2.漢中變壓器有限責(zé)任公司，陜西 漢中723000；3.國(guó)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(lì)磁控制—電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的工作原理及其數(shù)學(xué)模型。通過(guò)建立典型單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)的仿真模型，模擬了系統(tǒng)在大擾動(dòng)下暫態(tài)過(guò)程的運(yùn)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(jī)的運(yùn)行特性，提高電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及暫態(tài)穩(wěn)定性。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；單機(jī)—無(wú)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(yùn)行機(jī)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(shí)，機(jī)組間功角相對(duì)擺動(dòng)，造成功率在電網(wǎng)上來(lái)回傳輸，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。更嚴(yán)重情況是，當(dāng)擺動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失步[1]。

低頻振蕩的產(chǎn)生是因?yàn)橄到y(tǒng)阻尼減小，那么抑制低頻振蕩的手段就是減小負(fù)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(guò)增加正阻尼來(lái)抑制低頻振蕩的。PSS可以有效地加強(qiáng)電力系統(tǒng)的阻尼，改善電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，已為大量的計(jì)算分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)所證明[2]。

本文通過(guò)對(duì)典型單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)三相短路過(guò)程的仿真分析，論證了設(shè)計(jì)良好的PSS在提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的同時(shí)，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(jī)理

1.1 單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)模型

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

發(fā)電機(jī)采用三階實(shí)用模型，勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)用一階慣性環(huán)節(jié)表示時(shí)，發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下：

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

式中：Xe、Uc分別為發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間聯(lián)系電抗、系統(tǒng)母線電壓，其余為發(fā)電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行變量。可見(jiàn)，參數(shù)K1～K6的值反映了發(fā)電機(jī)運(yùn)行及與電網(wǎng)聯(lián)系工況（其中K3與運(yùn)行工況無(wú)關(guān)），顯然運(yùn)行工況和電網(wǎng)參數(shù)將影響K1～K6的值。

1.2 低頻振蕩機(jī)理

由上可知功率偏差量（或功率增量）為：

若忽略電樞反應(yīng)，即令 K4= 0 ，則上式可寫(xiě)成：

由此可見(jiàn)，常規(guī)勵(lì)磁系統(tǒng)Ke越大，其負(fù)阻尼值越大，振蕩越嚴(yán)重；勵(lì)磁系統(tǒng)Te增大，負(fù)阻尼可減小，從而使振蕩減弱。但Te不能太大，否則振蕩時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

可以看出，當(dāng)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(fù)阻尼在Ke較小時(shí)，隨Ke的增大而增加，到達(dá)某一值后，Ke再增大會(huì)使負(fù)阻尼減小。因此快速勵(lì)磁系統(tǒng)在AVR的增益很大時(shí)也能穩(wěn)定運(yùn)行。

2 PSS對(duì)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(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)的仿真模型，這是一個(gè)包含完整AVR+PSS勵(lì)磁控制系統(tǒng)的Simulink仿真模型。仿真模擬同步發(fā)電機(jī)在大擾動(dòng)（三相短路）下的暫態(tài)過(guò)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(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的或恢復(fù)到原來(lái)運(yùn)行方式的能力。勵(lì)磁系統(tǒng)如果要對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生明顯作用，必須具備兩個(gè)條件：一是具有快速響應(yīng)特性，二是具有高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，這是因?yàn)楫?dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí)，由于控制輸入機(jī)械功率的常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)作太慢，主要靠快速繼電保護(hù)切除故障，而故障切除以后，快速勵(lì)磁和強(qiáng)行勵(lì)磁可以增大發(fā)電機(jī)電勢(shì)，因而增大輸出的電磁功率，增大了制動(dòng)面積，防止發(fā)電機(jī)搖擺角過(guò)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(shí)線路出口處發(fā)生三相短路故障，1.06 s時(shí)故障切除。圖2為發(fā)電機(jī)功角的仿真波形，圖3為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真波形。

對(duì)于三相短路這樣非常嚴(yán)重的故障形式，未投入PSS時(shí)，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(jī)產(chǎn)生了附加電磁功率，該附加功率增強(qiáng)了系統(tǒng)的阻尼，使第一次功角振蕩回?cái)[的幅度明顯減小，明顯改善了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。

4 結(jié) 論

勵(lì)磁控制系統(tǒng)為復(fù)雜的高階、非線性、多變量系統(tǒng)，同時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性復(fù)雜，電網(wǎng)的穩(wěn)定模型也不容易描述。本文通過(guò)對(duì)單機(jī)—無(wú)窮大系統(tǒng)三相短路暫態(tài)過(guò)程的仿真，分析了勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)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(fù)阻尼作用，改善發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及暫態(tài)穩(wěn)定性，為電力系統(tǒng)的運(yùn)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(lì)磁系統(tǒng)是研究的熱點(diǎn)，這種勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以通過(guò)直流勵(lì)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(jī)端送出和吸收無(wú)功的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其與同步發(fā)電機(jī)直流勵(lì)磁的協(xié)調(diào)控制，為同步發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)提供更快控制和更多阻尼[8]。

圖1 單機(jī)—無(wú)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(jī)功角的波形Fig.2 Power angle waves of the generator

圖3 發(fā)電機(jī)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(hào)：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(dòng)化。