基于PSASP的單機無窮大系統穩定性應用分析

李惜玉 杜嘉明 許浩森

摘要：講述了電力系統的概念，簡單介紹了點電力系統失穩的嚴重影響，在PSASP上運用控制變量法對算例進行仿真試驗，最后通過對比分析電力系統穩定器和調壓器兩種措施對電力系統穩定的效果。

關鍵詞：穩定性;PSASP仿真;AVR;PSS

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0212-02

電力系統穩定性的研究一直是電力學者研究的重點課題。隨著電力系統的發展和擴大，輸電距離和輸電容量也大大增加。電力系統穩定性的破壞，有可能引發極為嚴重的后果。因此，提高電力系統運行的穩定性，對電力系統安全可靠運行，具有非常重要的作用。[1]本文仿真研究的軟件是中國電科院所開發的PSASP軟件。PSASP分三層，第一層是公用數據和模型的資源庫;第二層是基于資源庫的程序數據包;第三層是計算結果庫和分析工具。可以進行電力系統常見的潮流計算、短路計算、暫態穩定計算等。[2]

一、電力系統穩定的概念

1.大干擾穩定（暫態穩定）

在我國制定的《電力系統安全穩定導則》中，定義“暫態穩定性是指電力系統受到大干擾后，各同步機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩定運行的能力”。電力系統暫態穩定是指電力系統受到大干擾后，各同步發電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩定運行方式的能力。電力系統受到大干擾后是否能繼續保持穩定運行的主要標志：一是各機組之間的相對搖擺是否逐步衰減;二是局部地區的電壓是否崩潰。[3]

2.電力系統穩定器（PSS）

一種為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵磁控制技術。它在勵磁電壓調節器中，引入領先于軸速度的附加信號，產生一個正阻尼轉矩，去克服原勵磁電壓調節器中產生的負阻尼轉矩作用。用于提高電力系統阻尼、解決低頻振蕩問題，是提高電力系統動態穩定性的重要措施之一。

電網發生低頻振蕩的原因：負荷過重、遠距離輸送電能;高放大倍數的勵磁系統。[4，5]

3.調壓器（AVR）

AVR調節器能自動適應系統工況的變動而擇優整定其參數，從而調節系統電壓，使電壓保持在一定的允許范圍內，使系統穩定性提高。

二、電力系統失穩的影響

現代電網的四個安全穩定問題是：大電網瓦解、穩定破壞、電壓崩潰事故、頻率崩潰事故。由于現代社會與電能的關系已經密不可分，電已經滲透到社會活動與人民生活的各個部分，因此，電網事故導致用戶的停電，在經濟上、政治上的影響是十分巨大的。據IEEE估計，每少供1kWh電所造成的損失為0.33～15美元，造成的經濟損失是實際店家的幾十倍。正因為如此，我國電力部門將“電網瓦解”“大面積停電”列入七種必須杜絕的重大事故中。[6，7]

三、電網潮流計算和暫態穩定仿真

1.參數設置

電力系統如圖1所示，該系統由五個網絡節點、兩臺同步發電機、三段輸電線路、三組負荷和補償裝置組成。其中S1為PV節點，在此作為單臺發電機;S2、S3、S5為PQ節點;無窮大系統S4為平衡節點。發電機、變壓器、交流線參數如下：

發電機：1）10kv發電機：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）無窮大系統：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.仿真設置

首先，打開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，會彈出新建單線圖的對話框。建立好單線圖文件后，我們可以在右側發現單線圖的快捷工具欄。里面有發電機、變壓器等的模型，逐個拖出相關的電力設備模型原件。接著，如圖1建立電網模型，并且用給出的參數設置對應的模型。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.仿真步驟以及結果

首先定義方案。定義好方案后，就可以進行各種仿真。

（1）潮流仿真部分。潮流計算詳細實驗步驟：1）在功能控制模塊中選中“潮流計算”模塊。2）在右側的工具欄里面選擇“作業定義”。可以設置收斂條件，迭代次數，迭代方法等。在這里，選擇Newton（power equation），迭代次數上限選50。3）按“潮流計算”按鈕，計算出潮流結果。4）報表輸出潮流結果。按“報表輸出”，勾選“物理母線”，此處可以輸出各個母線的電壓、相角，也可以輸出發電機、變壓器等其他各種電力元件的潮流，也可以設置標幺值、有名值等。潮流結果如表1所示：

表1 潮流計算結果

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，潮流結果分析：該單機無窮大系統在正常運行的時候，電網各處的電壓均在正常范圍（0.95-1.15p.u.），電網各處潮流分布合理，電能的供求平衡。

（2）暫態穩定部分。暫態穩定計算詳細實驗步驟如下：1）在功能控制模塊中選中“暫態穩定”模塊。2）在右側的工具欄里面選擇“作業定義”。可以設置故障類型、故障時間、仿真時間等。本文需要的是功角信息，因此，還要在“輸出信息”里面選擇“發電機功角”，選擇發電機對無窮大系統的功角。3）在右側的工具欄里面按“啟動”按鈕，計算出暫態穩定結果。4）在報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“報表輸出”點擊“編輯方式”，點擊“增加”，最后按“輸出”，即可看到功角圖的輸出。

基于上述潮流結果，對圖1的電力系統進行暫態穩定性分析。在交流線AC_35的50%處加入三相短路故障，短路時間為0.3-0.7s，各次實驗結果的功角曲線分別是：

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

四、對比分析

第一，作業1（不加入AVR和PSS）與作業2（加入常規AVR，不加入PSS）對比，系統受到大干擾后機組功角隨時間搖擺，但振幅呈現的是逐漸衰減的狀態，最終穩定在原來的狀態，電壓也可以回到故障前的水平。可以發現：加入常規AVR后，電力系統受到擾動之后的振蕩幅度有所減小，但是因為沒有加入PSS和阻尼大小的原因，作業1與作業2振蕩所持續的時間都比較長。可見加入AVR對系統穩定有利。

第二，作業2（加入常規AVR，不加入PSS）與作業3（加入高放大倍數AVR，不加入PSS）對比，可以發現：對比于常規放大倍數的AVR，高放大倍數的AVR可以使得受到擾動的電力系統振蕩幅度明顯減小，振蕩次數也減少。得出的結論是：加入高放大倍數的AVR更有利于受擾動系統的穩定。

第三，通過作業3、作業4與作業5（加入中等放大倍數AVR，加入PSS）對比，可以發現作業3、作業4兩者可以說是完全重合，即當AVR的放大倍數達到一定程度大小的時候，PSS對系統作用比較小。作業5為放大倍數適中的AVR，通過作業4與作業5的對比，可以發現AVR越大，越有利于系統的穩定。

五、結論

AVR和PSS的引入有利于電力系統的穩定。AVR的放大倍數越大，越有利于系統的穩定。高放大倍數的AVR可以明顯減小系統振蕩持續的時間。當故障使得系統發生振蕩的時候，PSS的加入可以明顯減小振蕩所持續的時間。AVR放大倍數到達一定程度的時候，PSS作用不明顯。

參考文獻：

[1]何仰贊.電力系統分析[M].武漢：華中理工大學出版社，2002.

[2]李廣凱，李庚銀.電力系統仿真軟件綜述[J].電氣電子教學學報，

2005，27（3）：61-65.

[3]李惜玉.基于PSASP的電網潮流與穩定性分析的應用[J].電機電器技術，2004，（1）：43-44.

[4]肖友強，楊勁松.低頻振蕩的產生原因分析[J].云南電力技術，

2006，34（5）：18-21.

[5]郭裊，馮小玲，郭棟，等.互聯電網低頻振蕩產生的機理及其抑制措施[J].廣西大學學報（自然科學版），2005，30（Z1）：81-83.

[6]孫兆恒.探討電力系統安全與穩定運行問題[J].商品與質量·建筑與發展，2014，（3）：966-966.

[7]經財.電力系統穩定運行方法分析及措施[J].中國科技縱橫，

2012，（19）：152，154.

（責任編輯：王意琴）