電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS對(duì)發(fā)電機(jī)功角和轉(zhuǎn)速變化的影響分析

陳絲瑩+李沖國(guó)+曾富軍

摘 要：文章利用電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱SPS）模塊搭建了一個(gè)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型，對(duì)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型設(shè)置在電力系統(tǒng)最嚴(yán)重故障——三相短路的情況下，通過仿真得到在這種情況下發(fā)電機(jī)功角和轉(zhuǎn)速的變化情況，分析了發(fā)電機(jī)在加入PSS和沒加入PSS的情況下功角和轉(zhuǎn)速的不同變化。

關(guān)鍵詞：故障仿真；無窮大系統(tǒng)；功角轉(zhuǎn)速；系統(tǒng)建模

引言

目前，我國(guó)已形成大電網(wǎng)、大系統(tǒng)和交直流混聯(lián)電網(wǎng)[1]，由于高快勵(lì)磁裝置的使用，因而電力系統(tǒng)時(shí)常有低頻振蕩現(xiàn)象[2]，因而電力系統(tǒng)的正常、健康、穩(wěn)定、安全與持續(xù)運(yùn)行受到威脅。對(duì)此，一般采用加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer ，PSS）盡量來克服抑制系統(tǒng)低頻振蕩情況。PSS的原理是勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器上的信號(hào)，引起一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩，去抑制原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，利用這種原理控制低頻振蕩的情況。研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定器在于加強(qiáng)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和抑制電網(wǎng)低頻振蕩的能力上[3]，但對(duì)于安裝PSS的同步發(fā)電機(jī)在大擾動(dòng)下的穩(wěn)定性少有研究。本文通過Matlab建立電力系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)比已安裝和未安裝PSS的系統(tǒng)在三相接地短路下的穩(wěn)定情況來證明電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的作用。

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器影響分析

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器概述：

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器主要功能就是克服抑制系統(tǒng)的低頻振蕩現(xiàn)象，而低頻振蕩導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)搖擺，輸電線路上表現(xiàn)出來就是功率的波動(dòng)。而PSS自動(dòng)接受這些振蕩信號(hào)，并以勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器上的信號(hào)，引起一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩，去抑制原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，利用這種原理控制低頻振蕩的情況。

因?yàn)镻SS采用電壓作為控制量，PSS因?yàn)橛须姶艖T性，所以勵(lì)磁電壓在勵(lì)磁系統(tǒng)中產(chǎn)生滯后它的分量，這種情況會(huì)使電力系統(tǒng)阻尼遭到破壞，以及可能發(fā)生振蕩現(xiàn)象。因此若同步發(fā)電機(jī)的發(fā)生轉(zhuǎn)子角的振蕩情況，需要PSS的電壓調(diào)節(jié)器提供的附加量比轉(zhuǎn)子角的振蕩角度先前，方才可以產(chǎn)生正向的阻尼轉(zhuǎn)矩，因此抑制振蕩。

2 仿真算例

2.1 單機(jī)無窮大系統(tǒng)仿真模型

上圖1給出的系統(tǒng)中，給出的模塊的參數(shù)為：

發(fā)電機(jī)參數(shù)：G：600MVA，26kV，功率因數(shù)為0.85，汽輪機(jī)組，3000rpm，xd=1.6，x'd=0.25，x''d=0.23，xq=，1.5，x'q=0.54，x''q=0.26，xl=0.21，T'd0=8.2s，T'q0=0.03s，H=6.3s，D=0

變壓器參數(shù)：T：22/242kV，XT=0.16；

線路參數(shù)：Z=4+j39.25Ω

2.2 故障時(shí)功角和轉(zhuǎn)速的仿真分析

在不同情況的電力系統(tǒng)里，因?yàn)閯?lì)磁控制系統(tǒng)有很多作用，其中一項(xiàng)就是削減電力系統(tǒng)的阻尼，從而造成不同程度的低頻振蕩。具體原因在上述已經(jīng)闡述，減小或取消附加勵(lì)磁電流。在這種情況下，采用PSS消除正阻尼轉(zhuǎn)矩以抵消負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩是一個(gè)可行的辦法。

本次仿真就是對(duì)比加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）與不加入時(shí)發(fā)電機(jī)的功角和轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)。并在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS模塊采用轉(zhuǎn)子角速度變化量作為輸入信號(hào)。

仿真MATLAB模型[4-5]，仿真設(shè)置為三相短路，故障模塊發(fā)生故障時(shí)間設(shè)置為5.0s，故障切除時(shí)間為5.2s，故障仿真的時(shí)間設(shè)置為10s。仿真得到的發(fā)電機(jī)功角與轉(zhuǎn)速的變化情況，分別如圖2、圖3所示：

仿真結(jié)果分析，由圖2的功角曲線變化情況可以看出，在5.0s時(shí)發(fā)生三相短路故障，功角急劇變化，跳動(dòng)頻繁；當(dāng)5.2s故障切除后，在加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的情況下，功角曲線經(jīng)過大約2s的震蕩時(shí)間后，恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)；而沒有加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的情況，功角曲線在5.2s故障切除后，功角下降并發(fā)生了震蕩現(xiàn)象，功角無法恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖3的轉(zhuǎn)速曲線變化情況可以看出，在5.0s發(fā)生三相短路時(shí)，轉(zhuǎn)速迅速上升；當(dāng)5.2s故障切除時(shí)，在加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的情況下，轉(zhuǎn)速下降并經(jīng)過2～4s的震蕩時(shí)間后恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速；而沒有加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的情況，轉(zhuǎn)速在5.0s發(fā)生故障時(shí)不斷地上升，在5.2s故障切除后，轉(zhuǎn)速依然不斷地上升，無法恢復(fù)到原來的運(yùn)行狀態(tài)，逐步與電力系統(tǒng)失去同步運(yùn)行。

由以上的分析可知，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的作用是克服抑制系統(tǒng)低頻振蕩情況。PSS的原理是勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器上的信號(hào)，引起一個(gè)正阻尼轉(zhuǎn)矩，去抑制原勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，利用這種原理控制低頻振蕩的情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)電機(jī)的功角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行了仿真，得到三相故障發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)功角和轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)，分析了在勵(lì)磁系統(tǒng)中加入PSS和不加入PSS情況下功角和轉(zhuǎn)速的變化，得出在加入PSS情況下功角和轉(zhuǎn)速在經(jīng)過短暫振蕩后能恢復(fù)到原來的運(yùn)行狀態(tài)，而在沒有加PSS情況下功角振蕩，轉(zhuǎn)速迅速上升并失去同步的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

[1]孫啟云，宋順一，陳田.提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性的幾點(diǎn)改進(jìn)措施[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，26（4）：77-80.

[2]倪以信，陳壽孫，張寶霖.動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：287-291.

[3]郭強(qiáng).電力系統(tǒng)穩(wěn)定器整定方法的仿真研究[J].華東電力，2009，37（1）：135-137.