輔助勵磁控制對電力系統穩定性的影響研究

耿福江，辛星志

（1.淄博旭能熱電有限公司，山東 淄博 255300；2.勝利石油管理局電力總公司，山東 東營 257000）

輔助勵磁控制對電力系統穩定性的影響研究

耿福江1，辛星志2

（1.淄博旭能熱電有限公司，山東 淄博 255300；2.勝利石油管理局電力總公司，山東 東營 257000）

在PSCAD環境中建立了PSS輔助勵磁控制系統的仿真模型，并針對該系統進行PSCAD仿真驗證。通過對比有無PSS輔助勵磁控制的情況下，系統勵磁電壓以及發電機有功功率穩定性在不同擾動中的變化，分析了PSS輔助勵磁控制對電力系統穩定性的影響。結果表明PSS對低頻振蕩有良好的抑制作用，能顯著提高系統穩定性。

輔助勵磁控制；低頻振蕩；系統擾動；PSS

0 引言

提高和改善電力系統的穩定性對經濟發展、國民生活和國家安全具有十分重要的意義。同步發電機勵磁控制是提高電力系統動態質量，保證發電機穩定運行的重要措施。發電機勵磁控制的作用是保證發電機出口電壓平穩和保證并聯的機組無功功率合理的配置。隨著對發電機勵磁控制要求的提高，不僅要求勵磁控制系統能夠從整個大局出發提高電力系統的靜態穩定性，還要在一定程度上有助于維持系統的暫態穩定性。

研究表明［1-2］，對勵磁系統的附加控制能夠有效抑制系統中出現的低頻振蕩和次同步振蕩現象，在一定程度上提高系統穩定運行的能力。因此，提高同步發電機勵磁控制系統的性能是一項重要研究課題。

1 勵磁系統工作原理及構成

電力系統運行過程中，電網電壓和無功功率的分配會根據發電機勵磁電流的變化而變化。勵磁控制的主要作用是維持機端電壓恒定，為了保持電網電壓的穩定，當系統出現故障情況時，需要發電機勵磁系統快速地增加勵磁電流。所以，同步發電機勵磁的自動控制可以有效提高系統電能質量，保證系統中無功功率的合理分配，對于提高系統穩定運行的安全可靠性具有重要作用［3-4］。

勵磁自動控制系統是一個反饋控制系統，由勵磁功率單元、勵磁調節器和發電機組成。傳統的勵磁控制系統不需要發電機的精確數學模型，形式較簡單，參數容易整定，不過這種控制的動態性能比較差。所以輔助勵磁控制應運而生，它引入附加控制量，來改善系統的阻尼特性。附加勵磁控制信號可通過多種方法，如以加速功率信號為輸入的附加控制系統等。

2 附加勵磁控制器（PSS）原理

2.1 PSS抑制低頻振蕩的原理

低頻振蕩的產生是因為系統阻尼的減少。低頻振蕩可以從減少負阻尼和增加正阻尼兩個方面降低。 減小負阻尼的措施有衰減動態增益；增加正阻尼的措施包括PSS，線性和非線性最優激勵控制，靜態補償器，直流輸電控制等。

PSS的本質是提供一種信號，以通過勵磁系統增加發電機在電力系統中的阻尼扭矩。PSS通常采用的輸入信號有 Δω、Δf或 ΔPe，在此選用 Δω進行說明。PSS通常由放大鏈路，復位鏈路，相位補償鏈路和限制部分組成。PSS傳輸功能框如圖1所示。圖中，K 為比例系數；T1、T2、T均為時間常數；n為相位補償環節個數；Uref為參考電壓；Ut為采樣電壓。

圖1 PSS傳遞函數

ΔUPSS是由PSS產生的電壓信號，超前Δω是φ，之后在勵磁調節器、勵磁機和發電機作用下，如果ΔUPSS發出的電磁轉矩ΔMPSS正好落在Δω軸上，若ΔMPSS足夠大，則它與轉矩ΔMe2結合，產生新的轉矩ΔMe2，新轉矩在第一象限里面，產生正的同步轉矩和阻尼轉矩?？梢栽谝欢ǔ潭壬舷蓜畲耪{節器所引起的振蕩。這些可以通過設置PSS裝置來實現［5-8］。其向量如圖2所示。

圖2 PSS向量圖

2.2 PSS各環節作用

復位環節。為了使PSS正常運行并提取出有功波動量成分，設置復位的環節。勵磁系統的頻率特性在低延遲下非常小，有的甚至更高級，出現高頻滯后，所以預計在低頻下的復位單元是不可預期的，所以T較大的情況下，復位單元盡可能少提前。假設輸入信號是Pe，如果T太大，調節電源時太長，不穩定，因而正常情況下PSS輸入的信號是△Pe的時候，T的值是2~8 s。

相位補償環節。超前滯后相的補償是串聯一級或者三級，勵磁系統不同，相頻特性不同，比如快速的勵磁系統滯后相位角一般為 30°~180°（0.1～2.0 Hz），而三機勵磁系統的滯后角度會變大，一般兩級延時單元的設置就可以滿足三級系列的需求，在必要時可以對應進行補償，以獲得頻率范圍寬的頻率特性。 根據不同勵磁系統的特點，可以得到PSS的合理補償時滯。

限幅環節。為了阻止機電模式振蕩，諧波激勵，功率擺幅和噪聲限制，防止達到PSS極限的放大倍率，一般在PSS采用較大的PSS增益余量后臨界增益，關鍵參數增益為 1／5~1／3。

勵磁系統。作為額外的勵磁控制，PSS在提高電力系統的穩定性這個方面有重要價值作用。具有物理概念清晰，現場調試方便，使用人員易于接受的優點。同時，優于其他輔助勵磁控制。最適合實際情況下來使用。因此，PSS被國內外大量使用，并取得良好效益，主要體現在以下幾點［1］。

抑制電力系統低頻振蕩。PSS的研究目的主要是抑制電力系統的低頻振蕩。當系統中出現低頻振蕩時，PSS能夠使振蕩在1~2周期后消失，過沖只有3%。

提高靜態穩定的功率極限。采用PSS，勵磁控制系統可采用較大的放大倍數，能夠有效提高機端電壓的調節精度，基本維持端電壓恒定。

提高系統暫態穩定性。一般情況下，由于發電機勵磁繞組的時間常數較大，而PSS的作用需要通過勵磁繞組才能發揮出來，因此，PSS對于第一搖擺的抑制效果很小。在一定頻率范圍內，PSS是可以為系統提供正阻尼的，因此經過勵磁繞組的時間常數延遲即第一搖擺之后，PSS能夠起到明顯的抑制作用，可使搖擺過程盡快平息。

3 PSCAD仿真驗證

在PSCAD環境中，建立了無PSS輔助勵磁控制的系統和有PSS附加勵磁控制的系統模型，對其進行了PSCAD仿真測試，對比分析系統在不同擾動下，勵磁電壓以及發電機有功功率穩定性的變化。

3.1 PSCAD／EMTDC

PSCAD是一種用戶界面，使用戶可以更輕松地使用EMTDC分析電力系統的問題，使復雜工況的電力系統可視化成為可能。該軟件可用作前端實時數字模擬器，可模擬任何大小的HVDC系統。其功能包括：可以發現斷路器的異常，故障和雷擊過電壓；可以對復雜的非線性元件（如直流輸電設備）進行全三相電力系統的準確仿真；電力系統時域或頻域仿真都很有效果；電力系統諧波分析與電力電子仿真；HVDC和FACTS控制器的設計。

3.2 仿真模型

基于如圖3所示的單機無窮大系統，建立仿真模型如圖4所示。

Xd=2.534，X′d=0.318，XT=0.1，XL=1.46，Td0=10，H＝8，D＝5.0 初始運行條件：Pe=0.5，δ=70°；勵磁系統模型參數：Ka=129 Ta=0.02

整定調整后的PSS模型參數如圖5所示。

圖3 單機無窮大系統

圖4 單機無窮大系統仿真模型

圖5 調整后的PSS模型參數

3.3 結果分析與驗證

無PSS輔助勵磁控制時，發電機電壓給定階躍±1%~±5%時，測得的發電機有功功率波動情況如圖6所示。在投入PSS情況下，做±1%UFN機端電壓階躍響應獲得的曲線如圖7所示。

經過圖6、圖7的對比分析可以發現，當沒有PSS輔助控制時，在發生擾動的情況下，系統機端電壓受擾動后的穩定時間要比有PSS的情況下有所延長，且有功功率波動較大，系統很大程度上會出現失步現象；投入PSS后，系統穩定性對擾動的抵抗能力已得到改進，系統不再出現失步現象，即系統穩定性得到提高。結果表明，PSS附加控制可以顯著提高系統的穩定性。

圖6 未投入PSS時的波形

圖7 投入PSS時的波形

4 結語

勵磁控制系統采用輔助PSS時，相較于沒有PSS能夠有效提高系統抑制低頻振蕩的能力，同時采用輔助PSS的電力系統，其動態穩定性和靜態穩定性都得到很大提高，有效改善了傳統勵磁控制系統中僅對電壓偏差變量進行比例調節的缺陷。證明了PSS對低頻振蕩有良好的抑制作用，能顯著提高系統穩定性。

［1］李靜．同步發電機PSS輔助勵磁控制及MATLAB仿真［J］．廣西輕工業，2011，27（2）：50-51．

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［3］張偉，余莉，劉玉娟，等．基于MATLAB的同步發電機PSS與勵磁系統仿真［J］．計算機與數字工程，2011，39（8）：62-65．

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［5］余耀南．動態電力系統［M］．北京：水利電力出版社，1985．

［6］倪以信，陳壽孫，張寶霖．動態電力系統的理論和分析［M］．北京：清華大學出版社，2002．

［7］吳雪松，李振然．基于Matlab／simulink的附加勵磁控制器的仿真研究［C］∥2003年全國高等學校電力系統及其自動化專業第十九屆學術年會論文集上冊，2003．

［8］湯偉．基于MATLAB的PSS的參數計算與仿真［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學，2010．

2017-06-26

耿福江（1968），男，工程師，從事熱電廠的電氣運行與檢修等方面的工作；

辛星志（1971），男，工程師，從事輸配電線路維護管理，變電站維修試運行等方面的工作。

Research on the Influence of Auxiliary Excitation Control on Power System Stability

GENG Fujiang1，XIN Xingzhi2
（1.Zibo Xuneng Thermomax Co.，Ltd.，Zibo 255300，China；2.Shengli Petroleum Administrative Bureau Electric Power Corporation，Dongying 257000，China）

Simulation model of PSS auxiliary excitation control systems is established using PSCAD followed by simulation study.The situations of weather running the generator with or without the PSS auxiliary excitation control in different disturbances of the system excitation voltage and generator active power are simulated and compared.Based on results，the PSS auxiliary excitation control effect on the stability of power system is analyzed.The results show that the PSS has a good suppression effect on the low frequency oscillation.This control improves the stability of the system.

auxiliary excitation control；low frequency oscillation；system disturbance；power system stabilizer

TM774

B

1007－9904（2017）11－0034－04