電力系統穩定器的設計及控制策略仿真

黨劍飛，李明明，高小芳，周淑輝

DANG Jian-fei, LI Ming-ming, GAO Xiao-fang, ZHOU Shu-hui

（河南省電力公司 駐馬店供電公司，駐馬店 463000）

0 引言

電力系統穩定器（pps）是一種附加勵磁控制技術，其作用是抑制低頻振蕩。pps在勵磁電壓調節器中，引入領先于軸的附加信號，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。它抽取與振蕩有關的信號，如發電機有功功率、轉速或頻率，加以處理，產生的附加信號加到勵磁調節器中，使發電機產生阻尼低頻振蕩的附加轉矩。根據以上分析可以得到，電力系統穩定器的設計能夠增強系統的穩定性，對電力系統穩定性的提高有重要作用。

隨著我國電力系統容量和輸電距離不斷增長，大容量機組更多的采用，電力系統穩定問題不斷出現。PSS技術的發展對于改善電壓調節的動態品質，提高靜態電壓調節精度和電網運行的暫態穩定顯示明顯的優點。21世紀以來各種不同輸入信號的電力系統穩定器已在我國幾個大型發電廠運行，并經受各種運行的考驗。

1 電力系統電氣元件的數學模型

電力系統的每一個主要元件的特性都對電力系統穩定產生影響。有關這些特性的知識對于理解和研究電力系統穩定是至關重要的。電力系統穩定及其控制技術與電力系統各電氣元件的暫態特性有著非常密切的關系。為了分析電力系統靜態穩定，并且進行有效地控制，必須首先研究電力系統電氣元件的數學模型。它們包括：同步發電機、水輪發電機、汽輪機、調速器以及勵磁系統等模型。

1.1 同步發電機基本模型

影響電力系統動態特性的最主要元件是同步電機。同步發電機在dq0坐標系下的標么瞬時功率和電磁轉矩方程分別為：

不考慮軸系分段時，同步發電機組的轉子運動方程為：

其中，H—轉子慣性常數；Tm—原動機力矩；Te—電磁力矩；TD—阻尼力矩；D一阻尼系數。

1.2 原動機及調速系統基本模型

1.2.1 汽輪機的數學模型

在汽輪機中，調節汽門和第一級噴嘴之間存在管道和空間，當汽門開啟和關閉時，進入汽機的蒸汽量雖有改變，但有一定慣性，這就形成原動機出力機械功率的變化要滯后于汽門開度的變化，這一現象稱為汽容效應。對于大容量中間再過熱機組，由于再熱器的存在，汽容效應更加顯著。當以閥門開度為輸入量，汽輪機總機械功率為輸出量時候，中間再過熱機組的傳遞函數可表示為：

其中，TCH、TRH、TCO分別是控制閥室、再過熱器和聯箱的汽容時間常數，其中以TRH的影響最大，KHP、KIP、KLP分別為高、中、低各級汽缸功率與汽輪機總功率的比。

1.2.2 調速器模型

汽輪機電液調速器的速度測量環節測量機組轉速ω和給定值ω0差，功率測量環節測量機組功率P和給定值P0的偏差，偏組合后經PID校正輸出至電液轉換器，經繼動器和油動機輸出到汽輪機閥門開度。采用系數為1的硬反饋是為了克服由于繼動器和油動機同為積分環節所造成的不穩定現象。其傳遞函數框圖如圖1所示。

圖1 傳遞函數框圖

2 勵磁系統基本模型

勵磁系統的種類繁多，但基本上可以分為旋轉勵磁和靜止勵磁兩類，旋轉勵磁分為直流勵磁機和交流勵磁機勵磁系統，直流勵磁機勵磁系統由于容量小和可靠性差，已逐步退出使用，本文未加以研究。

本文以IEEE Std 421.5-1992標準最新推薦的用于系統穩定性研究用的勵磁模型為基礎。通常，大型電力系統研究不包括勵磁電流限制器，考慮到限制器在使用快速動作限制器的自并勵靜止勵磁中作用越來越大，標準提供了瞬時勵磁電流限制器的模型，忽略那些在長期動態過程中起作用的，具有延時和反時限特性的保護和控制功能。

圖2 美國電力電子工程協會標準IEEEstd.421.2(2005)所推薦的PSS

3 電力系統穩定器設計原理

3.1 國際典型(或標準)的PSS系統

美國電力電子工程協會標準IEEEstd.421.2(2005)所推薦的PSS，如圖2所示。

系統中第1輸入通道的信號 為機組大軸角頻率，第2通道P為功率，這種使用不能混淆，因為在角頻率的信號中，可能夾雜有機組的軸系扭振信號，這是一種有極強破壞作用的高頻信號，盡管傳感器對它能有足夠程度的抑制，但還必須經過高頻濾波器來對它作最徹底的清除。

3.2 實現功能

電力系統穩定器的主要功能是抑制低頻振蕩，低頻振蕩是指個別電機與電網、電網各區段之間及機組之間的三類振蕩，表現為機組功率、轉速或頻率分別產生0.1-1.0Hz，0.1-0.SHz以及1.5-3.0Hz的擺動，PSS接收這些振蕩信號并按要求傳遞至電壓調節器，通過電壓調節器的自動控制作用，來實現對這些振蕩的阻尼。因此0.1-3.0Hz范圍內的這些振蕩信號是PSS的工作信號，稱之為主信號。

主信號頻率以外的干擾信號，其中一類是不大于0.01Hz的“直流”及時間漂移信號;另一類是不小于4Hz的高頻信號，它包括隨機白噪聲、主信號中的脈動信號以及軸系扭振信號。為保證勵磁控制系統的正常運行及機組安全，PSS必須把它們予以徹底清除，不允許傳遞至電壓調節器。

因此PSS的功能就是把主信號按規定目標傳遞至勵磁控制系統中的電壓調節器，以阻尼0.1-3.0Hz范圍內機組的三類振蕩，并且徹底阻斷該頻率段范圍外的非主信號通過，以保證勵磁系統的正常運行及機組安全。

PSS的這種功能決定著其各個組成環節的特性及參數的設定值。

3.3 關鍵環節

3.3.1 傳感器

傳感器是一個典型的慣性環節，除了檢測并變送主信號外，還對不小于4.0Hz的高頻非主信號具有足夠程度的抑制作用，使其幅值被限制在主信號幅值的10%范圍之內。

3.3.2 高頻濾波器

高頻濾波器在傳感器對高頻信號己有足夠程度濾波的基礎上，如圖5中的高頻濾波器，對其中最具有破壞作用的軸系扭振信號，進行再一次最徹底地阻斷，誠然，它對其他高頻信號也具有相應的濾波作用，其頻率特性如圖3所示。

圖3 高頻對數輻頻漸進曲線

3.3.3 相位補償器

圖中的相位補償器是一種超前—滯后相位補償器，其頻率特性如圖4所示，其中f5=0.1Hz，f6=3.0Hz

3.3.4 沖洗器

沖洗器是為洗凈不大于0.01Hz的“直流”非主信號對勵磁控制系統正常運行的干擾而設置的，所以有些資料又把它稱為“隔直”單元，也有將其稱為自動復位器，意味著只有出現大于0.01Hz的信號時，才會使PSS自動“投入”勵磁系統，否則它便自動“復位”，使PSS自動“退出”勵磁系統，相當于是一只無觸點的常開自動開關，在圖2中串聯了兩級，各級的頻率特性如圖5所示，其中關f7=0.01Hz。

圖4 各級相位補償器特性

圖5 各級沖洗器的特性

從上面的分析中可以看出，采用IEEE模型設計的PSS只要參數選擇合適，可保證PSS主信號頻率的設定范圍為0.1- 3.0Hz，PSS接收這些振蕩信號并進行一定的相位補償和增益調整，然后傳遞至電壓調節器，通過電壓調節器的自動控制作用來實現對這些振蕩的阻尼。

4 系統仿真結果分析及結論

附加CPSS(Δω)時，系統的機端電壓、電功率、勵磁電壓和轉速的階躍響應均為衰減振蕩，其中：機端電壓振蕩過程6秒內平息，振蕩7次，最高振幅1.037pu;電功率振蕩過程6秒內平息，振蕩9次，最高振幅0.79pu;勵磁電壓振蕩過程6秒內平息，振蕩7次，最高振幅3.8pu;轉速振蕩過程5秒內平息，振蕩8次，最高振幅l.0005pu。

由以上結果可知，附加CPSS的勵磁控制器的階躍響應的波形振蕩在短時間內平息了擾動，使系統更迅速的穩定下來。仿真結果顯示出，階躍響應這樣的小擾動事故，CPSS可以比較好地適應系統的變化，提供較理想的阻尼效果。這是傳統PSS的勵磁系統所不能達到的。

提高電力系統穩定運行是提高系統可靠運行的保證。而低頻振蕩是影響系統穩定的一個重要方面。重要負荷及快速勵磁直接減弱了系統的阻尼。PSS是抑制低頻振蕩的一個有效方法，其原理是通過附加勵磁控制提供所需要的附加阻尼來加以抑制。電力系統穩定器能夠更有效的提高系統的穩定性和保持發電機端電壓的水平。以單機無限大系統為例作的仿真取得了良好的結果，使電力系統穩定器在較短的時間內使電力系統穩定，并使超調量減小，電力系統的穩定性和動態特性得到了很大的提高，在電力系統控制中有很廣闊的應用前景。

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