基于Simulink的電力系統穩定器(PSS)應用仿真

余洋

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

在電力系統中，提高和維持同步發電機運行的穩定性，是保障電力系統安全經濟運行的前提條件。發電機勵磁系統是發電機進行電壓調控和穩定運行的重要部分，對其運行的可靠性和穩定性有著直接影響。常規勵磁調節器一般采用PID控制方式，控制簡單且易于實現，得到了非常廣泛的應用。但是由于它提供的超前相位的頻率與低頻振蕩的頻率不一定相同，因而它為電壓信號所設計的超前相位不一定滿足補償負阻尼所需的相位[1-3]。

電力系統穩定器（PSS）是一種有效的附加勵磁控制，主要應用于干擾之后的系統功率振蕩，通過采集發電機參數組成反饋作用于勵磁系統，在系統短路故障瞬間的暫態過程中可以加快發電機端電壓的恢復，有助于平穩各發電機參數的暫態振蕩。PSS主要應用于干擾之后的系統功率振蕩，具有極高的應用價值。

本文利用Matlab/Simulink仿真研究了不同輸入形式的PSS穩定電力系統的作用。仿真對比了無窮大系統中處于同樣工況的發電機在加裝不同PSS的條件下對于不同類型故障的響應情況。仿真結果表明，安裝了PSS的同步發電機在系統故障擾動下的穩定性得到明顯提升，并且雙輸入的PSS的功能強于單輸入PSS。

1 勵磁系統原理及模型建立

1.1 勵磁系統原理

勵磁系統是現代同步發電機的重要組成部分，其主要任務就是通過采集發電機機端電壓信息，反饋到勵磁作用中，實現了對于發電機端電壓的控制電壓控制、合理分配，以提高同步發電機運行的穩定性。勵磁調節器一般由2個部分組成：勵磁主電路和勵磁調節器。前者是由勵磁電源、主整流器、滅磁電路以及過流過電壓保護電路組成。后者根據發電機的運行狀態自動調節勵磁電流以滿足發電機的運行要求，主要包括測量比較、綜合放大、移相觸發3部分，見圖1。

圖1 勵磁系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the excitation system

在Simulink軟件中提供了勵磁系統模塊，可以輸入參數直接應用。其框圖如圖2所示。圖中4個輸入端口，Vref是參考電壓；Vd、Vq分別是輸出電壓的直軸和交軸分量，Vstab為電力系統穩定器輸入端口。

圖2 Simulink中勵磁系統模塊框圖Fig.2 Block diagram of the excitation system in Simulink

1.2 電力系統穩定器PSS原理

電力系統穩定器PSS一般由測量環節、超前—滯后環節和隔直環節構成。其中，測量環節用于信號的測量和濾波，信號采集環節由傳感器來完成，它將PSS的工作主頻（0.1~3 Hz）范圍內的信號傳進PSS；超前—滯后環節用于相位的補償；隔直環節的作用是當信號的變化達到穩態時，PSS的輸出為0[4]。PSS在電壓調節器（AVR）或其他形式的調節基礎上，通過采集與低頻振蕩有關的發電機輸出量，如有功功率、轉速或頻率，加以處理，產生附加信號加到勵磁調節器中。這些引入的附加反饋ΔP（Δf或Δ∞）能夠使發電機產生對功率（或轉速）中的低頻振蕩分量的阻尼力矩，迅速抑制低頻振蕩。

圖3 一種雙輸入PSS結構框圖Fig.3 Block diagram of a bi-input PSS

因此，由于引入反饋量的類型與個數不同，不同種類的PSS的工作性能之間存在著差異。單一的以ΔP，或Δω作為輸入信號都存在不足之處，而Δ∞和△只同時為輸入信號，它們可以相互補償，減小反調現象的影響[4]。圖3是一種較為典型的雙輸入PSS的結構圖。本文重點在于通過仿真分析基于ΔP和Δω 2個反饋量的雙輸入PSS和只引入ΔP的單輸入PSS相比于沒有PSS情況下工作性能差異。

2 應用Simulink進行仿真實驗

Matlab提供的Simulink工具箱是一個針對電力系統仿真軟件平臺，在這一平臺上可以完成諸多方面的電力系統數字仿真。為了保證問題研究具有普遍性，在研究勵磁系統仿真模型時，通常采用典型的電力系統，即單機無窮大系統來進行[5]。在Matlab軟件中以Simulink搭建此仿真模型，該仿真系統包括同步發電機模塊、PSS模塊、勵磁調節器模塊、升壓變壓器模塊、三相短路模塊、無窮大系統模塊、斷路器模塊和線路阻抗模塊。

在圖4中，同步發電機輸出的電能經升壓變壓器與無窮大電源并網，并通過接入三相短路刀閘模擬電力系統短路故障，通過在原動機輸入端疊加階躍函數表示原動機擾動。同步發電機模型輸出三相電以及發電機參數。通過電機參數分離模塊獲取的發電機參數，變換后輸入給勵磁調節器以及PSS。經勵磁調節器和PSS調節后的電壓相加后又送到發電機的勵磁端口[6-9]。

電路各模塊的參數如下。

發電機參數：P等于 200 MV·A；Un等于13 800 V；f等于 50；Xd等于 1.305；Xd′等于 0.308；Xd″等于 0.273；Xq等于 0.465；Xq″等于 0.251；Xl等于0.22。

電網參數：變壓器變比為23.8/210；電網電壓為200 kV。

圖4 仿真電路圖Fig.4 Circuit simulation diagram

勵磁系統參數：Tr為 0.002；Ka為 100；Ta為0.01；Kf為 0.01；Tf為 0.1；限幅幅值為 11.5。

PSS 參數:T1為 5；T2為 0.181；T3為 0.087；T4為0.02；T5為 1。

2.1 三相接地短路

短路故障是電力系統中最為常見的暫時性故障，其中以三相接地短路帶給電網的沖擊最大，因此，研究這種工況下的系統穩定性對研究電力系統的暫態穩定性意義重大。由于在正常情況下，當出現短路時，一般線路繼電保護設備在0.1 s的時間內已經完全能夠正確動作[10-13]，因此仿真其重合閘時間一般為0.1 s，故設短路模塊的接地時間是25~25.1 s。

試驗分別在不加PSS，加入基于ΔP的單輸入PSS和基于Δω與ΔP的雙輸入PSS 3種情況下進行。圖5~7為3種情況下發電機轉子轉速ω隨時間的變化情況，圖8~10為3種情況下發電機輸出功率隨時間的變化情況。

2.2 原動機擾動

圖5 三相接地，不加PSS的轉子角速度波形Fig.5 Waveform of ω without PSS in 3-phase fault

圖6 三相接地，加單輸入PSS的轉子角速度波形Fig.6 Waveform of ω with single-input PSS in 3-phase fault

發電機的原動機轉矩變化會影響電力系統的運行狀態，當發電機滿載運行時（P=1）時，起勵25 s后在原動機輸出功率上疊加一個5%的階躍量用以模擬原動機狀態的變化，此時得到同步發電機起勵運行的機端電壓波形如圖11~12所示。觀察波形可以看出，不加PSS時，受到擾動波動幅值大，20個周波后仍有振蕩，而使用AVR+PSS控制時，其擾動波動幅值小，大約在12個周波后趨于穩定，說明PSS對擾動有很好抑制作用。

圖7 三相接地，加雙輸入PSS的轉子角速度波形Fig.7 Waveform of ω with bi-input PSS in 3-phase fault

圖8 三相接地，不加PSS的發電機輸出功率波形Fig.8 Waveform of P without PSS in 3-phase fault

圖9 三相接地，加單輸入PSS的發電機輸出功率波形Fig.9 Waveform of P with single-input PSS in 3-phase fault

圖10 三相接地，加雙輸入的PSS的輸出功率波形Fig.10 Waveform of P with bi-input PSS in 3-phase fault

圖11 原動機加階躍，不加PSS發電機輸出功率波形Fig.11 Waveform of P without PSS when mover steps

圖12 原動機加階躍，加雙輸入PSS發電機輸出功率波形Fig.12 Waveform of P with bi-input PSS when mover steps

3 結果分析

通過軟件仿真結果對比發電機在不加PSS，加單輸入PSS和加雙輸入PSS 3種情況在電網故障狀態后的參數變化，可以得到PSS對于提高電力系統穩定性的作用，其主要體現在以下方面。

3.1 抑制低頻振蕩

由于PSS是專門為抑制低頻振蕩而設置的，其效果是明顯的。對比仿真結果，不論是開機后的啟動振蕩，還是在系統發生故障的暫態振蕩，投入PSS后發電機的參數振蕩平息速度大大快于不加PSS的情況，提高了電力系統故障后的穩定性。

3.2 提高電力系統暫態穩定性

PSS對于暫態穩定的影響主要可以分成2個方面：一是對于大擾動后第一擺的影響；二是對第一擺后的后續振蕩的影響。對比仿真結果，PSS對于第一擺的影響不明顯，因為PSS主要通過發電機的勵磁繞組起作用，而發電機的勵磁繞組的時間常數較大。由于PSS能夠在一定頻率范圍內提供正阻尼，因此，它對后續振蕩有明顯的抑制作用，可以降低振蕩幅值，縮短暫態過程。

由于ω附加阻尼力矩，雙輸入的PSS波動幅值均小于單輸入PSS，因此，基于Δω和ΔP的雙輸入PSS有著比ΔP的單輸入PSS更好的穩定功能。

4 結語

當系統受到不同類型的干擾后，傳統的AVR勵磁控制系統雖然能一定程度上保證系統重新回到穩定運行點，但收斂時間相對較長，波動幅度較大。含有PSS的勵磁控制系統具有較好的控制特性，而且PSS采取的反饋量越多，則控制力度越強，系統的穩定性就越好。

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