電力系統穩定器在船舶電力系統中的應用

許麗霞，施偉鋒，張威

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電力系統穩定器在船舶電力系統中的應用

許麗霞，施偉鋒，張威

（上海海事大學，上海 201306）

本文首先介紹了電力系統穩定器（PSS）的原理；然后，結合所搭建的船舶電力系統（大功率柴油發電機組）數字仿真模型，研究PSS在船舶電力系統中的應用；最后，通過對船舶電力系統在有、無PSS作用下的典型故障工況的對比仿真與分析，說明PSS能夠有效提高船舶電力系統暫態穩定性。

船舶電力系統 勵磁控制 電力系統穩定器 暫態穩定性 供電可靠性

0 引言

隨著船舶電力系統容量的不斷擴大，系統運行方式和負荷變化對系統阻尼特性的影響日益突出。電力系統阻尼特性的日益惡化，影響了系統暫態穩定性和供電可靠性，而船舶電力系統作為一個獨立電力系統，其運行環境決定了船舶必須盡可能保證持續穩定供電[1]。電力系統穩定器（PSS）是一種附加勵磁裝置，能夠補償發電機勵磁控制系統由于慣性產生的負阻尼，有效抑制系統低頻振蕩，是提高船舶電力系統暫態穩定性的重要方法之一。因此，將電力系統穩定器用于提高船舶電力系統暫態穩定性具有很高的研究價值。

1 PSS原理

當電力系統受到干擾時，發電機轉子角出現振蕩，而電壓調節器及勵磁系統具有慣性，其提供的附加轉矩的相位落后于轉子振蕩的角度，它的一個分量與轉速反相位，導致轉子振蕩角度加大，引發系統振蕩[2]，也就是低頻振蕩。

圖1 電壓調節器產生的負阻尼轉矩和電壓

圖2 PSS產生的負阻尼轉矩和電壓

圖3 PSS控制系統結構圖

2 PSS結構及參數計算

2.1 PSS結構

現有的電力系統穩定器有PSS1A、PSS2B、PSS3B、PSS4B。

圖4 PSS1A結構圖

圖5 PSS2B結構圖

圖6 PSS3B結構圖

綜上所述，本文選擇PSS1A應用于船舶電力系統中。

2.2 PSS參數計算

電力系統穩定器參數計算方法主要有相位補償法和特征根配置法兩種方法。相位補償法是建立在同步轉矩和阻尼轉矩的基礎上，根據發電機勵磁系統產生的負阻尼計算PSS增益環節和相位補償環節的參數。特征根配置法與相位補償法唯一不同之處在于：將發電機傳遞函數的特征方程分成實數部分和虛數部分，但是在計算過程中需先設定發電機時間常數，且與發電機勵磁系統參數沒有直觀的聯系因此，因此，文章用相位補償法的計算PSS參數。

圖7 PSS4B結構圖

根據PSS的工作原理，PSS參數的整定與發電機及其勵磁系統密切相關，發電機和勵磁系統傳遞函數用表示，PSS傳遞函數用G(S)表示。通過對系統進行仿真，求取發電機及其勵磁系統脈沖響應曲線，結合最小二乘擬合方法，求得的等效表達式為：

加入PSS后，阻尼0增加到1，且自然振蕩頻率不變，則有：

根據PSS控制系統結構圖，可知：

將系統的阻尼提高到0.5，即1=0.5時，系統會有較理想的動態特性。將（1）、（2）及1帶入（3）式得：

實際工程中，運用PSS對電力系統進行控制時，在理論計算的基礎上，需經過反復調試，才能得到較合適的PSS參數[6-8]。

3 船舶電力系統模型

在SimPowerSystems環境中建立船舶電力系統供電模型，如圖8所示。主要模塊與參數有：

2）原動機及調速系統：包括柴油機及其調速器模塊、電機信號分離模塊。

3）電動機為六相同步電動機：

4）變壓器：包括6相變壓器和3相變壓器。6相變壓器電壓等級240/240 V，3相變壓器電壓等級2400/240 V。

4 電力系統穩定器在船舶電力系統中的應用

在無PSS控制、PSS控制工況下，分別對船舶電力系統進行兩相短路、重載過負荷仿真試驗。仿真運行結果分別如圖9、圖10。

兩相短路故障：系統設置4.0~4.8 s之間發生故障，故障地點為電動機定子側輸入端。

重載引起的過負荷故障：系統設置在4.0s發生故障。

根據圖9（a1）、（b1）和圖10（a2）、（b2）可知，與無PSS控制時相比，PSS對船舶電力系統的控制具有如下優點：

1）PSS能在一定程度上提高系統暫態穩定性，具體表現在：

對于電力系統重載過負荷故障：

無PSS控制時，發電機在4.0~5.0 s間發生3次較大振蕩；在6.0~8.0 s時發生3次較大振蕩；在9.0~10.0 s時，再次發生2次較大振蕩；電動機在4.0~5.0 s發生2次大的振蕩；在6.0~7.0 s之間發生3次較大振蕩；在9 s發生大的振蕩。

PSS控制時，發電機在4.0~5.0 s之間發生2次振蕩；電動機在7.0~8.0 s之間發生3次振蕩。

PSS控制電機轉速振蕩次數少于無PSS控制振蕩次數，且系統由暫態至穩態過渡時，曲線更平滑。

圖10 過負荷故障仿真結果圖

2）PSS能縮短電力系統由暫態至穩態的過渡時間，提高系統的快速性。具體表現在：

對于電力系統兩相短路故障，無PSS控制時系統在4.0~10.0 s由暫態過渡到穩態，持續時間為6 s。PSS控制時系統在4.0~7.8 s由暫態過渡到穩態，持續時間為3.8 s。PSS比無PSS控制過渡時間縮短2.2 s。

對于重載過負荷故障，無PSS控制時系統可能失去穩定。PSS控制時系統在4.0~8.2 s由暫態過渡到穩態，持續時間為4.2 s。PSS比無PSS控制過渡時間大大縮短。

但是PSS對船舶電力系統的控制仍然存在問題，主要表現在：

1）船舶電力系統在實際運行中，負荷變化量大，系統運行狀態發生變化時，通過仿真整定的PSS不能根據系統運行狀態進行合適的參數調整，自適應不夠。如系統重載過負荷時，系統暫態持續時間為4.2 s，持續時間較長。因此，不能對系統進行實時精確控制。

2）PSS對船舶電力系統進行控制時，控制精度不高，如系統重載過負荷時，電機振蕩幅度較大。

綜上所述，PSS為發電機勵磁控制系統提供附加勵磁，對抑制船舶電力系統低頻振蕩具有有效性，但還需要進一步的研究以提高PSS對船舶電力系統故障暫態過程的改善。

[1] 施偉鋒, 許曉彥. 船舶電力系統建模與控制[M]. 北京: 電子工業出版社, 2012.

[2] 劉取.電力系統穩定器及發電機勵磁控制[M]. 北京:中國電力出版社, 2007.3.

[3] 霍承祥, 劉取, 劉增煌. 勵磁系統附加調差對發電機阻尼特性影響的機制分析及試驗[J]. 電網技術, 2011, 35(10): 59~63.

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[5] 湯凡, 劉天琪, 李興源.電力系統穩定器及附加勵磁阻尼控制器對次同步諧振的影響[J]. 電網技術, 2010, 34(8): 37~40．

[6] 張軍政. 華潤電廠300 MW發電機組的電力系統穩定器參數整定試驗[J]. 電網技術, 2005, 9(11), 73~76.

[7] 吳跨宇, 陳新琪. 運行工況對電力系統穩定器PSS現場參數整定影響的研究[J]. 浙江電力, 2013, 3: 1~5.

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Application of Power System Stabilizer to Ship Power System

Xu Lixia, Shi Weifeng, Zhang Wei

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

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TM74

A

1003-4862（2014）12-0031-04

2014-05-19

高等學校博士學科點專項科研基金（20123121110003）；上海市教委科研創新重點項目（12ZZ155）。

許麗霞(1988-)，女，碩士生。研究方向：船舶電力系統。