大擾動下低頻振蕩抑制及暫態穩定性研究

李 昂，蔣 燕 ，易 璋

（1.陜西理工學院 電氣工程學院，陜西 漢中723003；2.漢中變壓器有限責任公司，陜西 漢中723000；3.國網陜西省電力公司 漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

大擾動下低頻振蕩抑制及暫態穩定性研究

李 昂1，蔣 燕2，易 璋3

（1.陜西理工學院 電氣工程學院，陜西 漢中723003；2.漢中變壓器有限責任公司，陜西 漢中723000；3.國網陜西省電力公司 漢中供電公司，陜西 漢中 723000）

文中介紹了電力系統附加勵磁控制—電力系統穩定器（PSS）的工作原理及其數學模型。通過建立典型單機—無窮大系統的仿真模型，模擬了系統在大擾動下暫態過程的運行特性。仿真結果表明PSS不但能夠有效地提高系統的阻尼作用，而且可以改善發電機的運行特性，提高電力系統的動態及暫態穩定性。

電力系統穩定器；單機—無窮大系統；低頻振蕩；暫態穩定性

大容量電力系統的互聯，增加了運行機組間功率振蕩的潛在可能性。功率振蕩頻率在0.2～3 Hz之間，稱為低頻振蕩。振蕩時，機組間功角相對擺動，造成功率在電網上來回傳輸，影響系統正常運行。更嚴重情況是，當擺動幅度過大時會使系統失步[1]。

低頻振蕩的產生是因為系統阻尼減小，那么抑制低頻振蕩的手段就是減小負阻尼或增加正阻尼。電力系統穩定器PSS（Power System Stabilizer）正是通過增加正阻尼來抑制低頻振蕩的。PSS可以有效地加強電力系統的阻尼，改善電力系統的靜態穩定和動態穩定，已為大量的計算分析和運行經驗所證明[2]。

本文通過對典型單機—無窮大系統三相短路過程的仿真分析，論證了設計良好的PSS在提高電力系統動態穩定的同時，還能夠改善電力系統的暫態穩定性。

1 電力系統低頻振蕩產生機理

1.1 單機—無窮大系統模型

單機—無窮大系統的低頻振蕩機理分析，是分析多機系統低頻振蕩的基礎，它的結論可以推廣到多機系統[3]。

發電機采用三階實用模型，勵磁系統動態用一階慣性環節表示時，發電機及勵磁系統數學模型如下：

將上式在運行點線性化后可以得到單機無窮大系統的傳遞函數框圖。這就是電力系統小擾動分析中著名的Phillips—Heffrom模型[4]。

式中：Xe、Uc分別為發電機與系統間聯系電抗、系統母線電壓，其余為發電機參數和運行變量。可見，參數K1～K6的值反映了發電機運行及與電網聯系工況（其中K3與運行工況無關），顯然運行工況和電網參數將影響K1～K6的值。

1.2 低頻振蕩機理

由上可知功率偏差量（或功率增量）為：

若忽略電樞反應，即令 K4= 0 ，則上式可寫成：

由此可見，常規勵磁系統Ke越大，其負阻尼值越大，振蕩越嚴重；勵磁系統Te增大，負阻尼可減小，從而使振蕩減弱。但Te不能太大，否則振蕩時間會延長，不利于系統的穩定。

可以看出，當Ke大于一定值后，再繼續增大，其分母增大的速度較分子快，即負阻尼在Ke較小時，隨Ke的增大而增加，到達某一值后，Ke再增大會使負阻尼減小。因此快速勵磁系統在AVR的增益很大時也能穩定運行。

2 PSS對低頻振蕩抑制原理分析

若使Gpss（s）的超前相位Φpss恰好等于式（1）分母的相位Φ3，則：

3 PSS暫態穩定仿真分析

如圖1所示為單機—無窮大系統的仿真模型，這是一個包含完整AVR+PSS勵磁控制系統的Simulink仿真模型。仿真模擬同步發電機在大擾動（三相短路）下的暫態過程。

暫態穩定是指電力系統受到大干擾后，各同步電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來運行方式的能力。勵磁系統如果要對電力系統暫態穩定產生明顯作用，必須具備兩個條件：一是具有快速響應特性，二是具有高強勵倍數，這是因為當電力系統中發生短路故障時，由于控制輸入機械功率的常規調速系統的動作太慢，主要靠快速繼電保護切除故障，而故障切除以后，快速勵磁和強行勵磁可以增大發電機電勢，因而增大輸出的電磁功率，增大了制動面積，防止發電機搖擺角過度增大，以利于暫態穩定性的提高[7]。

故障設置由斷路器完成，1 s時線路出口處發生三相短路故障，1.06 s時故障切除。圖2為發電機功角的仿真波形，圖3為發電機轉速的仿真波形。

對于三相短路這樣非常嚴重的故障形式，未投入PSS時，盡管采用了快速切除故障的措施，系統仍然失去了穩定性；而采用PSS有效地增加系統的阻尼，使系統迅速趨向穩定。PSS的作用使得發電機產生了附加電磁功率，該附加功率增強了系統的阻尼，使第一次功角振蕩回擺的幅度明顯減小，明顯改善了發電機的運行特性。

4 結 論

勵磁控制系統為復雜的高階、非線性、多變量系統，同時發電機的運動學特性復雜，電網的穩定模型也不容易描述。本文通過對單機—無窮大系統三相短路暫態過程的仿真，分析了勵磁控制系統對電力系統穩定性的影響。從仿真結果可以看出，電力系統穩定器PSS可以提供足夠的正阻尼，有效克服AVR的負阻尼作用，改善發電機的運行特性，提高系統動態及暫態穩定性，為電力系統的運行與安全穩定分析提供了理論參考。目前基于大功率電力電子全控器件（如IGBT、

IGCT、GTO等）整流的新型勵磁系統是研究的熱點，這種勵磁系統不僅可以通過直流勵磁為系統提供阻尼，還可以充分利用全控器件構成的整流橋的交流側直接向同步發電機端送出和吸收無功的特點，實現其與同步發電機直流勵磁的協調控制，為同步發電機和電力系統提供更快控制和更多阻尼[8]。

圖1 單機—無窮大系統仿真模型Fig.1 Simulation model diagram of the single machine-in fi nite bus power system

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圖2 發電機功角的波形Fig.2 Power angle waves of the generator

圖3 發電機轉速的波形Fig.3 Rotor speed waves of the generator

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Low frequency oscillation suppression and transient stability study of power system under great disturbance

LI Ang1，JIANG Yan2，YI Zhang3
（1.School of Electrical Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003，China；2.Shaanxi Hanzhong Transformer Co.，Ltd， Hanzhong 723000，China；3.Hanzhong Power Supply Company， State Grid Shaanxi Electric Power Company， Hanzhong 723000，China）

This paper introduces the working principle and the mathematical model of additional power system excitation control—Power System Stabilizer（PSS）.Through the establishment of a typical single machine-infinite bus system simulation model， simulates the synchronous generator's transient operating characteristics under large disturbances.Simulation results show that the PSS can not only effectively increase the system damping， but also can improve operational characteristics of the generator， considerably enhance power system dynamic and transient stability.

power system stabilizer；single machine-infinite bus system；low frequency oscillation；transient stability

TN75

A

1674-6236（2014）14-0055-04

2013-10-22 稿件編號：201310139

李 昂（1971—），男，陜西漢中人，碩士，副教授。研究方向：電氣工程及其自動化。