基于PSASP的單機無窮大系統(tǒng)穩(wěn)定性應用分析

李惜玉 杜嘉明 許浩森

摘要：講述了電力系統(tǒng)的概念，簡單介紹了點電力系統(tǒng)失穩(wěn)的嚴重影響，在PSASP上運用控制變量法對算例進行仿真試驗，最后通過對比分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和調(diào)壓器兩種措施對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的效果。

關鍵詞：穩(wěn)定性;PSASP仿真;AVR;PSS

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0212-02

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究一直是電力學者研究的重點課題。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和擴大，輸電距離和輸電容量也大大增加。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，有可能引發(fā)極為嚴重的后果。因此，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，對電力系統(tǒng)安全可靠運行，具有非常重要的作用。[1]本文仿真研究的軟件是中國電科院所開發(fā)的PSASP軟件。PSASP分三層，第一層是公用數(shù)據(jù)和模型的資源庫;第二層是基于資源庫的程序數(shù)據(jù)包;第三層是計算結(jié)果庫和分析工具。可以進行電力系統(tǒng)常見的潮流計算、短路計算、暫態(tài)穩(wěn)定計算等。[2]

一、電力系統(tǒng)穩(wěn)定的概念

1.大干擾穩(wěn)定（暫態(tài)穩(wěn)定）

在我國制定的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》中，定義“暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)定運行的能力”。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到大干擾后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)定運行方式的能力。電力系統(tǒng)受到大干擾后是否能繼續(xù)保持穩(wěn)定運行的主要標志：一是各機組之間的相對搖擺是否逐步衰減;二是局部地區(qū)的電壓是否崩潰。[3]

2.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）

一種為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵磁控制技術。它在勵磁電壓調(diào)節(jié)器中，引入領先于軸速度的附加信號，產(chǎn)生一個正阻尼轉(zhuǎn)矩，去克服原勵磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的負阻尼轉(zhuǎn)矩作用。用于提高電力系統(tǒng)阻尼、解決低頻振蕩問題，是提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。

電網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩的原因：負荷過重、遠距離輸送電能;高放大倍數(shù)的勵磁系統(tǒng)。[4，5]

3.調(diào)壓器（AVR）

AVR調(diào)節(jié)器能自動適應系統(tǒng)工況的變動而擇優(yōu)整定其參數(shù)，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，使電壓保持在一定的允許范圍內(nèi)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。

二、電力系統(tǒng)失穩(wěn)的影響

現(xiàn)代電網(wǎng)的四個安全穩(wěn)定問題是：大電網(wǎng)瓦解、穩(wěn)定破壞、電壓崩潰事故、頻率崩潰事故。由于現(xiàn)代社會與電能的關系已經(jīng)密不可分，電已經(jīng)滲透到社會活動與人民生活的各個部分，因此，電網(wǎng)事故導致用戶的停電，在經(jīng)濟上、政治上的影響是十分巨大的。據(jù)IEEE估計，每少供1kWh電所造成的損失為0.33～15美元，造成的經(jīng)濟損失是實際店家的幾十倍。正因為如此，我國電力部門將“電網(wǎng)瓦解”“大面積停電”列入七種必須杜絕的重大事故中。[6，7]

三、電網(wǎng)潮流計算和暫態(tài)穩(wěn)定仿真

1.參數(shù)設置

電力系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)由五個網(wǎng)絡節(jié)點、兩臺同步發(fā)電機、三段輸電線路、三組負荷和補償裝置組成。其中S1為PV節(jié)點，在此作為單臺發(fā)電機;S2、S3、S5為PQ節(jié)點;無窮大系統(tǒng)S4為平衡節(jié)點。發(fā)電機、變壓器、交流線參數(shù)如下：

發(fā)電機：1）10kv發(fā)電機：P=3，Q= 0.3085，V=1.05，θ=0，Xd=1.4，Xd=0.3，Xd=0.1，Xq=1.35，Xq=0.6，Xq=0.1，Tj=10，Td0=6，Td0=0.05，Tq0=1，Tq0=0.05，a=0.9，b=0.06，n=10，D=2，Ra=0.005，R2=0.1。2）無窮大系統(tǒng)：P=Q=0，V=1.05，θ=0，Xd= Xd= Xd=Xq= Xq=Xq=0.00001，Tj=100，Td0= Td0= Tq0= Tq0=0.05，a=0.9，b=0.06，n=10，D=2，Ra=0.005，R2=0.1。變壓器：1）10.5kv變壓器：k=1.05，X=0.015。2）525kv變壓器：k=1.05，X=0.015。交流線：1）AC_23：R=0.08，X=0.3，B/2=0.25;2）AC_25：R=0.04，X=0.25，B/2=0.25;3）AC_35：R=0.1，X=0.35，B/2=0。

2.仿真設置

首先，打開PSASP7.0。在菜單欄中選擇：“文件”>“新建工程”中建立新的工程文件。建立好工程文件后，會彈出新建單線圖的對話框。建立好單線圖文件后，我們可以在右側(cè)發(fā)現(xiàn)單線圖的快捷工具欄。里面有發(fā)電機、變壓器等的模型，逐個拖出相關的電力設備模型原件。接著，如圖1建立電網(wǎng)模型，并且用給出的參數(shù)設置對應的模型。完成搭建單線圖后要在單線圖的“工程管理欄”>“廠站”建立廠站表。

3.仿真步驟以及結(jié)果

首先定義方案。定義好方案后，就可以進行各種仿真。

（1）潮流仿真部分。潮流計算詳細實驗步驟：1）在功能控制模塊中選中“潮流計算”模塊。2）在右側(cè)的工具欄里面選擇“作業(yè)定義”。可以設置收斂條件，迭代次數(shù)，迭代方法等。在這里，選擇Newton（power equation），迭代次數(shù)上限選50。3）按“潮流計算”按鈕，計算出潮流結(jié)果。4）報表輸出潮流結(jié)果。按“報表輸出”，勾選“物理母線”，此處可以輸出各個母線的電壓、相角，也可以輸出發(fā)電機、變壓器等其他各種電力元件的潮流，也可以設置標幺值、有名值等。潮流結(jié)果如表1所示：

表1 潮流計算結(jié)果

物理母線

單位：p.u.

母線名稱 電壓幅值 電壓相角

1 1.05 -5.8717

2 1.0438 -8.3426

3 0.99736 -7.5867

4 1.05 0

5 0.96146 -22.1001

從表1可知，潮流結(jié)果分析：該單機無窮大系統(tǒng)在正常運行的時候，電網(wǎng)各處的電壓均在正常范圍（0.95-1.15p.u.），電網(wǎng)各處潮流分布合理，電能的供求平衡。

（2）暫態(tài)穩(wěn)定部分。暫態(tài)穩(wěn)定計算詳細實驗步驟如下：1）在功能控制模塊中選中“暫態(tài)穩(wěn)定”模塊。2）在右側(cè)的工具欄里面選擇“作業(yè)定義”。可以設置故障類型、故障時間、仿真時間等。本文需要的是功角信息，因此，還要在“輸出信息”里面選擇“發(fā)電機功角”，選擇發(fā)電機對無窮大系統(tǒng)的功角。3）在右側(cè)的工具欄里面按“啟動”按鈕，計算出暫態(tài)穩(wěn)定結(jié)果。4）在報表輸出可以選擇輸出自己需要的信息。本文需要的是功角信息，所以在“報表輸出”點擊“編輯方式”，點擊“增加”，最后按“輸出”，即可看到功角圖的輸出。

基于上述潮流結(jié)果，對圖1的電力系統(tǒng)進行暫態(tài)穩(wěn)定性分析。在交流線AC_35的50%處加入三相短路故障，短路時間為0.3-0.7s，各次實驗結(jié)果的功角曲線分別是：

作業(yè)1：不加入AVR和PSS，仿真結(jié)果如圖2所示。作業(yè)2：加入常規(guī)AVR，不加入PSS，仿真結(jié)果如圖3所示。作業(yè)3：加入高放大倍數(shù)AVR，不加入PSS。作業(yè)4：加入高放大倍數(shù)AVR，加入PSS。作業(yè)3、作業(yè)4的最終結(jié)果一致，仿真結(jié)果如圖4所示。作業(yè)5：加入中等放大倍數(shù)AVR，加入PSS，仿真結(jié)果如圖5所示。

四、對比分析

第一，作業(yè)1（不加入AVR和PSS）與作業(yè)2（加入常規(guī)AVR，不加入PSS）對比，系統(tǒng)受到大干擾后機組功角隨時間搖擺，但振幅呈現(xiàn)的是逐漸衰減的狀態(tài)，最終穩(wěn)定在原來的狀態(tài)，電壓也可以回到故障前的水平。可以發(fā)現(xiàn)：加入常規(guī)AVR后，電力系統(tǒng)受到擾動之后的振蕩幅度有所減小，但是因為沒有加入PSS和阻尼大小的原因，作業(yè)1與作業(yè)2振蕩所持續(xù)的時間都比較長。可見加入AVR對系統(tǒng)穩(wěn)定有利。

第二，作業(yè)2（加入常規(guī)AVR，不加入PSS）與作業(yè)3（加入高放大倍數(shù)AVR，不加入PSS）對比，可以發(fā)現(xiàn)：對比于常規(guī)放大倍數(shù)的AVR，高放大倍數(shù)的AVR可以使得受到擾動的電力系統(tǒng)振蕩幅度明顯減小，振蕩次數(shù)也減少。得出的結(jié)論是：加入高放大倍數(shù)的AVR更有利于受擾動系統(tǒng)的穩(wěn)定。

第三，通過作業(yè)3、作業(yè)4與作業(yè)5（加入中等放大倍數(shù)AVR，加入PSS）對比，可以發(fā)現(xiàn)作業(yè)3、作業(yè)4兩者可以說是完全重合，即當AVR的放大倍數(shù)達到一定程度大小的時候，PSS對系統(tǒng)作用比較小。作業(yè)5為放大倍數(shù)適中的AVR，通過作業(yè)4與作業(yè)5的對比，可以發(fā)現(xiàn)AVR越大，越有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

五、結(jié)論

AVR和PSS的引入有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。AVR的放大倍數(shù)越大，越有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。高放大倍數(shù)的AVR可以明顯減小系統(tǒng)振蕩持續(xù)的時間。當故障使得系統(tǒng)發(fā)生振蕩的時候，PSS的加入可以明顯減小振蕩所持續(xù)的時間。AVR放大倍數(shù)到達一定程度的時候，PSS作用不明顯。

參考文獻：

[1]何仰贊.電力系統(tǒng)分析[M].武漢：華中理工大學出版社，2002.

[2]李廣凱，李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學學報，

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[3]李惜玉.基于PSASP的電網(wǎng)潮流與穩(wěn)定性分析的應用[J].電機電器技術，2004，（1）：43-44.

[4]肖友強，楊勁松.低頻振蕩的產(chǎn)生原因分析[J].云南電力技術，

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[6]孫兆恒.探討電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運行問題[J].商品與質(zhì)量·建筑與發(fā)展，2014，（3）：966-966.

[7]經(jīng)財.電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行方法分析及措施[J].中國科技縱橫，

2012，（19）：152，154.

（責任編輯：王意琴）