电力系统稳定器的设计及控制策略仿真

党剑飞，李明明，高小芳，周淑辉

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

（河南省电力公司 驻马店供电公司，驻马店 463000）

0 引言

电力系统稳定器（pps）是一种附加励磁控制技术，其作用是抑制低频振荡。pps在励磁电压调节器中，引入领先于轴的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。它抽取与振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加转矩。根据以上分析可以得到，电力系统稳定器的设计能够增强系统的稳定性，对电力系统稳定性的提高有重要作用。

随着我国电力系统容量和输电距离不断增长，大容量机组更多的采用，电力系统稳定问题不断出现。PSS技术的发展对于改善电压调节的动态品质，提高静态电压调节精度和电网运行的暂态稳定显示明显的优点。21世纪以来各种不同输入信号的电力系统稳定器已在我国几个大型发电厂运行，并经受各种运行的考验。

1 电力系统电气元件的数学模型

电力系统的每一个主要元件的特性都对电力系统稳定产生影响。有关这些特性的知识对于理解和研究电力系统稳定是至关重要的。电力系统稳定及其控制技术与电力系统各电气元件的暂态特性有着非常密切的关系。为了分析电力系统静态稳定，并且进行有效地控制，必须首先研究电力系统电气元件的数学模型。它们包括：同步发电机、水轮发电机、汽轮机、调速器以及励磁系统等模型。

1.1 同步发电机基本模型

影响电力系统动态特性的最主要元件是同步电机。同步发电机在dq0坐标系下的标么瞬时功率和电磁转矩方程分别为：

不考虑轴系分段时，同步发电机组的转子运动方程为：

其中，H—转子惯性常数；Tm—原动机力矩；Te—电磁力矩；TD—阻尼力矩；D一阻尼系数。

1.2 原动机及调速系统基本模型

1.2.1 汽轮机的数学模型

在汽轮机中，调节汽门和第一级喷嘴之间存在管道和空间，当汽门开启和关闭时，进入汽机的蒸汽量虽有改变，但有一定惯性，这就形成原动机出力机械功率的变化要滞后于汽门开度的变化，这一现象称为汽容效应。对于大容量中间再过热机组，由于再热器的存在，汽容效应更加显著。当以阀门开度为输入量，汽轮机总机械功率为输出量时候，中间再过热机组的传递函数可表示为：

其中，TCH、TRH、TCO分别是控制阀室、再过热器和联箱的汽容时间常数，其中以TRH的影响最大，KHP、KIP、KLP分别为高、中、低各级汽缸功率与汽轮机总功率的比。

1.2.2 调速器模型

汽轮机电液调速器的速度测量环节测量机组转速ω和给定值ω0差，功率测量环节测量机组功率P和给定值P0的偏差，偏组合后经PID校正输出至电液转换器，经继动器和油动机输出到汽轮机阀门开度。采用系数为1的硬反馈是为了克服由于继动器和油动机同为积分环节所造成的不稳定现象。其传递函数框图如图1所示。

图1 传递函数框图

2 励磁系统基本模型

励磁系统的种类繁多，但基本上可以分为旋转励磁和静止励磁两类，旋转励磁分为直流励磁机和交流励磁机励磁系统，直流励磁机励磁系统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标准最新推荐的用于系统稳定性研究用的励磁模型为基础。通常，大型电力系统研究不包括励磁电流限制器，考虑到限制器在使用快速动作限制器的自并励静止励磁中作用越来越大，标准提供了瞬时励磁电流限制器的模型，忽略那些在长期动态过程中起作用的，具有延时和反时限特性的保护和控制功能。

图2 美国电力电子工程协会标准IEEEstd.421.2(2005)所推荐的PSS

3 电力系统稳定器设计原理

3.1 国际典型(或标准)的PSS系统

美国电力电子工程协会标准IEEEstd.421.2(2005)所推荐的PSS，如图2所示。

系统中第1输入通道的信号 为机组大轴角频率，第2通道P为功率，这种使用不能混淆，因为在角频率的信号中，可能夹杂有机组的轴系扭振信号，这是一种有极强破坏作用的高频信号，尽管传感器对它能有足够程度的抑制，但还必须经过高频滤波器来对它作最彻底的清除。

3.2 实现功能

电力系统稳定器的主要功能是抑制低频振荡，低频振荡是指个别电机与电网、电网各区段之间及机组之间的三类振荡，表现为机组功率、转速或频率分别产生0.1-1.0Hz，0.1-0.SHz以及1.5-3.0Hz的摆动，PSS接收这些振荡信号并按要求传递至电压调节器，通过电压调节器的自动控制作用，来实现对这些振荡的阻尼。因此0.1-3.0Hz范围内的这些振荡信号是PSS的工作信号，称之为主信号。

主信号频率以外的干扰信号，其中一类是不大于0.01Hz的“直流”及时间漂移信号;另一类是不小于4Hz的高频信号，它包括随机白噪声、主信号中的脉动信号以及轴系扭振信号。为保证励磁控制系统的正常运行及机组安全，PSS必须把它们予以彻底清除，不允许传递至电压调节器。

因此PSS的功能就是把主信号按规定目标传递至励磁控制系统中的电压调节器，以阻尼0.1-3.0Hz范围内机组的三类振荡，并且彻底阻断该频率段范围外的非主信号通过，以保证励磁系统的正常运行及机组安全。

PSS的这种功能决定着其各个组成环节的特性及参数的设定值。

3.3 关键环节

3.3.1 传感器

传感器是一个典型的惯性环节，除了检测并变送主信号外，还对不小于4.0Hz的高频非主信号具有足够程度的抑制作用，使其幅值被限制在主信号幅值的10%范围之内。

3.3.2 高频滤波器

高频滤波器在传感器对高频信号己有足够程度滤波的基础上，如图5中的高频滤波器，对其中最具有破坏作用的轴系扭振信号，进行再一次最彻底地阻断，诚然，它对其他高频信号也具有相应的滤波作用，其频率特性如图3所示。

图3 高频对数辐频渐进曲线

3.3.3 相位补偿器

图中的相位补偿器是一种超前—滞后相位补偿器，其频率特性如图4所示，其中f5=0.1Hz，f6=3.0Hz

3.3.4 冲洗器

冲洗器是为洗净不大于0.01Hz的“直流”非主信号对励磁控制系统正常运行的干扰而设置的，所以有些资料又把它称为“隔直”单元，也有将其称为自动复位器，意味着只有出现大于0.01Hz的信号时，才会使PSS自动“投入”励磁系统，否则它便自动“复位”，使PSS自动“退出”励磁系统，相当于是一只无触点的常开自动开关，在图2中串联了两级，各级的频率特性如图5所示，其中关f7=0.01Hz。

图4 各级相位补偿器特性

图5 各级冲洗器的特性

从上面的分析中可以看出，采用IEEE模型设计的PSS只要参数选择合适，可保证PSS主信号频率的设定范围为0.1- 3.0Hz，PSS接收这些振荡信号并进行一定的相位补偿和增益调整，然后传递至电压调节器，通过电压调节器的自动控制作用来实现对这些振荡的阻尼。

4 系统仿真结果分析及结论

附加CPSS(Δω)时，系统的机端电压、电功率、励磁电压和转速的阶跃响应均为衰减振荡，其中：机端电压振荡过程6秒内平息，振荡7次，最高振幅1.037pu;电功率振荡过程6秒内平息，振荡9次，最高振幅0.79pu;励磁电压振荡过程6秒内平息，振荡7次，最高振幅3.8pu;转速振荡过程5秒内平息，振荡8次，最高振幅l.0005pu。

由以上结果可知，附加CPSS的励磁控制器的阶跃响应的波形振荡在短时间内平息了扰动，使系统更迅速的稳定下来。仿真结果显示出，阶跃响应这样的小扰动事故，CPSS可以比较好地适应系统的变化，提供较理想的阻尼效果。这是传统PSS的励磁系统所不能达到的。

提高电力系统稳定运行是提高系统可靠运行的保证。而低频振荡是影响系统稳定的一个重要方面。重要负荷及快速励磁直接减弱了系统的阻尼。PSS是抑制低频振荡的一个有效方法，其原理是通过附加励磁控制提供所需要的附加阻尼来加以抑制。电力系统稳定器能够更有效的提高系统的稳定性和保持发电机端电压的水平。以单机无限大系统为例作的仿真取得了良好的结果，使电力系统稳定器在较短的时间内使电力系统稳定，并使超调量减小，电力系统的稳定性和动态特性得到了很大的提高，在电力系统控制中有很广阔的应用前景。

[1] 丁峰,赵树强,袁邦亮.基于MATLAB的模糊电力系统稳定器的设计与仿真[M].北京：2003,15-18.

[2] R.Gupta,B.Bandyopadhyay,A.M Kulkarni."power system stabilizer for single-machine system".IEEE Trants.on Proc-Gene,2003,136-140.

[3] 李光奇.电力系统暂态分析[M].北京：中国电力出版社,2007,155-158.