基于PSASP的单机无穷大系统稳定性应用分析

李惜玉 杜嘉明 许浩森

摘要：讲述了电力系统的概念，简单介绍了点电力系统失稳的严重影响，在PSASP上运用控制变量法对算例进行仿真试验，最后通过对比分析电力系统稳定器和调压器两种措施对电力系统稳定的效果。

关键词：稳定性;PSASP仿真;AVR;PSS

中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0212-02

电力系统稳定性的研究一直是电力学者研究的重点课题。随着电力系统的发展和扩大，输电距离和输电容量也大大增加。电力系统稳定性的破坏，有可能引发极为严重的后果。因此，提高电力系统运行的稳定性，对电力系统安全可靠运行，具有非常重要的作用。[1]本文仿真研究的软件是中国电科院所开发的PSASP软件。PSASP分三层，第一层是公用数据和模型的资源库;第二层是基于资源库的程序数据包;第三层是计算结果库和分析工具。可以进行电力系统常见的潮流计算、短路计算、暂态稳定计算等。[2]

一、电力系统稳定的概念

1.大干扰稳定（暂态稳定）

在我国制定的《电力系统安全稳定导则》中，定义“暂态稳定性是指电力系统受到大干扰后，各同步机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行的能力”。电力系统暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行方式的能力。电力系统受到大干扰后是否能继续保持稳定运行的主要标志：一是各机组之间的相对摇摆是否逐步衰减;二是局部地区的电压是否崩溃。[3]

2.电力系统稳定器（PSS）

一种为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，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。用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。

电网发生低频振荡的原因：负荷过重、远距离输送电能;高放大倍数的励磁系统。[4，5]

3.调压器（AVR）

AVR调节器能自动适应系统工况的变动而择优整定其参数，从而调节系统电压，使电压保持在一定的允许范围内，使系统稳定性提高。

二、电力系统失稳的影响

现代电网的四个安全稳定问题是：大电网瓦解、稳定破坏、电压崩溃事故、频率崩溃事故。由于现代社会与电能的关系已经密不可分，电已经渗透到社会活动与人民生活的各个部分，因此，电网事故导致用户的停电，在经济上、政治上的影响是十分巨大的。据IEEE估计，每少供1kWh电所造成的损失为0.33～15美元，造成的经济损失是实际店家的几十倍。正因为如此，我国电力部门将“电网瓦解”“大面积停电”列入七种必须杜绝的重大事故中。[6，7]

三、电网潮流计算和暂态稳定仿真

1.参数设置

电力系统如图1所示，该系统由五个网络节点、两台同步发电机、三段输电线路、三组负荷和补偿装置组成。其中S1为PV节点，在此作为单台发电机;S2、S3、S5为PQ节点;无穷大系统S4为平衡节点。发电机、变压器、交流线参数如下：

发电机：1）10kv发电机：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）无穷大系统：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。变压器：1）10.5kv变压器：k=1.05，X=0.015。2）525kv变压器：k=1.05，X=0.015。交流线：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.仿真设置

首先，打开PSASP7.0。在菜单栏中选择：“文件”>“新建工程”中建立新的工程文件。建立好工程文件后，会弹出新建单线图的对话框。建立好单线图文件后，我们可以在右侧发现单线图的快捷工具栏。里面有发电机、变压器等的模型，逐个拖出相关的电力设备模型原件。接着，如图1建立电网模型，并且用给出的参数设置对应的模型。完成搭建单线图后要在单线图的“工程管理栏”>“厂站”建立厂站表。

3.仿真步骤以及结果

首先定义方案。定义好方案后，就可以进行各种仿真。

（1）潮流仿真部分。潮流计算详细实验步骤：1）在功能控制模块中选中“潮流计算”模块。2）在右侧的工具栏里面选择“作业定义”。可以设置收敛条件，迭代次数，迭代方法等。在这里，选择Newton（power equation），迭代次数上限选50。3）按“潮流计算”按钮，计算出潮流结果。4）报表输出潮流结果。按“报表输出”，勾选“物理母线”，此处可以输出各个母线的电压、相角，也可以输出发电机、变压器等其他各种电力元件的潮流，也可以設置标幺值、有名值等。潮流结果如表1所示：

表1 潮流计算结果

物理母线

单位：p.u.

母线名称 电压幅值 电压相角

1 1.05 -5.8717

2 1.0438 -8.3426

3 0.99736 -7.5867

4 1.05 0

5 0.96146 -22.1001

从表1可知，潮流结果分析：该单机无穷大系统在正常运行的时候，电网各处的电压均在正常范围（0.95-1.15p.u.），电网各处潮流分布合理，电能的供求平衡。

（2）暂态稳定部分。暂态稳定计算详细实验步骤如下：1）在功能控制模块中选中“暂态稳定”模块。2）在右侧的工具栏里面选择“作业定义”。可以设置故障类型、故障时间、仿真时间等。本文需要的是功角信息，因此，还要在“输出信息”里面选择“发电机功角”，选择发电机对无穷大系统的功角。3）在右侧的工具栏里面按“启动”按钮，计算出暂态稳定结果。4）在报表输出可以选择输出自己需要的信息。本文需要的是功角信息，所以在“报表输出”点击“编辑方式”，点击“增加”，最后按“输出”，即可看到功角图的输出。

基于上述潮流结果，对图1的电力系统进行暂态稳定性分析。在交流线AC_35的50%处加入三相短路故障，短路时间为0.3-0.7s，各次实验结果的功角曲线分别是：

作业1：不加入AVR和PSS，仿真结果如图2所示。作业2：加入常规AVR，不加入PSS，仿真结果如图3所示。作业3：加入高放大倍数AVR，不加入PSS。作业4：加入高放大倍数AVR，加入PSS。作业3、作业4的最终结果一致，仿真结果如图4所示。作业5：加入中等放大倍数AVR，加入PSS，仿真结果如图5所示。

四、对比分析

第一，作业1（不加入AVR和PSS）与作业2（加入常规AVR，不加入PSS）对比，系统受到大干扰后机组功角随时间摇摆，但振幅呈现的是逐渐衰减的状态，最终稳定在原来的状态，电压也可以回到故障前的水平。可以发现：加入常规AVR后，电力系统受到扰动之后的振荡幅度有所减小，但是因为没有加入PSS和阻尼大小的原因，作业1与作业2振荡所持续的时间都比较长。可见加入AVR对系统稳定有利。

第二，作业2（加入常规AVR，不加入PSS）与作业3（加入高放大倍数AVR，不加入PSS）对比，可以发现：对比于常规放大倍数的AVR，高放大倍数的AVR可以使得受到扰动的电力系统振荡幅度明显减小，振荡次数也减少。得出的结论是：加入高放大倍数的AVR更有利于受扰动系统的稳定。

第三，通过作业3、作业4与作业5（加入中等放大倍数AVR，加入PSS）对比，可以发现作业3、作业4两者可以说是完全重合，即当AVR的放大倍数达到一定程度大小的时候，PSS对系统作用比较小。作业5为放大倍数适中的AVR，通过作业4与作业5的对比，可以发现AVR越大，越有利于系统的稳定。

五、结论

AVR和PSS的引入有利于电力系统的稳定。AVR的放大倍数越大，越有利于系统的稳定。高放大倍数的AVR可以明显减小系统振荡持续的时间。当故障使得系统发生振荡的时候，PSS的加入可以明显减小振荡所持续的时间。AVR放大倍数到达一定程度的时候，PSS作用不明显。

参考文献：

[1]何仰赞.电力系统分析[M].武汉：华中理工大学出版社，2002.

[2]李广凯，李庚银.电力系统仿真软件综述[J].电气电子教学学报，

2005，27（3）：61-65.

[3]李惜玉.基于PSASP的电网潮流与稳定性分析的应用[J].电机电器技术，2004，（1）：43-44.

[4]肖友强，杨劲松.低频振荡的产生原因分析[J].云南电力技术，

2006，34（5）：18-21.

[5]郭袅，冯小玲，郭栋，等.互联电网低频振荡产生的机理及其抑制措施[J].广西大学学报（自然科学版），2005，30（Z1）：81-83.

[6]孙兆恒.探讨電力系统安全与稳定运行问题[J].商品与质量·建筑与发展，2014，（3）：966-966.

[7]经财.电力系统稳定运行方法分析及措施[J].中国科技纵横，

2012，（19）：152，154.

（责任编辑：王意琴）