电力系统稳定器PSS对发电机功角和转速变化的影响分析

陈丝莹+李冲国+曾富军

摘 要：文章利用电力系统模块库（以下简称SPS）模块搭建了一个单机无穷大系统模型，对单机无穷大系统模型设置在电力系统最严重故障——三相短路的情况下，通过仿真得到在这种情况下发电机功角和转速的变化情况，分析了发电机在加入PSS和没加入PSS的情况下功角和转速的不同变化。

关键词：故障仿真；无穷大系统；功角转速；系统建模

引言

目前，我国已形成大电网、大系统和交直流混联电网[1]，由于高快励磁装置的使用，因而电力系统时常有低频振荡现象[2]，因而电力系统的正常、健康、稳定、安全与持续运行受到威胁。对此，一般采用加装电力系统稳定器（Power System Stabilizer ，PSS）尽量来克服抑制系统低频振荡情况。PSS的原理是励磁电压调节器上的信号，引起一个正阻尼转矩，去抑制原励磁电压调节器的负阻尼转矩，利用这种原理控制低频振荡的情况。研究电力系统稳定器在于加强同步发电机运行的稳定性和抑制电网低频振荡的能力上[3]，但对于安装PSS的同步发电机在大扰动下的稳定性少有研究。本文通过Matlab建立电力系统仿真模型，并对比已安装和未安装PSS的系统在三相接地短路下的稳定情况来证明电力系统稳定器的作用。

1 电力系统稳定器影响分析

电力系统稳定器概述：

电力系统稳定器主要功能就是克服抑制系统的低频振荡现象，而低频振荡导致发电机转子间的相对摇摆，输电线路上表现出来就是功率的波动。而PSS自动接受这些振荡信号，并以励磁电压调节器上的信号，引起一个正阻尼转矩，去抑制原励磁电压调节器的负阻尼转矩，利用这种原理控制低频振荡的情况。

因为PSS采用电压作为控制量，PSS因为有电磁惯性，所以励磁电压在励磁系统中产生滞后它的分量，这种情况会使电力系统阻尼遭到破坏，以及可能发生振荡现象。因此若同步发电机的发生转子角的振荡情况，需要PSS的电压调节器提供的附加量比转子角的振荡角度先前，方才可以产生正向的阻尼转矩，因此抑制振荡。

2 仿真算例

2.1 单机无穷大系统仿真模型

上图1给出的系统中，给出的模块的参数为：

发电机参数：G：600MVA，26kV，功率因数为0.85，汽轮机组，3000rpm，xd=1.6，x'd=0.25，x''d=0.23，xq=，1.5，x'q=0.54，x''q=0.26，xl=0.21，T'd0=8.2s，T'q0=0.03s，H=6.3s，D=0

变压器参数：T：22/242kV，XT=0.16；

线路参数：Z=4+j39.25Ω

2.2 故障时功角和转速的仿真分析

在不同情况的电力系统里，因为励磁控制系统有很多作用，其中一项就是削减电力系统的阻尼，从而造成不同程度的低频振荡。具体原因在上述已经阐述，减小或取消附加励磁电流。在这种情况下，采用PSS消除正阻尼转矩以抵消负阻尼转矩是一个可行的办法。

本次仿真就是对比加入电力系统稳定器（PSS）与不加入时发电机的功角和转速的变化趋势。并在电力系统稳定器PSS模块采用转子角速度变化量作为输入信号。

仿真MATLAB模型[4-5]，仿真设置为三相短路，故障模块发生故障时间设置为5.0s，故障切除时间为5.2s，故障仿真的时间设置为10s。仿真得到的发电机功角与转速的变化情况，分别如图2、图3所示：

仿真结果分析，由图2的功角曲线变化情况可以看出，在5.0s时发生三相短路故障，功角急剧变化，跳动频繁；当5.2s故障切除后，在加入电力系统稳定器PSS的情况下，功角曲线经过大约2s的震荡时间后，恢复到原来的稳定状态；而没有加入电力系统稳定器PSS的情况，功角曲线在5.2s故障切除后，功角下降并发生了震荡现象，功角无法恢复到原来的稳定状态。

由图3的转速曲线变化情况可以看出，在5.0s发生三相短路时，转速迅速上升；当5.2s故障切除时，在加入电力系统稳定器PSS的情况下，转速下降并经过2～4s的震荡时间后恢复到原来的稳态运行时的转速；而没有加入电力系统稳定器PSS的情况，转速在5.0s发生故障时不断地上升，在5.2s故障切除后，转速依然不断地上升，无法恢复到原来的运行状态，逐步与电力系统失去同步运行。

由以上的分析可知，电力系统稳定器PSS的作用是克服抑制系统低频振荡情况。PSS的原理是励磁电压调节器上的信号，引起一个正阻尼转矩，去抑制原励磁电压调节器的负阻尼转矩，利用这种原理控制低频振荡的情况。

3 结束语

发电机的功角和转速进行了仿真，得到三相故障发生时，发电机功角和转速的变化趋势，分析了在励磁系统中加入PSS和不加入PSS情况下功角和转速的变化，得出在加入PSS情况下功角和转速在经過短暂振荡后能恢复到原来的运行状态，而在没有加PSS情况下功角振荡，转速迅速上升并失去同步的结论。

参考文献

[1]孙启云，宋顺一，陈田.提高发电机励磁系统可靠性的几点改进措施[J].电网技术，2002，26（4）：77-80.

[2]倪以信，陈寿孙，张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M].北京：清华大学出版社，2002：287-291.

[3]郭强.电力系统稳定器整定方法的仿真研究[J].华东电力，2009，37（1）：135-137.