基于MATLAB的天生桥二级电站PSS仿真分析

朱建伟

(南方电网调峰调频发电公司天生桥水力发电总厂，贵州 兴义 562400)

1 前言

随着电力系统规模不断扩大，大区之间联网，以及采用高增益的励磁调节器来改善发电机电压精度及系统稳定性，使得低频振荡的现象时有出现，威胁系统的正常运行。目前，电力系统普遍采用在励磁调节器上附加电力系统稳定器(PSS)的附加励磁控制方案，引入功率增量、转子角增量、角速度增量或它们之间组合的反馈作用，能有效地增强发电机励磁系统的阻尼，抑制低频振荡的发生，从而改善电力系统的稳定性。

目前针对PSS的研究，主要集中在参数辨识［1］及参数优化［2］，抑制低频振荡机理分析［3］，及系统的建模和仿真［4］等方面。在众多的电力系统仿真工具中，Matlab中SPS模块以其使用简易和界面友好而被越来越多的电力工作者采用。SPS拥有丰富的电机、负荷、电源、测量及电力驱动的专用元件，其模块化的设计功能和图像化的建模环境给使用者带来极大的便利。本文首先用转矩向量分析法分析了低频振荡产生的机理和PSS对低频振荡的抑制，然后以天生桥二级电站#1机组为例，建立基于Matlab的单机无穷大系统模型，最后通过仿真实验证明PSS对低频振荡的抑制作用。

2 PSS对低频振荡的抑制

De Mello等运用阻尼转矩的概念对单机无穷大系统低频振荡的现象进行了探讨和分析，指出电力系统中产生持续等幅的或者增幅性的低频震荡，其根本原因是由于系统中产生了负阻尼抵消了系统原有的正阻尼，使系统的阻尼变的很小甚至为负值［5］。

2.1 低频振荡产生原因

在同步发电机的数学模型中，δ表示功角，ΔUt表示机端电压偏差，它有两个分量 ΔUt1和 ΔUt2，其中ΔUt1=K5Δδ，K5为比例系数。ΔMS表同步转矩系数，ΔMS表示阻尼转矩系数。当负荷较重时，δ角较大，K5＜0，ΔMS＞0，电压调节器能够增加系统的同步能力。但ΔMD＜0，即电压调节器加入后，总的阻尼转矩系数减小，随着电压放大系数的增加，当总的阻尼转矩系数为负时，阻尼转矩将助长Δδ的上下变化，机组将发性振荡失步。

若系统处于平衡状态，不论什么原因，δ角产生了一个谐波振荡，用相量Δδ表示，振荡情况下的转矩相量如图1(a)所示。此时设K5＜0，则与K5成正比的电压偏差中的第一个分量ΔUt1与Δδ反向。励磁调节器按－ΔUt1调节，它的输出为ΔEfd，它与－ΔUt1间相角差很小，因为调节器的惯性很小。ΔEfd再输入励磁绕组，它的输出为 ΔMe2，在振荡过程中，从 － ΔUt1到 ΔMe2的滞后相当于一个0°～90°的相位角。

图1 PSS抑制低频振荡转矩向量图

2.2 PSS相位补偿分析

如图1(b)所示，电压调节器产生的附加转矩ΔMe2落后转子角振荡Δδ的相位为φx，如果能产生一个足够大的纯粹的正阻尼转矩ΔMp，则ΔMp与ΔMe2的合成转矩就位于第一象限，而它的两个分量——同步及阻尼转矩都是正的。上述正阻尼转矩ΔMp，是在电压调节器参考点输入一个附加信号Δus来产生的，因为它的输入点与ΔUt1的输入点事实上是同一点，所以要使Δus产生纯粹的正阻尼转矩(相位上与转速同方向)，Δus的相位必须超前Δω轴φx角，这样输入电压调节器后，经过电压调节器及励磁系统的滞后，刚好可以产生纯粹的正阻尼转矩。附加信号Δus即为PSS的输出，上述过程就是PSS相位补偿的原理分析。

3 基于MATLAB的PSS建模

3.1 励磁调节模块分析

天生桥二级电站#1机组励磁调节器是ABB Unitrol－5000型微机励磁调节器。该励磁调节器为双通道励磁调节器，控制方式采用的是PID+PSS控制。电压调节器的数学模型如图2所示，经滤波后机端电压输出与PSS的输出信号UST叠加后作为电压调节的输入。电压调节器包括两级超前滞后环节和稳态增益KR，最后一级滤波环节是门控单元和整流桥的简化数学模型。

图2 电压调节器数学模型

PSS数学模型如图3所示，包括机械功率计算、陷波器、加速功率计算、相位和增益补偿四个环节。PSS的输入信号为V1和V2。V1表示转子角频率的变化量，V2表示机组的电功率。V1和V2首先经过两级隔直环节后滤出稳态值，得到相应的变化量。电功率信号经两级隔直和一级滤波后得到其变化量的积分。机械功率的积分来自于V1和V2两路信号的合成，Ks3用于微调。陷波器用于滤掉有害的高频分量，比如轴系扭振。加速功率的积分来自于机械功率的积分与电功率积分的差值。最后，两级超前滞后环节和放大单元Ks1用于相位补偿和增益补偿。

图3 PSS数学模型

3.2 基于MATLAB的PSS仿真系统

利用Matlab/Simulink功能建立单机无穷大系统如图4所示，基中AVR与PSS模块是对上述励磁调节器和电力系统稳定器的封装。

图4 PSS仿真系统

单机无穷大系统建模需要matlab/simulink如下模块:

(1)SimPowerSystems工具箱

①Electrical Sources中的Three－Phase Source(三相电源)模块;

②Elements中的 Three－Phase Series RLC Load(三相串联RLC负载)模块，Three－Phase Breaker(三相断路器)模块，Three－Phase Fault(三相故障整流器)模块，Three－Phase Transformer(Two Windings)(三相变压器绕组)模块;

③Machines里Synchronous Machine pu Standad(标么标准同步电机)模块，Machines Measurement Demux(电机复合测量)模块;

④powergui模块。

(2)Simulink常用工具箱

①Commonly Used Blocks(常用模块)中的Constant(常量)模块，Ground模块(直流)，Scope(显示器)模块;

②Signal Routing(信号路由)模块库下的Manual Switch(手动开关)模块。

4 仿真实验与结果分析

4.1 仿真实验参数

同步发电机参数:Pn=245MVA Vn=18kV Xd=1.305p.u.Xd'=0.296p.u.Xd″=0.252p.u.Xq=0.474p.u.Xq″=0.243 p.u.Xl=0.18 p.u.Tdo'=4.7s Tdo″=0.0681s Tq″=0.0513s

励磁调节器参数:Tr=0.02s TB1=5s TB2=0.08 TC1=1s TC2=0.08s

PSS参数:TW1=2s TW2=2s TW3=2s TW4=0 Ks1=10p.u.Ks2=0.143p.u.Ks1=10p.u.Ks2=0.143p.u.Ks3=1p.u.T1=0.2s T2=0.04 T3=0.44 T4=0.12 T7=2 T8=0.2 T9=0.1

M=5 N=1 USTmax=0.1p.u.USTmin=－0.1p.u.

4.2 相位补偿试验

相位补偿实验利用matlab软件中Linearization Task功能得到相频特性曲线。由上文分析，励磁系统引入PSS后产生的合成电磁转距在0.1～2.0Hz的范围内滞后加速转矩约60°～120°。PSS补偿前和PSS补偿后系统的相频特性如图5所示，除了0.1Hz滞后－57.8，1.4Hz滞后 －134.7，在 0.1 ～2.0Hz的频率范围内，有补偿相频特性在－60～－120之间，由PSS产生的电磁力矩的阻尼分量为正，PSS相位补偿基本满足要求。

图5 PSS补偿相频特性

4.3 小扰动实验

如图4所示的系统仿真模型分别进行在小扰动下未加和加上PSS的仿真实验。15s时在机端参考电压Uref输入阶跃扰动(2%)，25s时线路模拟三相短路故障，0.02s后故障切除。实验结果如图6所示，未加入PSS的阶跃扰动电功率Pe在20s处停止波动，加入PSS后电功率Pe在17s处停止波动。未加入PSS的三相短路故障电功率Pe在32s处停止波动，加入PSS后在37s处停止波动。通过对比可看出PSS对小扰动有较好的抑制作用。

图6 小扰动实验Pe时域图

5 结束语

本文利用转矩向量分析法分析了低频振荡产生的原因，PSS对低频振荡抑制的机理。对天生桥二级电站#1机组励磁调节器模块数学模型进行介绍，借助Matalb软件建立了PSS分析模型，并进行实验分析，结果表明，PSS对系统的低频振荡有较好的抑制作用。本文的工作有助于增进对PSS抑制低频振荡的理解，为励磁调节系统分析提供了一个很好的仿真平台。然而，电力系统是一个复杂的系统，本文在建模分析时并没有考虑到天生桥二级电站多机组的影响，利用Matlab平台搭建全厂PSS仿真系统是下一阶段工作的重点。

［1］杨梅，李志军，刘艳萍，等.基于Matlab电力系统稳定器整定［J］.电力自动化设备，2004，24(5):51 －54.

［2］吴峰，陈维荣，李奇，等.基于粒子群优化算法的PSS参数优化［J］.电力系统保护与控制，2009，37(10):53 －58.

［3］韩慧云，黄梅.电力系统低频振荡与PSS分析［J］.华北电力技术，2005，7:1 －3.

［4］袁红斌，张元波，崔国有.浅谈电力系统低频振荡［J］.东北电力大学学报，2009，29(2):45 －51.

［5］刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制［M］.北京:中国电力出版社，2007.