基于MATLAB的电力系统稳定器仿真研究

宋海辉，谢云敏

（1. 上海第二工业大学电子与电气工程学院，上海 201209；2. 南昌工程学院，南昌 330029）

基于MATLAB的电力系统稳定器仿真研究

宋海辉1，谢云敏2

（1. 上海第二工业大学电子与电气工程学院，上海 201209；2. 南昌工程学院，南昌 330029）

在介绍基于MATLAB的电力系统稳定器（PSS）仿真方法的基础上，研究了应用MATLAB/Simulink软件建立相应的励磁自动控制系统，并对该系统在采用PSS前后受到小扰动时的情形进行了模拟仿真。仿真结果表明，在发电机按端电压调节励磁的同时如采用PSS，系统受到小扰动后能迅速恢复平衡，从而避免低频振荡现象的产生。

仿真；低频振荡；PSS；励磁系统

0 引言

在现代电力系统中，大型发电机自动电压调节器（AVR）往往会产生负阻尼，尤其在远距离、重负荷的输电线路上或互连系统的弱联络线上将更加严重。这种消极的阻尼可能发生在快速励磁系统或常规励磁系统中，它会破坏电力系统的平衡，并导致电力系统低频振荡[1]。电力系统低频振荡将威胁电力系统的稳定，严重时将导致系统解列。要抑制电力系统低频振荡，必须先找到低频振荡产生的原因，归结起来，低频振荡产生的原因主要有以下几点[2]：

（1）缺乏互联系统机械模式的阻尼而引起低频振荡；

（2）发电机的惯性引起的低频电磁振荡；

（3）过于灵敏的励磁调节引起低频振荡；

（4）电力系统的非线性奇异现象引起低频振荡。

根据电力系统稳定的要求，在电压调节的基础上可以辅助一定的附加控制信号，以达到改善电力系统稳定的目的，PSS就是为提高电力系统动态稳定水平而发展起来的一种附加励磁控制。PSS用于提供一个正的阻尼力矩分量以弥补AVR所产生的负阻尼，从而形成一个有补偿的系统，它增加了阻尼并增强了小信号（静态）稳定，这是由生成一个与转子转速同相的信号并与AVR得出的参考值相加而得到的。再者，由于发电机励磁电流与AVR的功能之间有一种固有的相位滞后，为补偿这种效应，需要有一个相应的相位提前。

1 PSS的功能概述

电力系统稳定器（PSS）是通过附加稳定信号控制励磁以对发电机转子振荡提供阻尼。为了提供阻尼，稳定器必须产生一个与转子速度偏差同相的电气转矩分量[3]。

PSS一般采用转速偏差∆ω，频率偏差∆f，加速功率（Pm-Pe），电磁功率偏差∆Pe中的一个或几个信号作为AVR的附加信号输入，以达到抑制低频振荡的目的。以∆ω为输入信号的PSS使用的是超前网络，超前网络在高频时的放大倍数会增大，所以对发电机扭动振荡极为敏感，使扭动振荡现象更加严重；以∆Pe作为输入信号，检测方便，所需超前角度小，稳定性好，已得到了广泛应用，但存在反调现象。对于风力发电发电机组，由于其机械功率变化速度快，反调影响更大；以加速功率（Pm-Pe）为输入信号，有电功率信号输入的优点，不存在反调问题，但要增加机械功率Pm为输入信号，而该信号的获取不太容易；以∆Pe和∆ω同时为输入信号，它们可以相互补偿，减小反调现象的影响。

2 PSS的数学模型

图1为符合IEC标准的PSS传递函数方框图，PSS由三部分组成：控制器增益，信号滤波和相位补偿，各部分的传递函数如下[4]。

（1）PSS传递函数

式中：KC—— PSS的放大倍数; S—— 微分算子；T——时间；T1——超前时间常数；T2——滞后时间常数。

（2）同步发电机传递函数

式中：S—— 微分算子;0dΤ′—— 励磁绕组时间常数。

（3）励磁控制系统的传递函数

式中：K1～ K6—— 电力系统系统初始运行点有关的系数;0dΤ′—— 励磁绕组时间常数;esT—— 励磁系统时间常数; Ka—— 励磁系统放大倍数。

图1是包括PSS的传递函数框图。图中：PT—— 过剩功率；Pf——反馈功率；TJ——转子惯性时间常数；EF——假想空载电势；UG——端电压。

图1 含PSS的传递函数框图Fig. 1 Transfer function block diagram including PSS

3 仿真研究[5]

3.1 参数设置

（1）发电机参数设置

（2）励磁控制系统参数设置

Te—— 励磁时间常数; Ka—— 励磁系统放大倍数。

（3）线路和负载模型参数设置

（4）初始状态

（5）计算结果

3.2 发电机按端电压调节励磁但不采用PSS时，系统受到小扰动的情况

图2是无PSS的发电机按端电压调节励磁受小扰动时传递函数框图。

图3是系统在受到干扰后的5秒，发电机的端电压、转速和功率点受到干扰后的曲线。

由图3可知，发电机的端电压、转速和功率点未能恢复平衡，系统的稳定性进一步恶化，出现了低频振荡现象。因此，必须采取适当措施，以提高系统的稳定性。

3.3 采用PSS的发电机按端电压调节励磁，系统受到小扰动时的情况

图4是发电机按端电压调节励磁受小扰动时传递函数框图（有PSS）。

图5在系统受到干扰后的5秒，发电机的端电压、转速和功率点曲线。

由图5可知，发电机的端电压、转速和功率可以迅速回复到平衡，实现电力系统的生产标准的安全和稳定，它可以避免低频振荡现象。因此，PSS装置对维持电力系统的稳定是非常重要的。

4 结论

仿真结果表明，在发电机按端电压调节励磁的同时采用PSS，系统受到小扰动，发电机的端电压、转速、功率三个状态量能够迅速恢复到平衡状态，从而达到电力系统安全稳定性生产标准的要求波形，避免了低频振荡现象的产生。由此可见，PSS装置对维护电力系统的稳定性起到了至关重要的作用。

4.1 发电机按端电压调节励磁受小扰动情况

图2 发电机按端电压调节励磁受小扰动时传递函数框图(无PSS)Fig. 2 The transfer function block diagram for generator adjusting excitation on voltage

图3 发电机的端电压、转速和功率点受到干扰后的曲线Fig. 3 The curve of generator terminal voltage, speed and the power point after being disturbed

4.2 发电机按端电压调节励磁且采用PSS受小扰动情况

图4 发电机按端电压调节励磁受小扰动时传递函数框图（有PSS）Fig. 4 The transfer function block diagram for generator adjusting excitation on voltage and PSS

图5 发电机的端电压，发电机的转速和功率点后受到干扰的PSS的曲线Fig. 5 The curve of generator terminal voltage, generator speed and the power point after being disturbed used PSS

[1] Manual. PSS/E brochure[M]. Power Technologies Inc, 2001.

[2] 王铁强, 贺仁睦, 王卫国. 电力系统低频振荡机理的研究[J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(2): 21-25.

[3] 陈刚, 何潜, 段晓, 等. 电力系统低频振荡分析与抑制综述[J]. 南方电网技术, 2010, 4(3): 17-22.

[4] ANDERSON P M. Power System Control and Stability Second Edition (电力系统控制与稳定)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012.

[5] SONG H H. Simulation study for Power System Stabilizer(PSS)[J]. IEEE FCC, 2010, 2: 199-201．

Simulation on Power System Stabilizer Based on MATLAB

SONG Hai-hui1, XIE Yun-min2
( 1.School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. Nanchang Water Resources College, Nanchang 330029, P. R. China )

A MATLAB based on PSS (Power System Stabilizer) simulation method is introduced in this paper. By using the MATLAB/Simulink software, an automatic excitation system is established. The small disturbance process of the system is also studied whether the PSS is used or not. Simulation results are also provided to demonstrate that the low-frequency oscillation can be avoided when the generator excitation voltage adjusting and PSS are both used. The reason is that the system can resume balance quickly from the small disturbance process in this situation.

simulation; low frequency oscillation; power system stabilizer (PSS); exciting system

TM712

A

1001-4543(2012)04-0283-05

2012-09-07;

2012-12-14

宋海辉（1969－），男，江西人，副教授，硕士，主要研究方向为电气工程及风力发电，电子邮箱hhsong@ee.sspu.cn。

上海市教育委员会重点学科建设项目（No. J51801）