基于Simulink的电力系统稳定器(PSS)应用仿真

余洋

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

在电力系统中，提高和维持同步发电机运行的稳定性，是保障电力系统安全经济运行的前提条件。发电机励磁系统是发电机进行电压调控和稳定运行的重要部分，对其运行的可靠性和稳定性有着直接影响。常规励磁调节器一般采用PID控制方式，控制简单且易于实现，得到了非常广泛的应用。但是由于它提供的超前相位的频率与低频振荡的频率不一定相同，因而它为电压信号所设计的超前相位不一定满足补偿负阻尼所需的相位[1-3]。

电力系统稳定器（PSS）是一种有效的附加励磁控制，主要应用于干扰之后的系统功率振荡，通过采集发电机参数组成反馈作用于励磁系统，在系统短路故障瞬间的暂态过程中可以加快发电机端电压的恢复，有助于平稳各发电机参数的暂态振荡。PSS主要应用于干扰之后的系统功率振荡，具有极高的应用价值。

本文利用Matlab/Simulink仿真研究了不同输入形式的PSS稳定电力系统的作用。仿真对比了无穷大系统中处于同样工况的发电机在加装不同PSS的条件下对于不同类型故障的响应情况。仿真结果表明，安装了PSS的同步发电机在系统故障扰动下的稳定性得到明显提升，并且双输入的PSS的功能强于单输入PSS。

1 励磁系统原理及模型建立

1.1 励磁系统原理

励磁系统是现代同步发电机的重要组成部分，其主要任务就是通过采集发电机机端电压信息，反馈到励磁作用中，实现了对于发电机端电压的控制电压控制、合理分配，以提高同步发电机运行的稳定性。励磁调节器一般由2个部分组成：励磁主电路和励磁调节器。前者是由励磁电源、主整流器、灭磁电路以及过流过电压保护电路组成。后者根据发电机的运行状态自动调节励磁电流以满足发电机的运行要求，主要包括测量比较、综合放大、移相触发3部分，见图1。

图1 励磁系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the excitation system

在Simulink软件中提供了励磁系统模块，可以输入参数直接应用。其框图如图2所示。图中4个输入端口，Vref是参考电压；Vd、Vq分别是输出电压的直轴和交轴分量，Vstab为电力系统稳定器输入端口。

图2 Simulink中励磁系统模块框图Fig.2 Block diagram of the excitation system in Simulink

1.2 电力系统稳定器PSS原理

电力系统稳定器PSS一般由测量环节、超前—滞后环节和隔直环节构成。其中，测量环节用于信号的测量和滤波，信号采集环节由传感器来完成，它将PSS的工作主频（0.1~3 Hz）范围内的信号传进PSS；超前—滞后环节用于相位的补偿；隔直环节的作用是当信号的变化达到稳态时，PSS的输出为0[4]。PSS在电压调节器（AVR）或其他形式的调节基础上，通过采集与低频振荡有关的发电机输出量，如有功功率、转速或频率，加以处理，产生附加信号加到励磁调节器中。这些引入的附加反馈ΔP（Δf或Δ∞）能够使发电机产生对功率（或转速）中的低频振荡分量的阻尼力矩，迅速抑制低频振荡。

图3 一种双输入PSS结构框图Fig.3 Block diagram of a bi-input PSS

因此，由于引入反馈量的类型与个数不同，不同种类的PSS的工作性能之间存在着差异。单一的以ΔP，或Δω作为输入信号都存在不足之处，而Δ∞和△只同时为输入信号，它们可以相互补偿，减小反调现象的影响[4]。图3是一种较为典型的双输入PSS的结构图。本文重点在于通过仿真分析基于ΔP和Δω 2个反馈量的双输入PSS和只引入ΔP的单输入PSS相比于没有PSS情况下工作性能差异。

2 应用Simulink进行仿真实验

Matlab提供的Simulink工具箱是一个针对电力系统仿真软件平台，在这一平台上可以完成诸多方面的电力系统数字仿真。为了保证问题研究具有普遍性，在研究励磁系统仿真模型时，通常采用典型的电力系统，即单机无穷大系统来进行[5]。在Matlab软件中以Simulink搭建此仿真模型，该仿真系统包括同步发电机模块、PSS模块、励磁调节器模块、升压变压器模块、三相短路模块、无穷大系统模块、断路器模块和线路阻抗模块。

在图4中，同步发电机输出的电能经升压变压器与无穷大电源并网，并通过接入三相短路刀闸模拟电力系统短路故障，通过在原动机输入端叠加阶跃函数表示原动机扰动。同步发电机模型输出三相电以及发电机参数。通过电机参数分离模块获取的发电机参数，变换后输入给励磁调节器以及PSS。经励磁调节器和PSS调节后的电压相加后又送到发电机的励磁端口[6-9]。

电路各模块的参数如下。

发电机参数：P等于 200 MV·A；Un等于13 800 V；f等于 50；Xd等于 1.305；Xd′等于 0.308；Xd″等于 0.273；Xq等于 0.465；Xq″等于 0.251；Xl等于0.22。

电网参数：变压器变比为23.8/210；电网电压为200 kV。

图4 仿真电路图Fig.4 Circuit simulation diagram

励磁系统参数：Tr为 0.002；Ka为 100；Ta为0.01；Kf为 0.01；Tf为 0.1；限幅幅值为 11.5。

PSS 参数:T1为 5；T2为 0.181；T3为 0.087；T4为0.02；T5为 1。

2.1 三相接地短路

短路故障是电力系统中最为常见的暂时性故障，其中以三相接地短路带给电网的冲击最大，因此，研究这种工况下的系统稳定性对研究电力系统的暂态稳定性意义重大。由于在正常情况下，当出现短路时，一般线路继电保护设备在0.1 s的时间内已经完全能够正确动作[10-13]，因此仿真其重合闸时间一般为0.1 s，故设短路模块的接地时间是25~25.1 s。

试验分别在不加PSS，加入基于ΔP的单输入PSS和基于Δω与ΔP的双输入PSS 3种情况下进行。图5~7为3种情况下发电机转子转速ω随时间的变化情况，图8~10为3种情况下发电机输出功率随时间的变化情况。

2.2 原动机扰动

图5 三相接地，不加PSS的转子角速度波形Fig.5 Waveform of ω without PSS in 3-phase fault

图6 三相接地，加单输入PSS的转子角速度波形Fig.6 Waveform of ω with single-input PSS in 3-phase fault

发电机的原动机转矩变化会影响电力系统的运行状态，当发电机满载运行时（P=1）时，起励25 s后在原动机输出功率上叠加一个5%的阶跃量用以模拟原动机状态的变化，此时得到同步发电机起励运行的机端电压波形如图11~12所示。观察波形可以看出，不加PSS时，受到扰动波动幅值大，20个周波后仍有振荡，而使用AVR+PSS控制时，其扰动波动幅值小，大约在12个周波后趋于稳定，说明PSS对扰动有很好抑制作用。

图7 三相接地，加双输入PSS的转子角速度波形Fig.7 Waveform of ω with bi-input PSS in 3-phase fault

图8 三相接地，不加PSS的发电机输出功率波形Fig.8 Waveform of P without PSS in 3-phase fault

图9 三相接地，加单输入PSS的发电机输出功率波形Fig.9 Waveform of P with single-input PSS in 3-phase fault

图10 三相接地，加双输入的PSS的输出功率波形Fig.10 Waveform of P with bi-input PSS in 3-phase fault

图11 原动机加阶跃，不加PSS发电机输出功率波形Fig.11 Waveform of P without PSS when mover steps

图12 原动机加阶跃，加双输入PSS发电机输出功率波形Fig.12 Waveform of P with bi-input PSS when mover steps

3 结果分析

通过软件仿真结果对比发电机在不加PSS，加单输入PSS和加双输入PSS 3种情况在电网故障状态后的参数变化，可以得到PSS对于提高电力系统稳定性的作用，其主要体现在以下方面。

3.1 抑制低频振荡

由于PSS是专门为抑制低频振荡而设置的，其效果是明显的。对比仿真结果，不论是开机后的启动振荡，还是在系统发生故障的暂态振荡，投入PSS后发电机的参数振荡平息速度大大快于不加PSS的情况，提高了电力系统故障后的稳定性。

3.2 提高电力系统暂态稳定性

PSS对于暂态稳定的影响主要可以分成2个方面：一是对于大扰动后第一摆的影响；二是对第一摆后的后续振荡的影响。对比仿真结果，PSS对于第一摆的影响不明显，因为PSS主要通过发电机的励磁绕组起作用，而发电机的励磁绕组的时间常数较大。由于PSS能够在一定频率范围内提供正阻尼，因此，它对后续振荡有明显的抑制作用，可以降低振荡幅值，缩短暂态过程。

由于ω附加阻尼力矩，双输入的PSS波动幅值均小于单输入PSS，因此，基于Δω和ΔP的双输入PSS有着比ΔP的单输入PSS更好的稳定功能。

4 结语

当系统受到不同类型的干扰后，传统的AVR励磁控制系统虽然能一定程度上保证系统重新回到稳定运行点，但收敛时间相对较长，波动幅度较大。含有PSS的励磁控制系统具有较好的控制特性，而且PSS采取的反馈量越多，则控制力度越强，系统的稳定性就越好。

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