辅助励磁控制对电力系统稳定性的影响研究

耿福江，辛星志

（1.淄博旭能热电有限公司，山东 淄博 255300；2.胜利石油管理局电力总公司，山东 东营 257000）

辅助励磁控制对电力系统稳定性的影响研究

耿福江1，辛星志2

（1.淄博旭能热电有限公司，山东 淄博 255300；2.胜利石油管理局电力总公司，山东 东营 257000）

在PSCAD环境中建立了PSS辅助励磁控制系统的仿真模型，并针对该系统进行PSCAD仿真验证。通过对比有无PSS辅助励磁控制的情况下，系统励磁电压以及发电机有功功率稳定性在不同扰动中的变化，分析了PSS辅助励磁控制对电力系统稳定性的影响。结果表明PSS对低频振荡有良好的抑制作用，能显著提高系统稳定性。

辅助励磁控制；低频振荡；系统扰动；PSS

0 引言

提高和改善电力系统的稳定性对经济发展、国民生活和国家安全具有十分重要的意义。同步发电机励磁控制是提高电力系统动态质量，保证发电机稳定运行的重要措施。发电机励磁控制的作用是保证发电机出口电压平稳和保证并联的机组无功功率合理的配置。随着对发电机励磁控制要求的提高，不仅要求励磁控制系统能够从整个大局出发提高电力系统的静态稳定性，还要在一定程度上有助于维持系统的暂态稳定性。

研究表明［1-2］，对励磁系统的附加控制能够有效抑制系统中出现的低频振荡和次同步振荡现象，在一定程度上提高系统稳定运行的能力。因此，提高同步发电机励磁控制系统的性能是一项重要研究课题。

1 励磁系统工作原理及构成

电力系统运行过程中，电网电压和无功功率的分配会根据发电机励磁电流的变化而变化。励磁控制的主要作用是维持机端电压恒定，为了保持电网电压的稳定，当系统出现故障情况时，需要发电机励磁系统快速地增加励磁电流。所以，同步发电机励磁的自动控制可以有效提高系统电能质量，保证系统中无功功率的合理分配，对于提高系统稳定运行的安全可靠性具有重要作用［3-4］。

励磁自动控制系统是一个反馈控制系统，由励磁功率单元、励磁调节器和发电机组成。传统的励磁控制系统不需要发电机的精确数学模型，形式较简单，参数容易整定，不过这种控制的动态性能比较差。所以辅助励磁控制应运而生，它引入附加控制量，来改善系统的阻尼特性。附加励磁控制信号可通过多种方法，如以加速功率信号为输入的附加控制系统等。

2 附加励磁控制器（PSS）原理

2.1 PSS抑制低频振荡的原理

低频振荡的产生是因为系统阻尼的减少。低频振荡可以从减少负阻尼和增加正阻尼两个方面降低。 减小负阻尼的措施有衰减动态增益；增加正阻尼的措施包括PSS，线性和非线性最优激励控制，静态补偿器，直流输电控制等。

PSS的本质是提供一种信号，以通过励磁系统增加发电机在电力系统中的阻尼扭矩。PSS通常采用的输入信号有 Δω、Δf或 ΔPe，在此选用 Δω进行说明。PSS通常由放大链路，复位链路，相位补偿链路和限制部分组成。PSS传输功能框如图1所示。图中，K 为比例系数；T1、T2、T均为时间常数；n为相位补偿环节个数；Uref为参考电压；Ut为采样电压。

图1 PSS传递函数

ΔUPSS是由PSS产生的电压信号，超前Δω是φ，之后在励磁调节器、励磁机和发电机作用下，如果ΔUPSS发出的电磁转矩ΔMPSS正好落在Δω轴上，若ΔMPSS足够大，则它与转矩ΔMe2结合，产生新的转矩ΔMe2，新转矩在第一象限里面，产生正的同步转矩和阻尼转矩。可以在一定程度上消除由励磁调节器所引起的振荡。这些可以通过设置PSS装置来实现［5-8］。其向量如图2所示。

图2 PSS向量图

2.2 PSS各环节作用

复位环节。为了使PSS正常运行并提取出有功波动量成分，设置复位的环节。励磁系统的频率特性在低延迟下非常小，有的甚至更高级，出现高频滞后，所以预计在低频下的复位单元是不可预期的，所以T较大的情况下，复位单元尽可能少提前。假设输入信号是Pe，如果T太大，调节电源时太长，不稳定，因而正常情况下PSS输入的信号是△Pe的时候，T的值是2~8 s。

相位补偿环节。超前滞后相的补偿是串联一级或者三级，励磁系统不同，相频特性不同，比如快速的励磁系统滞后相位角一般为 30°~180°（0.1～2.0 Hz），而三机励磁系统的滞后角度会变大，一般两级延时单元的设置就可以满足三级系列的需求，在必要时可以对应进行补偿，以获得频率范围宽的频率特性。 根据不同励磁系统的特点，可以得到PSS的合理补偿时滞。

限幅环节。为了阻止机电模式振荡，谐波激励，功率摆幅和噪声限制，防止达到PSS极限的放大倍率，一般在PSS采用较大的PSS增益余量后临界增益，关键参数增益为 1／5~1／3。

励磁系统。作为额外的励磁控制，PSS在提高电力系统的稳定性这个方面有重要价值作用。具有物理概念清晰，现场调试方便，使用人员易于接受的优点。同时，优于其他辅助励磁控制。最适合实际情况下来使用。因此，PSS被国内外大量使用，并取得良好效益，主要体现在以下几点［1］。

抑制电力系统低频振荡。PSS的研究目的主要是抑制电力系统的低频振荡。当系统中出现低频振荡时，PSS能够使振荡在1~2周期后消失，过冲只有3%。

提高静态稳定的功率极限。采用PSS，励磁控制系统可采用较大的放大倍数，能够有效提高机端电压的调节精度，基本维持端电压恒定。

提高系统暂态稳定性。一般情况下，由于发电机励磁绕组的时间常数较大，而PSS的作用需要通过励磁绕组才能发挥出来，因此，PSS对于第一摇摆的抑制效果很小。在一定频率范围内，PSS是可以为系统提供正阻尼的，因此经过励磁绕组的时间常数延迟即第一摇摆之后，PSS能够起到明显的抑制作用，可使摇摆过程尽快平息。

3 PSCAD仿真验证

在PSCAD环境中，建立了无PSS辅助励磁控制的系统和有PSS附加励磁控制的系统模型，对其进行了PSCAD仿真测试，对比分析系统在不同扰动下，励磁电压以及发电机有功功率稳定性的变化。

3.1 PSCAD／EMTDC

PSCAD是一种用户界面，使用户可以更轻松地使用EMTDC分析电力系统的问题，使复杂工况的电力系统可视化成为可能。该软件可用作前端实时数字模拟器，可模拟任何大小的HVDC系统。其功能包括：可以发现断路器的异常，故障和雷击过电压；可以对复杂的非线性元件（如直流输电设备）进行全三相电力系统的准确仿真；电力系统时域或频域仿真都很有效果；电力系统谐波分析与电力电子仿真；HVDC和FACTS控制器的设计。

3.2 仿真模型

基于如图3所示的单机无穷大系统，建立仿真模型如图4所示。

Xd=2.534，X′d=0.318，XT=0.1，XL=1.46，Td0=10，H＝8，D＝5.0 初始运行条件：Pe=0.5，δ=70°；励磁系统模型参数：Ka=129 Ta=0.02

整定调整后的PSS模型参数如图5所示。

图3 单机无穷大系统

图4 单机无穷大系统仿真模型

图5 调整后的PSS模型参数

3.3 结果分析与验证

无PSS辅助励磁控制时，发电机电压给定阶跃±1%~±5%时，测得的发电机有功功率波动情况如图6所示。在投入PSS情况下，做±1%UFN机端电压阶跃响应获得的曲线如图7所示。

经过图6、图7的对比分析可以发现，当没有PSS辅助控制时，在发生扰动的情况下，系统机端电压受扰动后的稳定时间要比有PSS的情况下有所延长，且有功功率波动较大，系统很大程度上会出现失步现象；投入PSS后，系统稳定性对扰动的抵抗能力已得到改进，系统不再出现失步现象，即系统稳定性得到提高。结果表明，PSS附加控制可以显著提高系统的稳定性。

图6 未投入PSS时的波形

图7 投入PSS时的波形

4 结语

励磁控制系统采用辅助PSS时，相较于没有PSS能够有效提高系统抑制低频振荡的能力，同时采用辅助PSS的电力系统，其动态稳定性和静态稳定性都得到很大提高，有效改善了传统励磁控制系统中仅对电压偏差变量进行比例调节的缺陷。证明了PSS对低频振荡有良好的抑制作用，能显著提高系统稳定性。

［1］李静．同步发电机PSS辅助励磁控制及MATLAB仿真［J］．广西轻工业，2011，27（2）：50-51．

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［3］张伟，余莉，刘玉娟，等．基于MATLAB的同步发电机PSS与励磁系统仿真［J］．计算机与数字工程，2011，39（8）：62-65．

［4］程磊，晁勤，秋向飞．两种电力系统稳定器（PSS）的优化设计仿真［J］．内江科技，2007，28（8）：119，161．

［5］余耀南．动态电力系统［M］．北京：水利电力出版社，1985．

［6］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．

［7］吴雪松，李振然．基于Matlab／simulink的附加励磁控制器的仿真研究［C］∥2003年全国高等学校电力系统及其自动化专业第十九届学术年会论文集上册，2003．

［8］汤伟．基于MATLAB的PSS的参数计算与仿真［D］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2010．

2017-06-26

耿福江（1968），男，工程师，从事热电厂的电气运行与检修等方面的工作；

辛星志（1971），男，工程师，从事输配电线路维护管理，变电站维修试运行等方面的工作。

Research on the Influence of Auxiliary Excitation Control on Power System Stability

GENG Fujiang1，XIN Xingzhi2
（1.Zibo Xuneng Thermomax Co.，Ltd.，Zibo 255300，China；2.Shengli Petroleum Administrative Bureau Electric Power Corporation，Dongying 257000，China）

Simulation model of PSS auxiliary excitation control systems is established using PSCAD followed by simulation study.The situations of weather running the generator with or without the PSS auxiliary excitation control in different disturbances of the system excitation voltage and generator active power are simulated and compared.Based on results，the PSS auxiliary excitation control effect on the stability of power system is analyzed.The results show that the PSS has a good suppression effect on the low frequency oscillation.This control improves the stability of the system.

auxiliary excitation control；low frequency oscillation；system disturbance；power system stabilizer

TM774

B

1007－9904（2017）11－0034－04