李 昂，蒋 燕 ，易 璋

（1.陕西理工学院 电气工程学院，陕西 汉中723003；2.汉中变压器有限责任公司，陕西 汉中723000；3.国网陕西省电力公司 汉中供电公司，陕西 汉中 723000）

大扰动下低频振荡抑制及暂态稳定性研究

李 昂1，蒋 燕2，易 璋3

（1.陕西理工学院 电气工程学院，陕西 汉中723003；2.汉中变压器有限责任公司，陕西 汉中723000；3.国网陕西省电力公司 汉中供电公司，陕西 汉中 723000）

文中介绍了电力系统附加励磁控制—电力系统稳定器（PSS）的工作原理及其数学模型。通过建立典型单机—无穷大系统的仿真模型，模拟了系统在大扰动下暂态过程的运行特性。仿真结果表明PSS不但能够有效地提高系统的阻尼作用，而且可以改善发电机的运行特性，提高电力系统的动态及暂态稳定性。

电力系统稳定器；单机—无穷大系统；低频振荡；暂态稳定性

大容量电力系统的互联，增加了运行机组间功率振荡的潜在可能性。功率振荡频率在0.2～3 Hz之间，称为低频振荡。振荡时，机组间功角相对摆动，造成功率在电网上来回传输，影响系统正常运行。更严重情况是，当摆动幅度过大时会使系统失步[1]。

低频振荡的产生是因为系统阻尼减小，那么抑制低频振荡的手段就是减小负阻尼或增加正阻尼。电力系统稳定器PSS（Power System Stabilizer）正是通过增加正阻尼来抑制低频振荡的。PSS可以有效地加强电力系统的阻尼，改善电力系统的静态稳定和动态稳定，已为大量的计算分析和运行经验所证明[2]。

本文通过对典型单机—无穷大系统三相短路过程的仿真分析，论证了设计良好的PSS在提高电力系统动态稳定的同时，还能够改善电力系统的暂态稳定性。

1 电力系统低频振荡产生机理

1.1 单机—无穷大系统模型

单机—无穷大系统的低频振荡机理分析，是分析多机系统低频振荡的基础，它的结论可以推广到多机系统[3]。

发电机采用三阶实用模型，励磁系统动态用一阶惯性环节表示时，发电机及励磁系统数学模型如下：

将上式在运行点线性化后可以得到单机无穷大系统的传递函数框图。这就是电力系统小扰动分析中著名的Phillips—Heffrom模型[4]。

式中：Xe、Uc分别为发电机与系统间联系电抗、系统母线电压，其余为发电机参数和运行变量。可见，参数K1～K6的值反映了发电机运行及与电网联系工况（其中K3与运行工况无关），显然运行工况和电网参数将影响K1～K6的值。

1.2 低频振荡机理

由上可知功率偏差量（或功率增量）为：

若忽略电枢反应，即令 K4= 0 ，则上式可写成：

由此可见，常规励磁系统Ke越大，其负阻尼值越大，振荡越严重；励磁系统Te增大，负阻尼可减小，从而使振荡减弱。但Te不能太大，否则振荡时间会延长，不利于系统的稳定。

可以看出，当Ke大于一定值后，再继续增大，其分母增大的速度较分子快，即负阻尼在Ke较小时，随Ke的增大而增加，到达某一值后，Ke再增大会使负阻尼减小。因此快速励磁系统在AVR的增益很大时也能稳定运行。

2 PSS对低频振荡抑制原理分析

若使Gpss（s）的超前相位Φpss恰好等于式（1）分母的相位Φ3，则：

3 PSS暂态稳定仿真分析

如图1所示为单机—无穷大系统的仿真模型，这是一个包含完整AVR+PSS励磁控制系统的Simulink仿真模型。仿真模拟同步发电机在大扰动（三相短路）下的暂态过程。

暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来运行方式的能力。励磁系统如果要对电力系统暂态稳定产生明显作用，必须具备两个条件：一是具有快速响应特性，二是具有高强励倍数，这是因为当电力系统中发生短路故障时，由于控制输入机械功率的常规调速系统的动作太慢，主要靠快速继电保护切除故障，而故障切除以后，快速励磁和强行励磁可以增大发电机电势，因而增大输出的电磁功率，增大了制动面积，防止发电机摇摆角过度增大，以利于暂态稳定性的提高[7]。

故障设置由断路器完成，1 s时线路出口处发生三相短路故障，1.06 s时故障切除。图2为发电机功角的仿真波形，图3为发电机转速的仿真波形。

对于三相短路这样非常严重的故障形式，未投入PSS时，尽管采用了快速切除故障的措施，系统仍然失去了稳定性；而采用PSS有效地增加系统的阻尼，使系统迅速趋向稳定。PSS的作用使得发电机产生了附加电磁功率，该附加功率增强了系统的阻尼，使第一次功角振荡回摆的幅度明显减小，明显改善了发电机的运行特性。

4 结 论

励磁控制系统为复杂的高阶、非线性、多变量系统，同时发电机的运动学特性复杂，电网的稳定模型也不容易描述。本文通过对单机—无穷大系统三相短路暂态过程的仿真，分析了励磁控制系统对电力系统稳定性的影响。从仿真结果可以看出，电力系统稳定器PSS可以提供足够的正阻尼，有效克服AVR的负阻尼作用，改善发电机的运行特性，提高系统动态及暂态稳定性，为电力系统的运行与安全稳定分析提供了理论参考。目前基于大功率电力电子全控器件（如IGBT、

IGCT、GTO等）整流的新型励磁系统是研究的热点，这种励磁系统不仅可以通过直流励磁为系统提供阻尼，还可以充分利用全控器件构成的整流桥的交流侧直接向同步发电机端送出和吸收无功的特点，实现其与同步发电机直流励磁的协调控制，为同步发电机和电力系统提供更快控制和更多阻尼[8]。

图1 单机—无穷大系统仿真模型Fig.1 Simulation model diagram of the single machine-in fi nite bus power system

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图2 发电机功角的波形Fig.2 Power angle waves of the generator

图3 发电机转速的波形Fig.3 Rotor speed waves of the generator

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Low frequency oscillation suppression and transient stability study of power system under great disturbance

LI Ang1，JIANG Yan2，YI Zhang3
（1.School of Electrical Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003，China；2.Shaanxi Hanzhong Transformer Co.，Ltd， Hanzhong 723000，China；3.Hanzhong Power Supply Company， State Grid Shaanxi Electric Power Company， Hanzhong 723000，China）

This paper introduces the working principle and the mathematical model of additional power system excitation control—Power System Stabilizer（PSS）.Through the establishment of a typical single machine-infinite bus system simulation model， simulates the synchronous generator's transient operating characteristics under large disturbances.Simulation results show that the PSS can not only effectively increase the system damping， but also can improve operational characteristics of the generator， considerably enhance power system dynamic and transient stability.

power system stabilizer；single machine-infinite bus system；low frequency oscillation；transient stability

TN75

A

1674-6236（2014）14-0055-04

2013-10-22 稿件编号：201310139

李 昂（1971—），男，陕西汉中人，硕士，副教授。研究方向：电气工程及其自动化。