采用PSS提高暂态稳定性的仿真研究
采用PSS提高暂态稳定性的仿真研究
电力系统稳定器（PSS）是现代电力系统中用于抑制低频振荡的关键设备。本文通过在两机系统中进行的单相、两相和三相短路故障仿真，验证了PSS在不同故障情况下的效果。研究结果表明，PSS在单相和两相故障中能有效维持系统暂态稳定，但在三相故障中效果不明显，此时需要与静止无功补偿器（SVC）共同作用以维持系统的暂态稳定。
1. PSS和SVC简介
1.1电力系统稳定器PSS
电力系统稳定器(PSS) 是现代励磁控制系统中的一部分，它的作用主要是抑制电力系统0.1～2.5 Hz的低频振荡。电力系统稳定器的任务是接受这些振荡信号，并按要求传递给励磁电压调节器，通过电压调节器的自动控制作用，为发电机转子之间的相对振荡提供正阻尼，以此实现对振荡的抑制。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。PSS 输入信号可以是转子速度偏差∆ω、加速功率∆p，频率偏差∆f，这些信号组合在一起依然可以作为输入信号。
1.2静止无功补偿器SVC
静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)是一个借助于产生和吸收无功功率来控制无功功率流动的静止的装置，又称为静止补偿器，其静止是相对于发电机、调相机等旋转设备而言的。SVC中基本的无功元件是并联电抗器和并联电容器。电容器可发出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，再配以适当的调节装置，就能够平滑地改变输出(或吸收)无功功率。它区别于传统的并联电容器、电抗器，SVC具有响应速度快、调节平滑和动态跟踪母线无功功率的能力，SVC可以看作是电力系统内除发电机以外的无功电源，也可以看成一种单纯的无功负荷。它可以快速改变系统发出的无功，具有较强的无功调节能力，可为电力系统提供动态无功电源、调节系统电压，当系统电压较低、重负荷时能输出容性无功；当系统电压较高、轻负荷时能输出感性无功，将供电电压补偿到一个合理水平。SVC 通过动态调节无功出力，抑制波动冲击负荷运行时引起的母线电压变化，有利于暂态电压恢复，提高系统电压稳定水平。
2.仿真
在两机系统中采用电力系统稳定器PSS进行系统的稳定控制，并采用SIMULINK/PSB软件进行仿真，验证所设计的控制器能满足电力系统的静态和暂态稳定性。两机系统如下图所示，各元件参数见PSB中各模块的自带参数。
图2.1 两机系统示意图
同步电机采用6阶仿真模型，原动力和励磁系统分别采用Simulink中的HTG和Excition System并采用PSS控制系统。三相短路是电力系统中最危险的故障，算例采用三相短路故障分析，其他短路故障可在模型中改动短路元件参数来运行。
图2.2两机系统模型示意图
如图，一个1000MW的水力发电厂（机器M1）通过一条长700km的500 kV的传输线连接到负荷中心。负荷中心是一个5000MW的电阻性负载模型。这个负载是由远程1000MW的发电厂和一个5000MW本地发电厂（机器M2）供电。该系统已初始化，所以线路可以带接近其浪涌阻抗的950MW负载。每台发电机配置一套涡轮调节系统，它由水轮机和调速器HTG、励磁系统EXCITATION、电力系统稳定器PSS以及发电机测量信号分解器四部分组成。有两种类型的稳定器可以选择：使用加速度功率的一般模型（P_A=机械功率P_M―电功率输出P_eo）和利用速度偏差的多带稳定器(dw)。
图2.3
3.仿真结果
（1）单相短路故障
在1s 时发生单相短路故障，1.1 s 故障切除，由图形可以看出，在PSS的控制下，发电机转子相角差、发电机M1转速以及发电机M1机端电压变化的情况都趋于稳定，系统是暂态稳定的。
（2）两相短路故障
同样，对比两相故障时有无PSS的仿真结果，依然可以得出相同的结论，如下图所示：
由图可知，在无PSS的情况下，1.1s切除故障后，系统开始振荡，且无法抑制，发电机的第一次振荡是稳定的，但后续振荡是负阻尼的，因此系统在第二次振荡时失步。
（3）三相短路故障
三相短路时有无PSS的仿真情况，如图2.4.4所示： 由图可知，三相故障在有无PSS情况下的仿真结果一样，通过观察两台发电机转子相角差曲线，可知在故障发生后两台发电机失步。表明PSS装置对三相短路故障无明显的效果。
由上图及以上分析可知，在某些情况下，单独使用PSS，暂态稳定效果并不明显，此时若将PSS与其他稳定装置共同作用，电力系统暂态稳定性则会大幅提高。
4. 结论
总结本文工作，可得以下结论： (1) 在电力系统中安装PSS可以维持系统的稳定性，系统中发电机组安装的PSS越多，系统振荡稳定下来的时间越短。 (2) 对于单相接地故障和两相接地故障，PSS的投入有助于维持系统的暂态稳定；但对于发生三相接地短路故障的电力系统，PSS不能起到维持系统稳定的作用，此时需要与SVC共同作用以维持系统的暂态稳定。