1、科學技術學院SCIENCE & TECHNOLOGY COLLEGE OF NANCHANG UNIVERSITY專業綜合實驗與設計TASK PLAN FOR INTEGRATED EXPERIMENT AND DESIGN題 目： PSS與SVC對系統暫態穩定性的影響 學科部、系： 專業班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起訖日期： 題目：PSS與SVC對系統暫態穩定性的影響摘 要在Matlab/Simulink中進行系統建模仿真，通過在輸電線路首端設置短路故障點，模擬單相接地短路故障、兩相接地短路故障以及三相接地短路故障時， PSS和SVC對該系統暫態穩定性的影響。要求得出相

2、應的仿真波形，并且做出詳細的仿真分析。PSS投入后對轉子角偏移量、發電機轉速、發電機端電壓的波形的影響。SVC安裝后對各母線電壓、線路輸送功率、SVC母線電壓、SVC補償的無功功率的波形的影響。SVC安裝位置的不同對系統暫態穩定性的影響。關鍵詞：Matlab/Simulink ,建模仿真,系統暫態穩定性，PSS ,SVC,仿真波形分析目錄第一章 課程設計的任務與要求11.1 原始數據11.2 課程設計要求1第二章 PSS和SVC簡介22.1 電力系統穩定器PSS 22.2 靜止無功補償器SVC 42.2.1晶閘管投切電容器（TSC）型靜止無功補償器52.2.2 晶閘管控制電抗器（TCR）型靜止

3、無功補償器52.2.3 TSC+TCR型靜止無功補償器62.3 SVC裝置的工作原理 7第三章 短路故障時PSS和SVC對系統暫態穩定性的影響 103.1 PSS對系統暫態穩定性的影響103.2 SVC對系統暫態穩定性的影響173.3 SVC安裝位置的不同對系統暫態穩定性的影響25第四章 個人總結 32參考文獻 33第一章 課程設計的任務與要求1.1 原始數據 圖 11 系統接線圖在圖所示雙機系統中，容量為1000MVA的1號水電廠經升壓變，通過一條500KV，700km的長距離輸電線路給一地區負荷供電，其最大負荷為5000MW。此外，該地區負荷還同時由當地容量為5000MVA的2號水電廠給其

4、供電。兩個水電廠機組均裝設了電力系統穩定器PSS，同時，輸電線路上還并聯補償了一個200Mvar的靜止無功補償器SVC。1.2 課程設計要求在Matlab/Simulink中進行系統建模仿真，通過在輸電線路首端設置短路故障點，模擬單相接地短路故障、兩相接地短路故障以及三相接地短路故障時， PSS和SVC對該系統暫態穩定性的影響。要求得出相應的仿真波形，并且做出詳細的仿真分析。（1）SVC未投入運行時，發生以上各類短路故障時，PSS對系統穩定性的影響。可得出轉子角偏移量、發電機轉速、發電機端電壓的波形說明問題。（2）兩臺機組的PSS都投入運行時，發生以上各類短路故障時，SVC對系統穩定性的影響。

5、可得出各母線電壓、線路輸送功率、SVC母線電壓、SVC補償的無功功率的波形說明問題。（3）SVC安裝位置的不同對系統穩定性的影響。（輸電線路電氣中點及末端）第二章 PSS和SVC簡介2.1 電力系統穩定器PSS單機無窮大母線系統圖如圖21所示，其小信號模型如圖22所示。圖21單機無窮大系統圖圖22單機無窮大系統小信號模型圖如果忽略線路電阻，那么K1K6可以簡化成如下公式： 式中，Xd、Xq、X'd分別為發電機縱軸電抗、橫軸電抗、縱軸暫態電抗； Xe 為線路電抗； Ut0 、UC 分別為發電機端電壓和無限大母線電壓當發電機在重負荷下運行受到干擾時，轉子角將產生增量變化，但是由于勵磁系統提

6、供的勵磁電勢增量Eq滯后，使有進一步變化的趨勢，助長了負阻尼。即如下式所示：Ut=K5+K6EqK5，當發電機在重負荷下運行時K50，則Ut與反相。如果勵磁系統為簡單的比例式調節器，增益為Ke，時間常數為Te，則在平面上，和轉子速度變化同相的力矩是正阻尼力矩，反相的是負阻尼力矩，和角度變化同相的力矩是正同步力矩，反相的為負同步力矩。在電力系統中并聯運行的同步發電機，它穩定運行的必要條件是具有正的阻尼力矩系數和正的同步力矩系數。當阻尼力矩系數為負時，將會因出現自發增幅振蕩而最終失去穩定，而當同步力矩系數為負時，發電機將出現爬行失步。PSS的功能是要提供一個正的阻尼力矩分量以補償電壓調節器AVR所

7、產生負阻尼，從而提高系統的動態穩定性。要實現PSS功能的基本原理是要生成一個與轉子轉速同相的信號。由于功率增量產生轉子加速度，所以與電功率相關聯的任何量，包括、Pe、P、f等都可以作為PSS的輸入信號。由于勵磁系統具有滯后特性，故用超前、滯后補償環節來補償角度。從PSS模型框圖來看，PSS由信號輸入，信號測量，隔直，超前滯后，比例放大，輸出限幅幾個環節單元組成。如下圖23所示,（a）為AVR產生負阻尼時，各相量之間的關系圖，（b）為加入PSS后，PSS產生正阻尼，各相量之間的關系圖。圖23 AVR及PSS產生的阻尼力矩圖電力系統穩定器(PSS)作為勵磁調節器的一種附加功能，能夠有效地增強系統阻

8、尼，抑制系統低頻振蕩的發生，提高電力系統的穩定性，目前在大多發電機的勵磁系統上已得到廣泛的應用，成為現代勵磁調節器不可缺少的功能之一。 2.2 靜止無功補償器SVC靜止無功補償器（SVC）是一種可以控制無功功率的補償裝置，通常由并聯電容器組（或濾波器）和一個可調電感量的電感元件組成。SVC一般被用來控制接入點電壓在靜、動態過程中維持在一定范圍內，同時還具有一定的穩定系統能力，因此通常用在樞紐變電站或終端變電站靈活地補償無功功率，提供隨機性調相功能。SVC一般是通過晶閘管來實現快速投切電容器或電抗器來運行，有時也與機械控制的電容器或電抗器配合動作來實現上述功能。SVC與一般的并聯電容器補償裝置的

9、區別是能夠跟蹤電網或負荷的無功波動，進行無功的實時補償，從而維持電壓穩定，因此SVC通常又用于對沖擊性負荷的就地補償，如用于軋鋼機、礦山絞車、電弧冶煉爐、電焊機、電氣機車、高能加速器、頻繁啟動的電機等。SVC可以分為兩個基本類：TSC和TCR。 2.21 晶閘管投切電容器（TSC）型靜止無功補償器 晶閘管投切電容器（TSC）型靜止無功補償器的基本結構如圖24所示。并聯電容器被分成合適的幾組，分別由與其串聯的雙向晶閘管控制投入或切除。每相支路主要由兩部分組成，即電容器C和晶閘管Sw1和Sw2，另外還有用于限流和防止電容器與系統發生諧振的電感L（電抗率通常為6%）。如果晶閘管在電容電壓與電網電壓相

10、等時導通，那么電容可以在瞬態轉換。TSC靜止無功補償裝置具有以下特性：階躍控制，平均延時半個周期（最大為一個周期），有效地減少暫態電流能抑制諧波產生。 圖24 TSC基本結構圖在給定時間t內流過電容器的電流可以用下式表示： 其中，和分別是補償器的容抗和感抗，是電源電壓最大瞬時值，是電容器投入時的電壓相角，是系統諧振頻率(=1/),是電容器初始電壓。上式是假設系統電阻值與電抗值相比可以忽略而得到的(R0)，這種假設對高壓傳輸線路是有效的。如果電容器在電源電壓最大時投入，且等于電源電壓的峰值（±），那么暫態電流為零。 盡管晶閘管投切電容器的理論比較簡單，但是它存在很多不足，限制了其應用，

11、無功補償量不能連續調節，每個電容器組需要各自的晶閘管投切，因此不夠經濟；晶閘管在不導通時的穩態電壓是電源峰值電壓的2倍，晶閘管必須外加保護裝置以防止瞬時過電壓和過電流。2.22 晶閘管控制電抗器（TCR）型靜止無功補償器 晶閘管控制電抗器（TCR）型的結構如圖25所示，通常情況下，補償器也包括固定電容器C和低次濾波器（圖中沒有表示）。每一相包括電感L、晶閘管Sw1和Sw2。 圖25 TCR結構圖相控的TCR可以得到連續的補償特性，但是控制過程中會產生奇次諧波。當導通角為90°時，得到全電感。導通角在變化時，電感量也在變化。增加導通角，則通過電感的基波電流減少，這等效于增加電感，減少其

12、無功的吸收。但是，TCR無功電流的變化也是離散的，即變化不可能小于半個周期。TCR靜止補償器可連制，延時為半個周期，通常沒有暫態。TCR主要缺點就是產生低次諧波，工作在感性時（即：吸收無功時）損耗大。電感電流中的基波電流與相移角的關系： 若三相平衡，則每相只產生奇次諧波電流，其幅值為： 圖26（a）所示，為了消除低次諧波（3、5、7次），采用接線（消除零序諧波）和濾波器。圖26（b）所示，給出12脈波接線，這里不需要濾波器，因為5次和7次諧波通過變壓器相移抵消。 圖26 FC-TCR結構圖 2.23 TSC+TCR型靜止無功補償器不管無功控制范圍的要求，任何靜止無功補償器可以由上面提到的1個或

13、2個補償器組成（比如：TCR、TSC），如圖27所示。利用TSC裝置，補償無功被合理地分級投入，得到分級的無功變化量。加上TCR可以得到連續的無功。若需要吸收無功，則斷開全部TSC。通過協調控制TSC和TCR，可以得到連續無功輸出。TSCTCR的靜止補償器是連續控制的，特別是沒有暫態，諧波含量低（因為可控電感產生的無功相對于總的無功是比較少的），可以連續控制和運行，其缺點是成本高。為降低成本可采用小容量TCR，但是復雜的控制和電容的成本也很高。 圖27 TSCTCR結構圖為了減少補償器的暫態過程和諧波畸變，提高其動態特性，有人提出了自關斷的TSC和TCR。通過二電平和三電平的自關斷補償器，得到

14、了最佳的結果。2.3 SVC裝置的工作原理 由于主要研究的是TCR型的SVC，故在這里只介紹TCR型SVC的工作原理及其相關問題。TCR型SVC接線圖如圖28所示。 圖28 TCR的接線圖TCR 型 SVC由并聯電容器組(或濾波器組)和可控硅控制的電抗器組成。TCR型SVC與一般并聯電容器補償裝置不同的是能夠跟蹤電網或負荷的波動無功，進行隨機性實時補償，從而維持電壓穩定。SVC的補償原理圖如圖29所示。 圖29 TCR補償原理圖為負荷無功負荷曲線，為SVC中電抗器吸收的無功功率曲線，隨成反比例變化。為SVC中固定電容器組(或濾波器組)提供的無功功率曲線。-為SVC輸出的無功功率曲線。與成反比變

15、化，即實現隨機性實時補償。系統的無功=+-。由于電容器C為固定值，所以超前的無功功率為固定值，當負載滯后而無功功率變化時，可以連續控制滯后無功功率，使得(-)變化。例如，當增大時，則晶閘管控制的電抗器消耗的無功功率減小;而減小時，則增大。即不管負荷的無功功率 如何變化，總要使得系統提供的無功功率=+- 為常數，以限制電壓的閃變。 用以控制的可變電抗器，是由電抗器與各相反并聯連接的晶閘管組成。利用晶閘管的相位控制來改變電抗器的電流大小，以達到連續調節電抗器的電抗無功功率;相位控制角可從改變到，使得(基波)從100%變化到零。時吸收的感性無功最大(即短路功率), 時吸收的感性無功最小(即空載功率)

16、。由于電抗器幾乎是純感性負荷，因此電流滯后于電壓近似。電流基本上是無功，0之間是由于產生不可接受的、含有直流分量的不對稱電流，故<時不用。TCR型SVC的單線圖和電流波形圖如圖210所示。 圖210 TCR型SVC的單線圖和電流波形圖控制角增大的影響是減少電流的基波分量，相當于電抗器的電感增加，減少了它所需的無功功率。對基波而言，晶閘管控制的電抗器可看作一個可控的電納，用下式表示: 它的瞬時電流為： 基波電流： 諧波電流為： 式中， ：控制角;：電源額定角速度（rad/s）n：諧波級次。 第三章 短路故障時PSS和SVC對系統暫態穩定性的影響在Matlab/Simulink中進行系統建模

17、仿真，通過在輸電線路首端設置短路故障點，模擬單相（A相）接地短路故障、兩相（A相和B相）接地短路故障以及三相接地短路故障時，仿真時間設置為50秒，得出相應仿真波形，并且分析 PSS和SVC對該系統暫態穩定性的影響。系統接線圖如圖31所示，在該系統圖中SVC安裝在輸電線路的電氣中點，在與示波器相連的每根連接線上都連有一根與“To Workspace”模塊相的連線，目的是將示波器中的波形導入到MATLAB的Workspace中，便于分析仿真波形。圖 31 系統接線圖3.1 PSS對系統暫態穩定性的影響發生單相、兩相和三相接地短路故障時，在系統中投入PSS前后轉子角偏移量的的仿真波形圖如圖32所示。

18、PSS投入前，轉子角偏移量都有較劇烈且較長時間的的震蕩，最大偏移量達到1080deg左右，其中單相接地短路故障的震蕩時間在12.5秒以內，兩相和三相接地短路故障的震蕩時間在7秒以內。PSS投入后，轉子角偏移量的震蕩時間都在3秒以內，最終偏移量穩定在45deg左右。其中單相接地短路故障的最大振幅為10%左右，兩相接地短路故障的最大振幅為40%左右，三相接地短路故障的最大振幅70%左右。由此可得，在發生單相、兩相和三相接地短路故障時，投入PSS能夠很好的抑制轉子角偏移量的震蕩，使轉子角偏移量穩定在某一范圍內，增強電力系統的穩定性。（a）單相接地短路故障（b）兩相接地短路故障（c）三相接地短路故障圖

19、 32 PSS投入前后轉子角偏移量的變化圖發生單相、兩相和三相接地短路故障時，在系統中投入PSS前后發電機轉速的仿真波形如圖33所示。PSS投入前，系統中兩臺發電機的轉速都在額定轉速周圍震蕩，其中，發電機1的最高轉速比額定轉速高11%左右，發電機2的最低轉速比額定轉速低2.2%左右；發生單相接地短路故障時，兩臺發電機轉速的震蕩時間都在12.5秒以內，發生兩相和三相接地短路故障時，兩臺發電機轉速的震蕩時間都在7.5秒以內。PSS投入后，兩臺發電機的震蕩時間都縮短到4秒以內，最后穩定為額定轉速。其中發生單相、兩相和三相接地短路故障時發電機1轉速的最大振幅分別為0.5%、0.9%和1.1%左右，發電

20、機2轉速的最大振幅分別為0.04%、0、08%和0.12%左右。由此可得，在發生單相、兩相和三相接地短路故障時，投入PSS能夠很好的抑制發電機轉速的震蕩，越靠近故障點抑制效果越明顯。（a）單相接地短路故障下發電機1轉速的變化（b）單相接地短路故障下發電機2轉速的變化（c）兩相接地短路故障下發電機1轉速的變化（d）兩相接地短路故障下發電機2轉速的變化（e）三相接地短路故障下發電機1轉速的變化（f）三相接地短路故障下發電機2轉速的變化圖 33 PSS投入前后發電機轉速的變化圖發生單相、兩相和三相接地短路故障時，在系統中投入PSS前后發電機端電壓的仿真波形如圖34所示。PSS投入前，發生單相接地短路

21、故障時，兩臺發電機的震蕩時間都在12.5以內，發生兩相和三相接地短路故障時，兩臺發電機的震蕩時間都在8秒以內。PSS投入后，發生單相接地短路故障時，發電機1端電壓的震蕩時間在12.5以內，發電機2端電壓的震蕩時間在3秒以內；發生兩相和三相接地短路故障時，兩臺發電機的震蕩時間都縮短在5秒以內。由此可得，發生單相、兩相和三相接地短路故障時，投入PSS能夠很好的抑制發電機端電壓的震蕩，縮短震蕩時間，使發電機端電壓趨于額定電壓，增強電力系統的穩定性。(a)單相接地短路故障下發電機1端電壓的變化(b) 單相接地短路故障下發電機2端電壓的變化（c）兩相接地短路故障下發電機1端電壓的變化（d）兩相接地短路故

22、障下發電機2端電壓的變化（e）三相接地短路故障下發電機1端電壓的變化（f）三相接地短路故障下發電機2端電壓的變化圖 34 PSS投入前后發電機端電壓的變化圖3.2 SVC對系統暫態穩定性的影響發生單相、兩相和三相接地短路故障時，在系統中投入SVC前后輸電線路母線電壓的仿真波形如圖35所示。SVC投入前，輸電線路母線A相和B相的電壓震蕩時間都在4秒以內，C相的電壓震蕩時間都在2秒以內，震蕩結束后，A相電壓為額定電壓，B相電壓比額定電壓高1%左右，C相電壓比額定電壓低1%左右。SVC投入后，輸電線路母線電壓的震蕩時間和SVC投入前一樣，輸電線路母線電壓高于SVC投入前的電壓。其中，震蕩結束后，A相

23、電壓比額定電壓高1.5%左右，B相電壓比額定電壓高6.5%左右，C相電壓比額定電壓低0.5%左右。（a）單相接地短路故障下線路母線A相電壓變化（b）單相接地短路故障下線路母線B相電壓變化（c）單相接地短路故障下線路母線C相電壓變化（d）兩相接地短路故障下線路母線A相電壓變化（e）兩相接地短路故障下線路母線B相電壓變化（f）兩相接地短路故障下線路母線C相電壓變化（g）三相接地短路故障下線路母線A相電壓變化（h）三相接地短路故障下線路母線B相電壓變化（i）三相接地短路故障下線路母線B相電壓變化圖 35 SVC安裝前后輸電線路母線電壓的變化圖發生單相、兩相和三相接地短路故障時，在系統中投入SVC前后

24、輸電線路輸送功率的仿真波形如圖36所示。SVC安裝前，輸電線路輸送功率的震蕩時間在5秒以內，震蕩結束后，輸電線路輸送功率穩定在944.5MW左右。SVC安裝后，輸電線路輸送功率的震蕩時間和SVC安裝前一樣，輸送功率要比SVC安裝前略有提高。其中，震蕩結束后，發生單相、兩相和三相接地短路故障時，輸電線路的輸送功率分別為947.5MW、949.5MW、945.5MW左右。（a）單相接地短路故障下輸電線路輸送功率變化（b）兩相接地短路故障下輸電線路輸送功率變化（c）三相接地短路故障下輸電線路輸送功率變化圖 36 SVC安裝前后輸電線路輸送功率變化圖發生單相、兩相和三相接地短路故障時，在系統中安裝SV

25、C前后SVC母線電壓的仿真波形圖如圖37所示。SVC安裝前， SVC母線電壓的震蕩時間都在5秒以內，震蕩結束后，SVC母線電壓都比額定電壓低42%左右。SVC安裝后，SVC母線電壓的震蕩時間和SVC安裝前一樣，震蕩結束后，SVC母線電壓都比額定電壓高7%左右。（a）單相接地短路故障下SVC母線電壓（b）兩相接地短路故障下SVC母線電壓（c）三相接地短路故障下SVC母線電壓圖 37 安裝SVC前后SVC母線電壓變化圖發生單相、兩相和三相接地短路故障時，在系統中安裝SVC前后SVC補償的無功功率變化的仿真波形圖如圖38所示。SVC補償的無功功率為系統所需無功功率的額定值，即200MVar。圖 38

26、安裝SVC前后SVC補償的無功功率變化圖3.3 SVC安裝位置的不同對系統暫態穩定性的影響SVC安裝在輸電線路電氣端點時的系統接線圖如圖39所示，SVC安裝在輸電線路電氣中點的系統接線圖如圖31所示。圖 39 SVC安裝在輸電線路電氣端點時的系統接線圖發生單相、兩相和三相接地短路故障時，SVC分別安裝在輸電線路電氣中點和端點輸電線路母線電壓變化的比較圖如圖310所示。SVC安裝在輸電線路電氣中點發生單相、兩相和三相接地短路故障時，輸電線路母線A相電壓都比額定電壓高1.4%左右，輸電線路母線B相電壓比額定電壓高6.2%左右，輸電線路母線C相電壓比額定電壓低0.65%左右，A相和B相電壓的震蕩時間

27、都在5秒以內，C相電壓的震蕩時間都在3秒以內。SVC安裝在輸電線路電氣端點發生單相、兩相和三相接地短路故障時，輸電線路母線A相電壓都比額定電壓高0.4%左右，輸電線路母線B相電壓比額定電壓高0.2%左右，輸電線路母線C相電壓比額定電壓低0.6%左右，電壓震蕩時間和SVC安裝在輸電線路電氣中點時一樣。由此可得，發生單相、兩相和三相接地短路故障時，SVC安裝在輸電線路電氣端點輸電線路母線各相電壓比SVC安裝在輸電線路電氣中點輸電線路母線各相電壓接近母線各相額定電壓，從而增加了輸電線路母線各相電壓的穩定性。（a）單相接地短路故障下輸電線路母線A相電壓（b）單相接地短路故障下輸電線路母線B相電壓（c）單相接地短路故障下輸電線路母線C相