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💥第一部分——内容介绍

摘要

电力系统稳定器（PSS）是抑制发电机低频振荡、提升系统暂态功角稳定性的核心装置。本文基于WSCC三机九节点标准测试系统，开展暂态功角稳定仿真验证研究。首先完成系统潮流计算，获取各节点电压幅值与相角作为初始运行状态；随后在三台机组均配备PSS的条件下，设定母线6发生三相短路故障并于0.1s后切除，对比分析多频段PSS（MB-PSS）、转速偏差型PSS（DeltaWPSS）与加速功率偏差型PSS（DeltaPaPSS）三种模型对发电机功角振荡的阻尼效果。仿真结果表明：无故障工况下系统保持稳定运行；故障发生后，得益于PSS提供的附加阻尼转矩，功角振荡逐渐衰减并恢复至稳态，验证了三种PSS模型对暂态功角稳定性的改善作用，其中MB-PSS在宽频段振荡抑制方面表现出综合优势。

关键词：电力系统稳定器；三机九节点系统；暂态功角稳定；多频段PSS；三相短路

1 引言

电力系统暂态功角稳定是指系统在遭受短路等大扰动后，各同步发电机能否保持同步运行的能力。随着电网规模扩大与互联程度提高，低频振荡问题日益突出，PSS已成为发电机励磁系统中不可或缺的附加控制环节。

按照输入信号类型，PSS可分为转速偏差型、功率偏差型以及近年来发展的多频段型等。转速偏差型PSS（DeltaWPSS）以发电机转速偏差为输入，结构简单、相位补偿明确，但对机械功率变化的响应存在固有延迟。加速功率偏差型PSS（DeltaPaPSS）以加速功率偏差为输入，在抑制无功“反调”方面具有优势。多频段PSS（MB-PSS）采用低、中、高三个独立频段的并联结构，分别针对全局模式、区域间模式和本地模式进行阻尼控制，能够在较宽频带内提供平缓的相位特性。

本文以WSCC三机九节点系统为研究对象，在完成潮流计算的基础上，对上述三种PSS模型开展暂态功角稳定仿真验证，重点考察母线6三相短路故障后功角振荡的衰减特性。

2 系统模型与仿真设置

2.1 三机九节点系统

WSCC三机九节点系统包含3台同步发电机、3台升压变压器、6条输电线路及3个负荷节点，是电力系统稳定分析的经典测试系统。系统中母线1、2、3为发电机高压侧母线，母线4至9为负荷节点。发电机采用考虑励磁绕组暂态过程的实用模型，励磁系统配备自动电压调节器（AVR），并为每台机组配置PSS附加控制环节。

负荷采用恒阻抗模型，即负荷功率随节点电压平方变化。该模型在暂态过程中能够反映负荷对电压波动的自然响应，避免恒功率模型可能引入的人为刚度问题。

2.2 三种PSS模型

多频段PSS（MB-PSS）的核心结构由三个独立频段通道组成。低频段（约0.1~0.3 Hz）针对全局振荡模式，中频段（约0.3~1.0 Hz）针对区域间振荡模式，高频段（约1.0~5.0 Hz）针对本地机组间振荡模式。每个频段通道包含带通滤波、增益调节与相位补偿环节，三路输出求和后经限幅送入AVR电压给定点。MB-PSS的优点在于各频段参数可独立整定，避免了单一频段PSS在宽频振荡场景下的相位补偿不足问题。

转速偏差型PSS（DeltaWPSS）以发电机转速偏差Δω为输入信号，经隔直环节、相位补偿环节和增益放大后输出至AVR。其相位补偿网络通常由两级超前-滞后环节构成，用于补偿励磁系统从PSS输出到电磁转矩之间的相位滞后。该模型是工程实践中应用最广泛的常规PSS结构。

加速功率偏差型PSS（DeltaPaPSS）以加速功率偏差ΔPa为输入信号。加速功率由机械功率与电磁功率之差得到，能够更直接地反映转子运动的加速/减速趋势。相比转速偏差型，DeltaPaPSS在抑制“无功反调”现象方面具有理论优势，即当原动机机械功率快速变化时，PSS不会产生不必要的无功功率波动。

2.3 仿真工况设置

仿真分为两种工况。工况一为无故障稳态运行，仿真时长用于确认系统在配备PSS后能够维持稳定的初始运行点。工况二为暂态故障工况：设定在仿真时间到达某一时刻时，母线6发生三相金属性短路，故障持续0.1s后由保护装置动作切除故障线路。故障切除后系统拓扑发生变化，发电机将通过功角摇摆过程寻求新的平衡点。仿真记录三台发电机相对于参考机组的功角差随时间的变化曲线。

3 潮流计算结果

潮流计算采用牛顿-拉夫逊法，以母线1为平衡节点，母线2、3为PV节点，其余节点为PQ节点。计算得到各节点电压幅值与相角如表1所示。

表1 三机九节点系统潮流计算结果

上述结果与文献中WSCC标准系统的典型潮流解一致。各负荷节点电压幅值均维持在0.96 p.u.以上，电压水平合理。母线6的初始电压相角为-4.217°，为后续故障仿真提供了明确的初始运行状态。

4 暂态功角稳定仿真结果与分析

4.1 无故障工况

在未施加任何扰动的条件下，三台发电机在AVR与PSS的共同作用下维持稳态运行。功角差曲线保持水平，无明显的周期性振荡或漂移趋势。这一结果确认了系统初始运行点的静态稳定性，也表明PSS参数整定未引入不必要的控制交互或负阻尼效应。

4.2 母线6三相短路故障工况

故障发生后，母线6电压骤降，邻近线路功率传输能力急剧下降，发电机电磁功率突降，而原动机机械功率因调速器惯性暂未变化，导致转子加速。三台发电机之间的功角差开始增大，形成第一次摇摆。

0.1s时故障线路被切除，系统进入故障后恢复阶段。此时网络拓扑改变，功率传输路径重新分布，发电机功角达到第一个峰值后开始回摆。若无PSS的附加阻尼作用，这种功角振荡往往需要较长时间才能衰减，甚至可能持续发散。在本文仿真条件下，三台机组PSS均投入运行，功角差曲线呈现典型的衰减振荡特征：第一个摇摆峰值之后，后续摇摆幅值逐次减小，振荡在数个周期内得到有效抑制，系统最终过渡到新的稳态运行点。

4.3 三种PSS模型的效果比较

从仿真结果的总体趋势看，三种PSS模型均能使系统在故障后恢复稳定，但阻尼特性存在差异。

DeltaWPSS对本地振荡模式（约1~2 Hz）的阻尼效果最为直接。由于以转速偏差为输入，其对转子速度变化的响应几乎没有相位延迟，相位补偿网络针对本地模式整定后能够提供充分的附加阻尼转矩。然而，在多机系统中，转速偏差信号中可能混入区域间模式的低频分量，单一频段的相位补偿难以同时兼顾低频与高频振荡。

DeltaPaPSS的阻尼效果与DeltaWPSS接近，但在故障后的第一次摇摆中表现出略有不同的动态特性。加速功率信号对转子加速趋势的响应更直接，理论上有利于更早地施加阻尼转矩。但加速功率需经滤波处理以消除稳态功率变化的影响，滤波环节的引入会带来一定的相位滞后，整定不当时可能削弱阻尼效果。

MB-PSS的优势在宽频振荡场景下更为明显。母线6故障激发的不只是单一模式的振荡，而是包含多个频率分量的复合振荡过程。MB-PSS的三个频段各自独立补偿，能够在低频段提供足够的增益而不至于在高频段引入过大的相位滞后，从而对复合振荡的整体衰减更为均衡。仿真曲线显示，MB-PSS作用下功角差的后续摇摆幅值衰减更为平滑，未出现局部模式被过度阻尼而区域间模式衰减缓慢的现象。

5 结论

本文基于WSCC三机九节点系统，对多频段PSS、转速偏差型PSS和加速功率偏差型PSS开展了暂态功角稳定仿真验证。主要结论如下：

（1）潮流计算给出了系统初始运行状态下各节点电压幅值与相角，为暂态仿真提供了合理的初始条件。

（2）无故障工况下，三台机组在PSS与AVR配合下维持稳定运行，验证了PSS参数整定的基本合理性。

（3）母线6三相短路故障（0.1s切除）后，三种PSS模型均能使系统功角振荡有效衰减并恢复稳定，表明PSS对提升暂态功角稳定性具有实质性作用。

（4）从阻尼特性的综合表现看，MB-PSS在应对多模式复合振荡时具有更均衡的频段响应，适合作为多机系统宽频振荡抑制的优选方案；DeltaWPSS与DeltaPaPSS在本地模式主导的振荡场景中同样有效，且结构简单、参数物理意义明确，在工程应用中各有适用场合。

📚第二部分——运行结果

三机九节点系统暂态功角稳定仿真：三种电力系统稳定器（多频段、转速偏差型、加速功率偏差型）仿真验证

🎉第三部分——参考文献

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