電力系統(tǒng)仿真軟件PSS-E的直流系統(tǒng)模型及其仿真研究

1、電力系統(tǒng)仿真軟件pss/e的直流系統(tǒng)模型及其仿真研究黃瑩，徐政，賀輝(浙江大學電機系，浙江省 杭州市310027)hvdc models of pss/e and their applicability in simulationshuang ying, xu zheng, he hui(dept, of electrical e ngin eeri ng，zhejiang university, han gzhou 310027, zhejiang pro vin ce, china)abstract: the basic pinciple of dynamic simulation by

2、power system simulation softwarepss/e is presented in brief. the hvdc models in pss/e can be divided into two kinds, in one kind the inductive transient processes in dc transmission line and the dynamic characteristics of the high frequency dc controller are considered, and in the other kind the abo

3、ve mentioned processes and characteristics are not considered the effectiveness and adaptability of these dc models are analyzed finally, the pseudo steady-state hvdc dynamic model cdc4 is studied in detail and is used to simulate the testing system. the simulation results show that the dc model of

4、pss/e can meet the need of the simulation of large scale ac/dc power systems, so it is available to apply pss/e to the transient stability analysis of practical large scale ad/dc power system.key words: pss/e； hvdc model； pseudo steady-state hvdc dynamic model； hvdc dynamic characteristics； power sy

5、stem摘要：簡要介紹了電力系統(tǒng)仿真軟件(pss/e)動態(tài)仿真的基木原理。pss/e中的直流模犁可以分為兩類：一類 考慮直流線路電感暫態(tài)過程和高頻控制器動態(tài)特性，另一類不考慮以上動態(tài)特性。文章分析了這些直流模型的有 效性和適用性，并通過準穩(wěn)態(tài)直流動態(tài)模型cdc4進行了仿真研究,仿真結(jié)果表明pss/e s：流模型能夠滿足大 規(guī)模交/直流系統(tǒng)仿真的要求。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)仿真軟件：直流模型：準穩(wěn)態(tài)直流動態(tài)模型：直流動態(tài)特性：電力系統(tǒng)1引言電力系統(tǒng)仿真軟件 pss/e(power system simulator for engineering)是由美國電力技術(shù)公司(power technologie

6、sinc, pti)開發(fā)的商業(yè)軟件，主要有潮流計算、故障分析、動態(tài)仿真、小擾動穩(wěn)定性分析、動態(tài)等值等功能山。pss/e采用最新的計算機技術(shù)和數(shù)值計算方法，捉供與電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展同步的元件模型，如傳統(tǒng)和新型高壓 直流(hvdc)模型、靈活交流輸電系統(tǒng)(facts)模型等，并提供用戶可自定義的模型和用戶可編程的計算過程等功 能山。與同類軟件相比，pss/e有如下兒個特點：輸入數(shù)據(jù)方式及與其他程序數(shù)據(jù)文件共亨的方便性；程序 缺省模型包括發(fā)電機模型、勵磁系統(tǒng)模型、調(diào)速器模型、hvdc模型、facts模型、負荷模型等的完整性： 川戶自定義模型功能和程序接口功能；川戶自定義計算順序與川戶自定義計算功能；分

7、析計算功能的多樣性; 計算方法的透明性與文檔的完整性；國際交流的方便性。2 pss/e動態(tài)仿真基本原理簡介pss/e程序的動態(tài)仿真就是通常所指的機電暫態(tài)仿真，它沒有電磁暫態(tài)仿真的功能，動態(tài)仿真缺省計算步長 為0.0ls(系統(tǒng)頻率為50hz), 2002年推出的pss/e第28版中已包含了務(wù)種直流輸電系統(tǒng)模型，最大仿真規(guī)模達到 50000條母線、12000臺發(fā)電機、50條兩端直流輸電線路和20條務(wù)端直流輸電線路，因此pss/e適合于全國聯(lián)網(wǎng) 后的暫態(tài)穩(wěn)定性分析。pss/e動態(tài)仿真基木流程如圖1所示。pss/e主程序包括數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)值積分和網(wǎng)絡(luò)求解。元件的微分方 程包含在模型庫子程序中，每個子

8、程序用來計算該元件的時間導(dǎo)數(shù)o pss/e直接調(diào)用其自帶的動態(tài)模型(如發(fā)電機、勵磁機、調(diào)速機等模型)。pss/e的其他模型(如直流模型)由連接子程序conec和conet調(diào)入主程序中。1 uii:11動吉仿真數(shù)據(jù)組圖1 pss/e動態(tài)仿賓基本浚程f也.1 bask program structure of pss/e dvnaink simulation3 pss/e的直流模型3.1 pss/e直流模型分類直流系統(tǒng)模型包括換流器模型、直流輸電線路或直流網(wǎng)絡(luò)模型、直流系統(tǒng)控制模型卩。直流模型的詳細程度 取決于研究目的和實際的直流系統(tǒng)，對換流器采用準穩(wěn)態(tài)模型。pss/e模型庫中的直流模型按照是否考

9、慮換流器 高速控制及直流線路電感動態(tài)特性（即直流線路暫態(tài)過程）,可以歸納為以下兩種類型：不考慮直流線路動態(tài)特 性的直流模型；考慮肖流線路動態(tài)特性的直流模型。3.2不考慮直流線路動態(tài)特性的直流模型直流控制系統(tǒng)的直流電流、電壓的變化相對于pss/e的仿真步長（缺省步長為1/2個工頻周波）是非?？焖俚?， 因此pss/e中的一部分直流系統(tǒng)模型（如cdc4、cdc6、cdc6a等）不考慮直流線路內(nèi)部的暫態(tài)過程。這些準穩(wěn) 態(tài)直流動態(tài)模型（pseudo steady-state hvdc dynamic model）使用與潮流計算相似的穩(wěn)態(tài)換流器方程來計算有功 和無功功率，但變壓器抽頭保持不變。這類模型也可

10、歸類為響應(yīng)模型（response modek functional modek performance model）,5,6,o（dcdc4直流模型正常運行時的控制方式植流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定電壓控制，逆變側(cè)也可采用定熄弧角控制。整流側(cè)定電流控制如圖2 所示，逆變側(cè)定電壓控制如圖3所示。anvdcol圖2整流側(cè)定電流控制fig. 2 constant current control of rectifierconstant voltage control of inverter圖3逆変側(cè)定電壓控制圖2、圖3中，pg 1派、v迥分別為功率、電流、電壓設(shè)定值，j 心"缶：人戸、

11、"如、人姑分別為 直流功率調(diào)制信號、電壓整定值、電流整定值；vdm為直流線路i二維持電壓恒定點處的直流電壓；k-o.up為電壓 恒定點到逆變側(cè)z間的線路電阻，一般為直流線路電阻rdc（維持整流側(cè)電圧恒定）。其余變呆的說明如下：1）模式轉(zhuǎn)換mdc開關(guān)當逆變側(cè)直流電壓低于給定功率模式卞的最低逆變側(cè)直流電壓時，直流控制由定功率模式轉(zhuǎn)換為定電流模式： 反z則經(jīng)過一 定的延遲時間由定電流模式轉(zhuǎn)換為定功率模式。2）功率調(diào)制控制信號appss/e中設(shè)有多個直流調(diào)制輔助信號模型（如hvdcau、paux1、paux2、sqbaux等），用戶可將輔助信號 加入到直流模型中。paux1、sqbaux模型

12、基于頻率偏差提供調(diào)制信號；paux2模型基于角度偏差進行調(diào)制； hvdcau模型允許基于支路電流或潮流、兩母線間頻率偏差、單個母線電壓或頻率的輸入信號進行調(diào)制。圖4 為hvdcau調(diào)制信號模型。圖中，sm、si%o均為輸入信號；k、a、b、c、d、e、f為傳遞函數(shù)參數(shù)。圖4宜流洞制信號模型hvdczwfig. 4 dc line auxiliary signal model hv dcau3）低壓限流環(huán)節(jié)vdcol當一側(cè)換流器電壓降低超過-定幅度（如超過30%）時，另一側(cè)換流器對無功功率的需求就會增加，而交流電圧 的降低乂減少了電容器和濾波器的無功功率供給，這樣就對交流系統(tǒng)恢復(fù)帶來不利影響；同

13、時低電壓下更容易發(fā) 生換相失敗和電壓不穩(wěn)定。因此,采用低壓限流壞節(jié)（voltage-dependent current-order limit, vdcol）來減小低 電壓時的直流電流。cdc4中的vdcol的電壓-電流特性如圖5所示。圖屮，ico為正常運行最小電流，irscur為閉鎖后重啟最小 直流電流。圖5自流換流器低電壓電流限制fi®. 5 voltage-dependent current-order limitfor dc' converters（2）cdc4故障運行時直流的閉鎖和旁通1）閉鎖整流側(cè)交流電壓低于設(shè)定的閉鎖電壓時整流側(cè)和逆變側(cè)都閉鎖。整流側(cè)保持閉鎖不少

14、于規(guī)泄的閉鎖時間后，當 整流側(cè)交流電壓高于設(shè)定的閉鎖解除電壓時重新啟動。2）旁通采用旁通來模擬換相失敗，當逆變側(cè)直流電壓低于設(shè)定的旁通電壓吋，逆變側(cè)旁通，箍流側(cè)繼續(xù)保持設(shè)定的直 流電流。逆變側(cè)保持旁通不少于規(guī)定的旁通時間后，當逆變側(cè)交流電壓高于設(shè)定的旁通解除電圧時逆變側(cè)重新建 立起直流電壓。3）重啟動閉鎖或旁通發(fā)生后直流重新啟動，直流電壓、電流設(shè)定值按照一定的限制速度上升，同時vdcol壞節(jié)還限制整流側(cè)和逆變側(cè)電流設(shè)定值。3.3考慮直流動態(tài)特性的直流模型pss/e中的直流模型(如caseak cdcrl、cdcab1)采用比交流系統(tǒng)小的仿真步長來模擬高頻控制和直流線 路的電感動態(tài)特性。cdca

15、b1直流模型如圖6所示，包括換流器、換流變壓器、直流線路和hvdc控制系統(tǒng)。換流器采用準穩(wěn)態(tài) 模型。控制系統(tǒng)具有冇流系統(tǒng)的一般控制：主控制(master control, mc)電流控制放大s§(current control amplifier, cca)、觸發(fā)角控制(converter firing control, cfc)、最大觸發(fā)角部分(逆變側(cè) alpha-max segment, &呻)、電壓 控制(逆變側(cè)voltage control, vc),還包扌占了 -些特殊的控制，如緊急功率調(diào)制(emergency power controller, epc)、 頻率調(diào)

16、制(frequency controller, fc)flj阻尼控制(damping controller, dc)等。該模型的直流線路為電纜線路。圖 中，、lc為交流電壓、電流，vs、1血為直流電壓、電流，porder為功率整定值，ap為功率調(diào)制信號，q為 觸發(fā)角。3.4兩種直流模型的適用性分析由于宜流系統(tǒng)的復(fù)雜性，不可能建立任何研究都適用的直流模型，對不同的研究冃的應(yīng)采用不同的直流模型。 以上模型都是在一些機電暫態(tài)仿真、穩(wěn)定分析可以接受的假設(shè)條件下建立的：換流器母線的三相交流電壓是對 稱、平衡的止弦波；換流器木身的運行是完全對稱平衡的；直流電流和直流電壓是平直的；換流變壓器是 無損變壓器口

17、激磁電流可以忽略2叭但這些假設(shè)條件也限制了模型的適用范圍。由于pss/e動態(tài)仿真中只考慮了正序基頻分臺，因此pss/e動態(tài)仿真的直流模型適合于仿真齊種對稱故障， 而對不對稱故障的仿真計算是不嚴格的忙pss/e中的有些模型(如caseak cdcrl)nf以仿真直流故障,4 pss/e直流模型仿真結(jié)果本文采用的仿真系統(tǒng)為四機系統(tǒng)，如圖7所示。圖中，l?、s為負荷，系統(tǒng)參數(shù)取自文3,發(fā)電機模型包枯 勵磁系統(tǒng)。直流正常運行控制方式為：整流側(cè)泄電流控制，逆變側(cè)泄熄血角控制。系統(tǒng)于().ls在母線9附近發(fā)生 三相短路故障，故障發(fā)生0.09s后切除故障冋路。對無附加控制和有附加控制分別進行仿真，采用的附加

18、控制模 型為直流輔助信號模型hvdcau,參數(shù)取門文3。097四機兩區(qū)域交直流系統(tǒng)fig. 7 a two-area system with parallel ik4 and a(ft lies選用cdc4直流模型進行仿真，無附加控制時仿真結(jié)杲如圖8和圖9所示。圖8中的曲線依次為發(fā)電機gs和 對于gi的功角5 31、交流聯(lián)絡(luò)線上冇功功率paciie、整流側(cè)冇功功率prectifier隨時間變化的曲線。圖9中的曲線依 次為直流電壓uoc、整流側(cè)觸發(fā)角&、逆變側(cè)熄弧角丫隨時間變化的曲線。直流模型cdc4根據(jù)逆變側(cè)直流電壓判斷是否發(fā)生換相失敗，程序設(shè)定熄弧角y在旁通后直接增大到90。， 整流

19、側(cè)觸發(fā)角 未超過9()。由圖8和圖9仿真曲線可見，pss/e中的cdc4直流模型仿真結(jié)果與文3屮的仿真結(jié) 果基本一致。有附加控制時的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。圖10、11 1111線分別與圖8、9曲線對應(yīng)。山于cdc4模型采用 的極控制算法在程序說明書中并未給出，無法與文|3中的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行比較。從仿真1111線來看，釆用文3屮的附加控制器參數(shù)，需要較長的時間達到穩(wěn)定，但調(diào)制效果基本一致。ffi 8邊變側(cè)訥近交淤故曙時系(無附加控制卜1冀 xresponse to an c system fault near i hr inserter (without supplemcnun c

20、tjntrol)圖9附近交淒故處時吉渡系統(tǒng)響應(yīng)(無附加控fq 9 h ixv link nponst* lo an ac* system hull nciir the imrrtcr (uithoul uppknwntarj amlrol>/* r. mul亠一-人»o$ini*20站<u龍車偷*f圖川 逆変側(cè)wl近交流故跨時系統(tǒng)響應(yīng)* fiffl加拎制)u)n;tir.hm弊4ui逋*俛崔雋巾希繽圖ii逆孌側(cè)附近交沃故陳時貞at系統(tǒng)圳應(yīng)(看附加控制)fi|*. ii hvdc link response lo un sc s><(tcm fault iica

21、r the inverter (with upplcmenlar control>fig. 10 system rv5pon%e io an <w >js(cm faull near the inverter (with suppleincntan control)5結(jié)語pss/e中不考慮h流線路電感暫態(tài)過程的準穩(wěn)態(tài)直流系統(tǒng)動態(tài)模型簡單明了，參數(shù)容易選定。pss/e握供了白帶的考慮直流系統(tǒng)動態(tài)過程的詳細模型，而目川戶還可以采川白定義的方法來建立詳細靈活的宣流模型。本文 采用該模型對個四機兩區(qū)域交冇流系統(tǒng)進行了仿真研究，仿真結(jié)果農(nóng)明了該模型能夠滿足大規(guī)模交直流系統(tǒng)仿 真的要求。

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