电力系统仿真软件-PSS-E的直流系统模型及其仿真研究

电力系统仿真软件PSS/E的直流系统模型及其仿真研究黄莹，徐政，贺辉(浙江大学电机系，浙江省杭州市310027)HVDCMODELSOFPSS/EANDTHEIRAPPLICABILITYINSIMULATIONSHUANGYing，XUZheng，HEHui(Dept.ofElectricalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，ZhejiangProvince，China)ABSTRACT:ThebasicprincipleofdynamicsimulationbypowersystemsimulationsoftwarePSS/Eispresentedinbrief.TheHVDCmodelsinPSS/Ecanbedividedintotwokinds,inonekindtheinductivetransientprocessesinDCtransmissionlineandthedynamiccharacteristicsofthehighfrequencyDCcontrollerareconsidered,andintheotherkindtheabovementionedprocessesandcharacteristicsarenotconsidered.TheeffectivenessandadaptabilityoftheseDCmodelsareanalyzed.Finally,thepseudosteady-stateHVDCdynamicmodelCDC4isstudiedindetailandisusedtosimulatethetestingsystem.ThesimulationresultsshowthattheDCmodelofPSS/EcanmeettheneedofthesimulationoflargescaleAC/DCpowersystems,soitisavailabletoapplyPSS/EtothetransientstabilityanalysisofpracticallargescaleAD/DCpowersystem.KEYWORDS:PSS/E；HVDCmodel；Pseudosteady-stateHVDCdynamicmodel；HVDCdynamiccharacteristics；Powersystem摘要：简要介绍了电力系统仿真软件(PSS/E)动态仿真的基本原理。PSS/E中的直流模型可以分为两类：一类考虑直流线路电感暂态过程和高频控制器动态特性，另一类不考虑以上动态特性。文章分析了这些直流模型的有效性和适用性，并通过准稳态直流动态模型CDC4进行了仿真研究，仿真结果表明PSS/E直流模型能够满足大规模交/直流系统仿真的要求。关键词：电力系统仿真软件；直流模型；准稳态直流动态模型；直流动态特性；电力系统1引言电力系统仿真软件PSS/E(PowerSystemSimulatorforEngineering)是由美国电力技术公司(PowerTechnologiesInc，PTI)开发的商业软件，主要有潮流计算、故障分析、动态仿真、小扰动稳定性分析、动态等值等功能[1]。PSS/E采用最新的计算机技术和数值计算方法，提供与电力系统技术发展同步的元件模型，如传统和新型高压直流(HVDC)模型、灵活交流输电系统(FACTS)模型等，并提供用户可自定义的模型和用户可编程的计算过程等功能[1]。与同类软件相比，PSS/E有如下几个特点：①输入数据方式及与其他程序数据文件共享的方便性；②程序缺省模型包括发电机模型、励磁系统模型、调速器模型、HVDC模型、FACTS模型、负荷模型等的完整性；③用户自定义模型功能和程序接口功能；④用户自定义计算顺序与用户自定义计算功能；⑤分析计算功能的多样性；⑥计算方法的透明性与文档的完整性；⑦国际交流的方便性。2PSS/E动态仿真基本原理简介PSS/E程序的动态仿真就是通常所指的机电暂态仿真，它没有电磁暂态仿真的功能，动态仿真缺省计算步长为0.01s(系统频率为50Hz)，2002年推出的PSS/E第28版中已包含了多种直流输电系统模型，最大仿真规模达到50000条母线、12000台发电机、50条两端直流输电线路和20条多端直流输电线路，因此PSS/E适合于全国联网后的暂态稳定性分析。PSS/E动态仿真基本流程如图1所示。PSS/E主程序包括数据输入输出、数值积分和网络求解。元件的微分方程包含在模型库子程序中，每个子程序用来计算该元件的时间导数。PSS/E直接调用其自带的动态模型(如发电机、励磁机、调速机等模型)。PSS/E的其他模型(如直流模型)由连接子程序CONEC和CONET调入主程序中。3PSS/E的直流模型3.1PSS/E直流模型分类直流系统模型包括换流器模型、直流输电线路或直流网络模型、直流系统控制模型[2,3]。直流模型的详细程度取决于研究目的和实际的直流系统，对换流器采用准稳态模型。PSS/E模型库中的直流模型按照是否考虑换流器高速控制及直流线路电感动态特性(即直流线路暂态过程)，可以归纳为以下两种类型：①不考虑直流线路动态特性的直流模型；②考虑直流线路动态特性的直流模型。3.2不考虑直流线路动态特性的直流模型直流控制系统的直流电流、电压的变化相对于PSS/E的仿真步长(缺省步长为1/2个工频周波)是非常快速的，因此PSS/E中的一部分直流系统模型(如CDC4、CDC6、CDC6A等)不考虑直流线路内部的暂态过程。这些准稳态直流动态模型(PseudoSteady-StateHVDCDynamicModel)[4]使用与潮流计算相似的稳态换流器方程来计算有功和无功功率，但变压器抽头保持不变。这类模型也可归类为响应模型(ResponseModel、FunctionalModel、PerformanceModel)[5,6]。(1)CDC4直流模型正常运行时的控制方式整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定电压控制，逆变侧也可采用定熄弧角控制。整流侧定电流控制如图2所示，逆变侧定电压控制如图3所示。图2、图3中，Pset、Iset、Vset分别为功率、电流、电压设定值，分别为直流功率调制信号、电压整定值、电流整定值；Vdcm为直流线路上维持电压恒定点处的直流电压；Rcomp为电压恒定点到逆变侧之间的线路电阻，一般为直流线路电阻Rdc(维持整流侧电压恒定)。其余变量的说明如下：1)模式转换MDC开关当逆变侧直流电压低于给定功率模式下的最低逆变侧直流电压时，直流控制由定功率模式转换为定电流模式；反之则经过一定的延迟时间由定电流模式转换为定功率模式。2)功率调制控制信号ΔPPSS/E中设有多个直流调制辅助信号模型(如HVDCAU、PAUX1、PAUX2、SQBAUX等)，用户可将辅助信号加入到直流模型中。PAUX1、SQBAUX模型基于频率偏差提供调制信号；PAUX2模型基于角度偏差进行调制；HVDCAU模型允许基于支路电流或潮流、两母线间频率偏差、单个母线电压或频率的输入信号进行调制。图4为HVDCAU调制信号模型。图中，Sin、Sin,0均为输入信号；K、A、B、C、D、E、F为传递函数参数。3)低压限流环节VDCOL当一侧换流器电压降低超过一定幅度(如超过30%)时，另一侧换流器对无功功率的需求就会增加，而交流电压的降低又减少了电容器和滤波器的无功功率供给，这样就对交流系统恢复带来不利影响；同时低电压下更容易发生换相失败和电压不稳定。因此，采用低压限流环节(Voltage-DependentCurrent-OrderLimit，VDCOL)来减小低电压时的直流电流。CDC4中的VDCOL的电压–电流特性如图5所示。图中，IC0为正常运行最小电流，IRSCUR为闭锁后重启最小直流电流。(2)CDC4故障运行时直流的闭锁和旁通1)闭锁整流侧交流电压低于设定的闭锁电压时整流侧和逆变侧都闭锁。整流侧保持闭锁不少于规定的闭锁时间后，当整流侧交流电压高于设定的闭锁解除电压时重新启动。2)旁通采用旁通来模拟换相失败，当逆变侧直流电压低于设定的旁通电压时，逆变侧旁通，整流侧继续保持设定的直流电流。逆变侧保持旁通不少于规定的旁通时间后，当逆变侧交流电压高于设定的旁通解除电压时逆变侧重新建立起直流电压。3)重启动闭锁或旁通发生后直流重新启动，直流电压、电流设定值按照一定的限制速度上升，同时VDCOL环节还限制整流侧和逆变侧电流设定值。3.3考虑直流动态特性的直流模型PSS/E中的直流模型(如CASEA1、CDCRL、CDCAB1)采用比交流系统小的仿真步长来模拟高频控制和直流线路的电感动态特性。CDCAB1直流模型如图6所示，包括换流器、换流变压器、直流线路和HVDC控制系统。换流器采用准稳态模型。控制系统具有直流系统的一般控制：主控制(MasterControl，MC)、电流控制放大器(CurrentControlAmplifier，CCA)、触发角控制(ConverterFiringControl，CFC)、最大触发角部分(逆变侧Alpha-MaxSegment，αmax)、电压控制(逆变侧VoltageControl，VC)，还包括了一些特殊的控制，如紧急功率调制(EmergencyPowerController，EPC)、频率调制(FrequencyController，FC)和阻尼控制(DampingController，DC)等。该模型的直流线路为电缆线路。图中，Vac、Iac为交流电压、电流，Vdc、Idc为直流电压、电流，Porder为功率整定值，ΔP为功率调制信号，α为触发角。3.4两种直流模型的适用性分析由于直流系统的复杂性，不可能建立任何研究都适用的直流模型，对不同的研究目的应采用不同的直流模型。以上模型都是在一些机电暂态仿真、稳定分析可以接受的假设条件下建立的：①换流器母线的三相交流电压是对称、平衡的正弦波；②换流器本身的运行是完全对称平衡的；③直流电流和直流电压是平直的；④换流变压器是无损变压器且激磁电流可以忽略[2,3]。但这些假设条件也限制了模型的适用范围。由于PSS/E动态仿真中只考虑了正序基频分量，因此PSS/E动态仿真的直流模型适合于仿真各种对称故障，而对不对称故障的仿真计算是不严格的[7,8]。PSS/E中的有些模型(如CASEA1、CDCRL)可以仿真直流故障，4PSS/E直流模型仿真结果本文采用的仿真系统为四机系统，如图7所示。图中，L7、L9为负荷，系统参数取自文[3]，发电机模型包括励磁系统。直流正常运行控制方式为：整流侧定电流控制，逆变侧定熄弧角控制。系统于0.1s在母线9附近发生三相短路故障，故障发生0.09s后切除故障回路。对无附加控制和有附加控制分别进行仿真，采用的附加控制模型为直流辅助信号模型HVDCAU，参数取自文[3]。选用CDC4直流模型进行仿真，无附加控制时仿真结果如图8和图9所示。图8中的曲线依次为发电机G3相对于G1的功角δ31、交流联络线上有功功率Pactie、整流侧有功功率Prectifier随时间变化的曲线。图9中的曲线依次为直流电压UDC、整流侧触发角α、逆变侧熄弧角γ随时间变化的曲线。直流模型CDC4根据逆变侧直流电压判断是否发生换相失败，程序设定熄弧角γ在旁通后直接增大到90°，整流侧触发角未超过90°。由图8和图9仿真曲线可见，PSS/E中的CDC4直流模型仿真结果与文[3]中的仿真结果基本一致。有附加控制时的仿真结果如图10和图11所示。图10、11曲线分别与图8、9曲线对应。由于CDC4模型采用的极控制算法在程序说明书中并未给出，无法与文[3]中的控制器结构和参数进行比较。从仿真曲线来看，采用文[3]中的附加控制器参数，需要较长的时间达到稳定，但调制效果基本一致。5结语PSS/E中不考虑直流线路电感暂态过程的准稳态直流系统动态模型简单明了，参数容易选定。PSS/E提供了自带的考虑直流系统动态过程的详细