張松濤，寧慶，曹國云

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

機(jī)電暫態(tài)程序模型簡單、仿真規(guī)模大、計(jì)算時間短，且仿真精度能夠滿足電力系統(tǒng)計(jì)算要求，因此常常被用于大型交直流混合電網(wǎng)的仿真研究。國內(nèi)使用最多的機(jī)電暫態(tài)程序?yàn)橹袊娏茖W(xué)研究院的 PSD－BPA(簡稱 BPA)軟件[1]和西門子 PTI的 PSS/E程序。PSS/E程序所允許的仿真規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BPA，且其計(jì)算功能強(qiáng)大、直流模型豐富、能夠進(jìn)行二次開發(fā)應(yīng)用，在全國大聯(lián)網(wǎng)計(jì)算中具有顯著的優(yōu)勢。

本文分析和比較了BPA與PSS/E的潮流數(shù)據(jù)和暫態(tài)穩(wěn)定模型，并詳解了由BPA向PSS/E進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法。為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，對某交直流算例進(jìn)行了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并通過潮流和穩(wěn)定計(jì)算驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

1 潮流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

潮流數(shù)據(jù)是穩(wěn)定計(jì)算的基礎(chǔ)，電力系統(tǒng)潮流數(shù)據(jù)主要包括母線、發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、負(fù)荷以及直流輸電線路相關(guān)數(shù)據(jù)。BPA向PSS/E潮流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時需要注意:

(1)BPA潮流計(jì)算程序和PSS/E程序中交流節(jié)點(diǎn)類型并不完全相同，系統(tǒng)中常見的節(jié)點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

(2)發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時需注意發(fā)電機(jī)復(fù)阻抗ZSCORE，當(dāng)發(fā)電機(jī)為次暫態(tài)模型時，這個復(fù)數(shù)阻抗必須和發(fā)電機(jī)次暫態(tài)阻抗相等;當(dāng)發(fā)電機(jī)為暫態(tài)模型時，這個阻抗必須和暫態(tài)阻抗相等[2]。

(3)BPA輸電線路對地導(dǎo)納數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到PSS/E時需要乘以系數(shù)2。

(4)直流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。BPA和PSS/E直流參數(shù)基本一致，可以直接轉(zhuǎn)換，但直流換相阻抗使用換流變壓器漏抗的有名值表示[3]。

表1 BPA與PSS/E常用節(jié)點(diǎn)對照表

2 暫態(tài)模型轉(zhuǎn)換

電力系統(tǒng)暫態(tài)模型主要包括發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)和穩(wěn)定器、調(diào)速器和原動機(jī)模型、直流系統(tǒng)和負(fù)荷模型等。

2.1 發(fā)電機(jī)模型

PSS/E中發(fā)電機(jī)的模型種類較為豐富，基本涵蓋了BPA程序的發(fā)電機(jī)模型，常見的發(fā)電機(jī)模型有考慮了勵磁繞組f的3階模型GENTRA，考慮了 f、D、Q繞組的5階模型 GENSAL，考慮了f、g、D、Q繞組的6階模型GENROU以及經(jīng)典二階模型 GENCEL。需要注意的是，PSS/E沒有提供4階模型，但可以通過全階模型CGEN1來實(shí)現(xiàn)[4]。另外在 PSS/E 中程序默認(rèn) X″d=X″q，忽略了發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)凸極效應(yīng)，文獻(xiàn)[5]認(rèn)為該假設(shè)對工程應(yīng)用是許可的，因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的X″d與X″q相差本身就很小，隱極機(jī)尤為如此。

2.2 勵磁與穩(wěn)定器模型

BPA大部分勵磁模型以IEEE模型為基礎(chǔ)，使得勵磁模型的轉(zhuǎn)換成為可能，其中BPA的IEEE1981年多數(shù)勵磁模型可以直接在PSS/E勵磁模型庫中找到對應(yīng)的模型，IEEE1968年勵磁模型與PSS/E勵磁模型庫中對應(yīng)模型略有差異，但可以通過對勵磁環(huán)節(jié)進(jìn)行近似變換和勵磁參數(shù)進(jìn)行取舍來實(shí)現(xiàn)有效的轉(zhuǎn)換，對于中國電機(jī)工程學(xué)會勵磁工作組提出的勵磁模型，由于對IEEE模型進(jìn)行了改進(jìn)，并增加了過勵限制、過勵保護(hù)和低勵限制功能，若不考慮這些功能，部分模型還是可以近似轉(zhuǎn)換的。

BPA常用 PSS模型包括 SS、SP、SF、SG和 SI等模型，與 PSS/E中模型的對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 BPA與PSS/E的常用PSS模型對應(yīng)關(guān)系

2.3 調(diào)速器和原動機(jī)模型

BPA中提供了原動機(jī)和調(diào)速器組合在一起的模型以及原動機(jī)和調(diào)速器分開設(shè)置的模型，而PSS/E中的原動機(jī)和調(diào)速器模型是用一個組合模型來表示的。兩者對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 BPA與PSS/E的常用調(diào)速器和原動機(jī)模型對應(yīng)關(guān)系

2.4 負(fù)荷模型

BPA軟件中負(fù)荷模型分為:靜態(tài)負(fù)荷模型(LA和LB)、新靜態(tài)負(fù)荷模型(LA、LB及其負(fù)荷繼續(xù)卡L+)，感應(yīng)馬達(dá)模型(MI)，新的感應(yīng)馬達(dá)模型(MI、MJ、MK)和考慮配電網(wǎng)支路的綜合負(fù)荷模型(LE)[6]。PSS/E不僅提供了常用的靜態(tài)負(fù)荷和動態(tài)負(fù)荷模型，而且提供了低壓減負(fù)荷和低頻減負(fù)荷模型。文獻(xiàn)[7]對BPA和PSS/E的負(fù)荷模型作了對比，對應(yīng)關(guān)系如表4。

表4 BPA與PSS/E負(fù)荷模型比較

2.5 兩端直流模型

BPA原有兩端直流系統(tǒng)控制模型D卡，根據(jù)實(shí)際投入運(yùn)行的直流系統(tǒng)又新增了DM/DZ和DN/DZ控制卡，其中DM/DZ為CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)的控制系統(tǒng)模型，而DN/DZ控制系統(tǒng)源于西門子公司設(shè)計(jì)的貴廣和天廣直流輸電工程的控制系統(tǒng)模型[8]。新的直流控制系統(tǒng)整流側(cè)由定電流控制和 ?min控制兩部分組成，逆變側(cè)配有定電流控制和定熄弧角(γ)控制。整流側(cè)和逆變側(cè)都配有VDCOL控制(低壓限流環(huán)節(jié))，逆變側(cè)還配有CEC控制(電流偏差控制)。

PSS/E直流模型包括通用標(biāo)準(zhǔn)直流模型(如 CDC4、CDC6等)和制造商定制模型(如 CASEA1、CDCVUP和 CDCAB1等)。通用直流模型不考慮直流線路內(nèi)部的暫態(tài)過程，屬于直流響應(yīng)模型，而制造商定制模型是實(shí)際直流工程的詳細(xì)模型，具有詳細(xì)的控制系統(tǒng)。通用直流模型整流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定電壓(或定熄弧角)控制，并可根據(jù)模式開關(guān)切換控制方式，同時用戶還可以添加直流調(diào)制輔助信號，PSS/E通用直流模型還設(shè)定了閉鎖、旁通和重啟動功能，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，BPA和PSS/E的通用標(biāo)準(zhǔn)直流模型較為接近，一般根據(jù)研究的需要使用 CDC4或 CDC6模型來進(jìn)行近似。

3 算例分析

數(shù)據(jù)取自于BPA自帶2DC算例，該系統(tǒng)包含4條500kV交流母線，共有5臺發(fā)電機(jī)(3臺經(jīng)典二階發(fā)電機(jī)和1臺水輪發(fā)電機(jī))，并含有一條單極800kV、輸送容量1 440 MW的直流輸電線路，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 算例單線圖

3.1 潮流比較

轉(zhuǎn)換后潮流數(shù)據(jù)比對如表5所示。

從表5中可以看出，由于BPA和PSS/E對潮流結(jié)果保留的有效位數(shù)不同，導(dǎo)致兩者的潮流結(jié)果存在較小差異，但誤差均在許可的范圍之內(nèi)，可見對于交直流系統(tǒng)的潮流轉(zhuǎn)換還是比較有效的。

3.2 暫態(tài)分析比較

故障設(shè)置為SOUTH母線處0 s時發(fā)生三相短路接地，0.1 s后故障消失，不切除線路，分別使用BPA暫態(tài)程序和PSS/E仿真該故障，仿真結(jié)果如圖2所示。

表5 BPA與PSS/E潮流比較

圖2 暫態(tài)仿真結(jié)果比較圖

圖2 表明，0 s故障發(fā)生時，直流逆變側(cè)交流母線電壓迅速降低為0，BPA和PSS/E直流系統(tǒng)都發(fā)生了換相失敗故障，直流電壓也迅速降低為0，0.1 s故障切除后，由于直流控制系統(tǒng)的差異，BPA模型直流電壓立即恢復(fù)，而PSS/E直流模型需要按電壓恢復(fù)速率(VRAMP)，經(jīng)過最小旁通時間(TBYPAS)后恢復(fù)正常，恢復(fù)過程略有差異，但故障母線電壓恢復(fù)一致，表明兩個程序在暫態(tài)仿真時也具有較好的一致性，同時也表明PSS/E直流模型同樣能夠正確反映直流的動態(tài)響應(yīng)，滿足系統(tǒng)仿真要求。

4 結(jié)束語

BPA和PSS/E的潮流數(shù)據(jù)能夠較好的對應(yīng)，對于交直流系統(tǒng)，只要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換正確，兩個程序的潮流結(jié)果具有較好的一致性。而對于暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，雖然部分暫態(tài)模型存在差異，需要進(jìn)行局部近似處理，但仿真暫穩(wěn)態(tài)過程基本一致。因此，BPA數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換為PSS/E數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行全國大聯(lián)網(wǎng)計(jì)算，并可作為第二程序來檢驗(yàn)電力系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，以彌補(bǔ)單一電力仿真軟件對大電網(wǎng)仿真計(jì)算時不能夠滿足實(shí)際研究需要的缺陷。

[1]中國版BPA潮流程序用戶手冊(4.0版)[M].北京:中國電力科學(xué)研究院，2007.

[2]PSS/E31 Program Operation Manual[M].New York，USA:Power Technologies Inc.(PTI)，2004.

[3]馬龍義.交直流電力系統(tǒng)BPA與PSS/E潮流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析[J].華中電力，2012，25(1):82 －86.

[4]PSS/E31 Program Application Guide[M].New York，USA:Power Technologies Inc.(PTI)，2004.

[5]祝瑞金.PSS/E通用發(fā)電機(jī)模型的應(yīng)用研究[J].華東電力，2004，32(3):4－7.

[6]中國版BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊(4.0版)[M].北京:中國電力科學(xué)研究院，2007.

[7]楊茹.BAP－PSS/E模型對比計(jì)算研究及數(shù)據(jù)接口程序開發(fā)[D].北京:華北電力大學(xué)，2006.

[8]宋新立，吳小辰.PSD－BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中的新直流輸電準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(1):63－66.