陳宇川， 蔡澤祥， 朱林， 蘇海林， 金小明， 周保榮， 張東輝

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

?

PSS/E中雙端直流系統(tǒng)自定義建模與仿真

陳宇川1， 蔡澤祥1， 朱林1， 蘇海林1， 金小明2， 周保榮2， 張東輝2

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

對PSS/E下常規(guī)雙端直流系統(tǒng)的自定義建模展開了深入研究。首先，從深入研究了PSS/E自定義建模原理；然后，對直流自定義建模的方法，對建模中的關(guān)鍵問題，即換流器在機(jī)電暫態(tài)下的建模即改進(jìn)，控制的建模，進(jìn)行了深入分析；最后，以CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)為例搭建了自定義模型，并與PSCAD/EMTDC環(huán)境下的模型進(jìn)行了仿真結(jié)果對比，驗(yàn)證了所建自定義直流模型的正確性和PSS/E自定義功能的實(shí)用性。

直流系統(tǒng);PSS/E;自定義建模;等效注入電流;機(jī)電暫態(tài)

0 引 言

交直流混聯(lián)電網(wǎng)對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行分析的仿真計(jì)算提出了更高要求，尤其是對直流系統(tǒng)有模型精確、仿真高效、支持大規(guī)模電網(wǎng)等多方面的綜合要求。國內(nèi)外通常采用PSCAD/EMTDC和RTDS對直流系統(tǒng)進(jìn)行精確的電磁暫態(tài)仿真，但電磁暫態(tài)仿真效率較低，難以滿足交直流混聯(lián)大電網(wǎng)的快速仿真要求。在大電網(wǎng)下采用運(yùn)行高效的PSASP、BPA、PSS/E等機(jī)電暫態(tài)仿真軟件，且不斷提升機(jī)電模型的仿真精度是一種可行的解決方案。但必須注意的是，目前商業(yè)軟件中的直流及其控制模塊均已“黑箱”封裝，用戶不可控制及更改其結(jié)構(gòu)。由于交直流混聯(lián)電網(wǎng)的復(fù)雜性，用戶對元件動態(tài)、控制策略、系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等均存在積累認(rèn)識過程。但現(xiàn)有的這種“黑箱”封裝模式，沒有預(yù)留更改接口，用戶無法對其主動融入相關(guān)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識。

為了實(shí)現(xiàn)模型的改動，也有商業(yè)軟件提供了間接方案，即通過預(yù)設(shè)的程序接口，允許用戶調(diào)用程序內(nèi)容數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)元件模型的自定義模擬。這通常被稱為軟件的自定義功能。具備自定義功能后，用戶可完全根據(jù)自身的研究對象和仿真需求，利用標(biāo)準(zhǔn)化的接口，通過特定的計(jì)算機(jī)語言，以及遵循合理的流程，實(shí)現(xiàn)對研究對象的透明化模擬。利用自定義功能建模，更可以將元件運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及模型的認(rèn)識有效融入，從而實(shí)現(xiàn)主動式的模型精度提升。

在北美及歐洲獲得廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)分析軟件PSS/E，在用戶自定義功能這塊具備突出的特色，相關(guān)的研究不斷有報(bào)道[1-3]。但研究對象也僅涉及勵磁系統(tǒng)[4-7]、調(diào)速器[8]，自動發(fā)電控制[9]這類單一端口的簡單元件，鮮有對直流系統(tǒng)這類復(fù)雜對象的研究。

針對上述問題，本文首先根據(jù)PSS/E程序的結(jié)構(gòu)設(shè)置，深入研究了PSS/E自定義建模方法，以直流系統(tǒng)為具體的研究對象，明確了其自定義建模方法；然后，依據(jù)直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，重點(diǎn)介紹了換流器、控制系統(tǒng)和直流線路的建模實(shí)施步驟，展開了自定義模型在數(shù)據(jù)要求、流程管控、模型適用性等方面的深入討論；最后，以CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)為例搭建了相應(yīng)的自定義模型，并與PSCAD/EMTDC下的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了對比測試。

1 PSS/E自定義建模原理

在程序結(jié)構(gòu)方面，PSS/E程序?qū)⒃Ｐ蛶煲訢LL動態(tài)鏈接庫的形式加載，按照預(yù)設(shè)的固定流程進(jìn)行重復(fù)性調(diào)用。在調(diào)用過程中，需要分別完成代數(shù)量、狀態(tài)量的計(jì)算。同時(shí)，相關(guān)的輸入、輸出數(shù)據(jù)均需要有專門的數(shù)組貯存并供主程序調(diào)用。

在自定義建模中，PSS/E會使用各類數(shù)據(jù)，這里包括了各種參數(shù)變量和常量，即元件模型中的放大倍數(shù)、時(shí)間常數(shù)、輸入及輸出變量等。利用PSS/E進(jìn)行自定義建模，必須妥善處理好所采用的數(shù)據(jù)進(jìn)行類型定義和歸類貯存與管理。在PSS/E主程序中已出現(xiàn)的，可視為全局?jǐn)?shù)據(jù)，可供自定義模型直接調(diào)用，無需重復(fù)定義。相關(guān)數(shù)據(jù)要以動態(tài)數(shù)組的形式貯存。常見的數(shù)組及其功能如表1所示。因此，PSS/E的自定義建模實(shí)際上就是一種利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)語言，按照預(yù)設(shè)的調(diào)用流程、接口要求，生成研究對象數(shù)學(xué)模型的庫文件，并供PSS/E程序識別調(diào)用的過程。這個(gè)過程的核心是在鏈接子程序CONEC和CONET文件[10]44-46中完成對研究對象的特定描述。

在CONEC中，主要考慮的是建模元件的自身結(jié)構(gòu)及其各組成單元間的邏輯關(guān)系。因此，針對不同的建模對象在CONEC中的具體工作內(nèi)容會有區(qū)別，但工作流程相同。均要按照PSS/E程序的接口要求，通過內(nèi)部標(biāo)志MODE[10]48的改變依次完成模型的初始化、代數(shù)量計(jì)算與狀態(tài)量計(jì)算更新等，如圖1所示。

圖1 直流自定義模型的初始化

數(shù)組內(nèi)容索引CON常數(shù)CON數(shù)ICON整數(shù)ICON數(shù)STATE狀態(tài)變量STATE數(shù)DSTATE狀態(tài)變量對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)STATE數(shù)VOLT母線標(biāo)幺電壓值母線的順序編號VAR代數(shù)變量VAR數(shù)CURNT網(wǎng)絡(luò)求解的電流注入量母線順序號

在CONET文件中，主要完成節(jié)點(diǎn)對系統(tǒng)的注入電流計(jì)算。這一過程在下節(jié)詳細(xì)介紹。

2 PSS/E中直流系統(tǒng)自定義建模方法

對于復(fù)雜元件的自定義建模，需要考慮其元件自身結(jié)構(gòu)及各組成單元間的邏輯關(guān)系，同時(shí)還要解決研究對象與PSS/E程序的交互。以直流系統(tǒng)而言，換流母線可視為直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的連接紐帶。從交流側(cè)看，直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)的作用可體現(xiàn)在換流母線上的功率注入。從直流側(cè)看，交流系統(tǒng)對直流系統(tǒng)的作用可體現(xiàn)在對換流器觸發(fā)角的改變。因此，對直流系統(tǒng)的自定義建模可以依托換流母線分割成相對獨(dú)立的兩個(gè)部分，如圖2所示。

第一個(gè)部分，是模擬直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的功率交互。在PSS/E暫態(tài)仿真過程中的交互功率并不能直接使用，結(jié)合自定義模型在鏈接子程序CONEC和CONET中的工作內(nèi)容，可將直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)在功率方面的注入轉(zhuǎn)換成其他形式。本文的思路是選擇將換流母線上的注入功率與母線電壓聯(lián)立，進(jìn)一步將交互的功率轉(zhuǎn)化成在換流母線上的注入電流形式，如圖2所示。在每一仿真時(shí)步，PSS/E程序計(jì)算節(jié)點(diǎn)注入電流并采用CURNT數(shù)組保存。注入電流在PSS/E中的執(zhí)行方法如式(1)～(2)所示：

CURNT(N)=CURNT(N)+DC_Contribution

(1)

(2)

第二個(gè)部分，是模擬直流系統(tǒng)的本身動態(tài)。在PSS/E中可利用內(nèi)部數(shù)組VOLT讀取每個(gè)時(shí)步下的換流母線電壓幅值和相角。將這些數(shù)據(jù)輸入到具體的直流控制環(huán)節(jié)中，譬如定電壓、定電流控制環(huán)節(jié)中，就可獲得對應(yīng)換流器工作的觸發(fā)角。結(jié)合換流器的數(shù)學(xué)模型，可獲得直流電壓、直流電流等一系列直流電氣量。

綜上所述，自定義模型既要承擔(dān)反映元件動態(tài)的微分方程求解，又需要計(jì)算注入電流，并完成代數(shù)方程求解。可采用PSS/E中的協(xié)調(diào)調(diào)用模式(Coordinated Call Models，CCM)實(shí)現(xiàn)自定義模型的兩部分工作結(jié)合要求。但要注意協(xié)調(diào)調(diào)用模式有特定的格式要求，即以子程序的形式寫在CONEC文件中，將主程序的第一個(gè)字母替換成T后命名。

圖2 電流注入類自定義模型的實(shí)現(xiàn)

3 直流自定義建模的關(guān)鍵問題

3.1 換流器模型及其改進(jìn)

換流器是直流系統(tǒng)中的核心器件，目前在機(jī)電暫態(tài)程序中主要采用的是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。換流器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型如式(3)～(16)式所示[10]356-364：

整流側(cè)：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

逆變側(cè):

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

其中Uac,net為換流母線電壓值，Eac為換流母線電壓經(jīng)過換流變比之后的值，Udc為直流電壓，Udio為理想空載直流電壓，Idc為直流電流，TR為換流變壓器的變比，TAP為變比分接頭，N為換流橋橋數(shù)，α為點(diǎn)火角，γ為熄弧角，μ為換向重疊角，Pac和Qac分別為交流側(cè)向直流注入的有功和無功功率，φ為功率因素角。

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型在推導(dǎo)過程中存在假設(shè)條件的限制要求[11-13]：(1) 換流器母線的三相交流電壓是對稱、平衡的正弦波；(2) 換流器本身的運(yùn)行是完全對稱平衡的；(3) 直流電流和直流電壓是平直的。但在實(shí)際仿真中，上述理想化的要求難于完全嚴(yán)格滿足。同時(shí)，機(jī)電暫態(tài)下的換流器工作電路是采用平均導(dǎo)通的情況來模擬。故而也不能表示詳細(xì)的換相過程，因此也無法具體展現(xiàn)對逆變器換相失敗以及控制系統(tǒng)對換流過程的影響。這將直接導(dǎo)致?lián)Q流器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型與電磁暫態(tài)模型在換相失敗期間的電氣量輸出會存在一定差異。

在換流器模型的精度提升方面，可充分發(fā)揮自定義模型靈活的特點(diǎn)，即通過提取電磁暫態(tài)直流模型獲取換相失敗期間的響應(yīng)特征，并將提取到的故障響應(yīng)特征加載到自定義直流模型中，從而改善在換相失敗期間的直流輸出特性。

3.2 控制系統(tǒng)建模

直流控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測和讀取直流線路中整流側(cè)和逆變側(cè)的電壓和電流，通過控制系統(tǒng)作用輸出觸發(fā)角并送至換流器中。通常，整流側(cè)采用定電流控制，而逆變側(cè)采用定電壓控制或定熄弧角控制。本文中的控制系統(tǒng)參考CIGRE直流模型，其控制框圖如圖3所示。

圖3 CIGRE直流模型控制框圖

其中各變量的下標(biāo)REC和INV分別代表該數(shù)據(jù)為整流側(cè)和逆變側(cè)的數(shù)據(jù)；輸入量Udc,Idcc,γ別為直流電壓，直流電流和熄弧角；K和T分別為各類放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)。自定義建模時(shí)，需將對應(yīng)的換流器模型及相關(guān)的控制系統(tǒng)以Fortran或Flecs語言以代碼的形式寫入CONEC文件中。另外，所使用的數(shù)據(jù)中，常量如線路數(shù)據(jù)、初始化電氣量如Pord,γord,由潮流sav文件中獲得，控制參數(shù)值如各類積分時(shí)間常數(shù)由動態(tài)dyr文件中獲得，而控制過程中的變量如直流電流、電壓Id，Vd等需要結(jié)合換流器模型從程序內(nèi)部計(jì)算中獲得。

3.3 直流控制的小步長模擬

在機(jī)電暫態(tài)程序中，交流仿真步長通常設(shè)置為0.5個(gè)周波，即0.01 s。但在直流系統(tǒng)中，直流控制屬于毫秒級，采用0.01 s的仿真步長將明顯過大，無法展現(xiàn)直流控制的快速調(diào)節(jié)。因此，應(yīng)在直流自定義模型中采用小步長，從而實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的不同步長仿真。針對該問題，可在自定義模型的執(zhí)行流程中進(jìn)行調(diào)整。

初始化結(jié)束后，PSS/E程序?qū)⒃诿總€(gè)仿真時(shí)步循環(huán)執(zhí)行自定義模型中MODE=2和MODE=3的內(nèi)容。

MODE=2，主要涉及直流控制系統(tǒng)，核心工作是讀取兩側(cè)換流母線電壓、換流變變比,求出直流電壓、直流電流,并對控制環(huán)節(jié)中的各個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行求導(dǎo)，進(jìn)而得出這一時(shí)步下整流側(cè)和逆變側(cè)的觸發(fā)角。

MODE=3，主要涉及對等效注入電流的處理，核心工作是利用更新后的各狀態(tài)量，得到直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)換流母線上注入功率，利用CCM模式將注入功率轉(zhuǎn)化成等效注入電流，并存儲在PSS/E內(nèi)部數(shù)組CURNT中。

交流積分步長顯著大于直流積分步長，可在自定義模型中按照多步長比值次數(shù)循環(huán)執(zhí)行MODE=2的內(nèi)容，再執(zhí)行一次MODE=3的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的不同步長仿真。

4 仿真案例研究

以CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)為例[14]，在PSS/E中以上述方法搭建了雙端直流模型，并與PSCAD/EMTDC環(huán)境下的該模型進(jìn)行了仿真結(jié)果對比，以此驗(yàn)證本文所建模型的正確性?？刂瓶驁D的各類參數(shù)值如表2所示，仿真系統(tǒng)為南方電網(wǎng)某一實(shí)際案例。

表2 直流控制模型中的各項(xiàng)參數(shù)

案例一：系統(tǒng)于0.1 s在逆變站換流母線處發(fā)生三相金屬性故障，落后0.1 s后故障清除。相關(guān)仿真曲線如圖4所示。

圖4 逆變側(cè)換流母線三相金屬性故障仿真結(jié)果

圖4中的曲線依次是直流電壓，直流電流，逆變側(cè)的直流功率，逆變側(cè)換流器消耗的有功功率，逆變側(cè)熄弧角。圖中除熄弧角之外均采用標(biāo)幺值，其中直流電壓基準(zhǔn)值為直流電壓額定值500 kV,功率的基準(zhǔn)值為直流額定傳輸功率5 000 MW。由圖4可知，所搭建的PSS/E直流自定義模型與EMTDC下的詳細(xì)電磁暫態(tài)模型相比，在故障期間能準(zhǔn)確的反應(yīng)詳細(xì)直流模型動態(tài)響應(yīng)特性的關(guān)鍵信息。即換相失敗期間逆變側(cè)的熄弧角降為0°，兩側(cè)直流電壓振蕩衰減與直流電流增減的特征與幅值全部吻合。盡管也存在故障切除時(shí)刻兩者之間的差異，但在后續(xù)的恢復(fù)過程中，兩模型的仿真結(jié)果趨于一致。

案例二：系統(tǒng)于0.1 s在逆變站換流母線處發(fā)生非三相金屬性故障，過渡電阻18 Ω，0.1 s后故障清除。相關(guān)仿真曲線如圖5所示。

圖5 逆變側(cè)換流母線三相非金屬性故障仿真結(jié)果

圖5中的曲線依次是直流電壓，直流電流，逆變側(cè)的直流功率，逆變側(cè)換流器消耗的有功功率，逆變側(cè)熄弧角。由圖5可知，所搭建的PSS/E直流自定義模型與EMTDC下的詳細(xì)電磁暫態(tài)模型在故障及恢復(fù)期間的特性吻合，變化趨勢一致。上述案例驗(yàn)證了所建自定義直流模型的正確性。還可進(jìn)一步利用PSS/E自定義功能，根據(jù)實(shí)際需求加入輔助控制環(huán)節(jié)，從而自定義出更接近實(shí)際的模型。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)研究了PSS/E下直流系統(tǒng)自定義建模方法，以CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)為藍(lán)本搭建了自定義模型。相關(guān)仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建自定義直流模型的可用性和PSS/E自定義功能的有效性。本文的工作可為其他復(fù)雜元件在PSS/E下的自定義建模提供指導(dǎo)與依據(jù)。

[1] 李娜, 徐政. PSS/E中風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越模擬方法[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013, 41 (8): 23-29.

[2] 張坤, 林俐, 李欣, 等. 基于PSS/E的調(diào)速器自定義模型設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電力,2011, 28(2)：12-16.

[3] 馬寧寧, 王德林. 風(fēng)電系統(tǒng)的空氣動力PSS/E自定義模型[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2014, 8(5): 80-83.

[4] 錢葉牛, 董亞旭, 李國慶. 基于FORTRAN編程的PSS/E用戶自定義勵磁系統(tǒng)建模[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2011，31(4)：101-106.

[5] 丁傲, 謝歡, 劉平, 等. 發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器低勵限制協(xié)調(diào)控制分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2012, 36(8)：193-198.

[6] 陳義宣，王曉茹，廖國棟，等. PSS/E 勵磁系統(tǒng)的自定義建模[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2009, 33(18): 78-83.

[7] 駱玲, 文勁宇. PSS/E用戶自定義功能在勵磁系統(tǒng)建模中的應(yīng)用研究[J]. 電氣應(yīng)用,2007，26(8)：21-24.

[8] 張坤, 林俐, 李欣, 等. 基于PSS/E的調(diào)速器自定義模型設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電力,2011, 28(2): 12-16.

[9] 陳琰, 黃志龍. PSS/E中自定義AGC模型在頻率動態(tài)仿真中的實(shí)現(xiàn)[J]. 華東電力,2006, 34(8), 765-768.

[10] SIEMENS PTI．Program application guide of PSS/E-33 [R]．Schenectady，NY，USA, PTI Inc, 2010.

[11] KUNDER P. Power system stability and control [M]. New York: McGraw-Hill, Inc, 1994.

[12] 徐政, 蔡曄, 劉國平. 大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的相關(guān)問題[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2002, 26(15): 4-8.

[13] 楊衛(wèi)東, 徐政, 韓禎祥. 基于 NETOMAC 軟件的直流輸電系統(tǒng)混合仿真計(jì)算及參數(shù)優(yōu)化[J]電網(wǎng)技術(shù),2000, 24(12): 11-16.

[14] 徐政. 交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

User-defined Modeling and Simulation of a Two-terminal DC System in PSS/E

Chen Yuchuan1, Cai Zexiang1, Zhu Lin1, Su Hailin1, Jin Xiaoming2, Zhou Baorong2, Zhang Donghui2

(1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China;2. Research Institute of China Southern Power Grid, Guangzhou Guangdong 510080, China)

This paper studies in depth a user-defined modeling for the regular two-terminal DC system in PSS/E. After a detailed study of the principle of user-defined modeling, it analyzes the method for user-defined DC modeling and the key issue of converter modeling in the electromechanical transient, namely an improved modeling under control. Finally, a user-defined model is established on the base of CIGRE standard testing system for power transmission, and simulation result is compared with the model in the PSCAD/EMTDC environment. The correctness of the established user-defined DC model and the practicability of the user-defined function of PSS/E are thus verified.

DC system;PSS/E;user-defined modeling; equivalent injection current; electromechanical transient

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407079)。Foundation item: Project Supported by the National Natural Science Foundation of China (51407079)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.024

TM72

A

1000-3886(2016)04-0075-05

陳宇川(1991-)，男，云南臨滄人,碩士生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)、控制與自動化。

朱林(1979-)，男，廣西柳州人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。

定稿日期: 2015-12-15