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    PSS/E中雙端直流系統(tǒng)自定義建模與仿真

    2016-12-07 06:00:48陳宇川蔡澤祥朱林蘇海林金小明周保榮張東輝
    電氣自動(dòng)化 2016年4期
    關(guān)鍵詞:模型系統(tǒng)

    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)

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    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(duì)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(duì)直流自定義建模的方法,對(duì)建模中的關(guān)鍵問(wèn)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)外通常采用PSCAD/EMTDC和RTDS對(duì)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(duì)元件動(dòng)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(shí)過(guò)程。但現(xiàn)有的這種“黑箱”封裝模式,沒(méi)有預(yù)留更改接口,用戶無(wú)法對(duì)其主動(dòng)融入相關(guān)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)。

    為了實(shí)現(xiàn)模型的改動(dòng),也有商業(yè)軟件提供了間接方案,即通過(guò)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(duì)象和仿真需求,利用標(biāo)準(zhǔn)化的接口,通過(guò)特定的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,以及遵循合理的流程,實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)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(shí)有效融入,從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)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(duì)象也僅涉及勵(lì)磁系統(tǒng)[4-7]、調(diào)速器[8],自動(dòng)發(fā)電控制[9]這類單一端口的簡(jiǎn)單元件,鮮有對(duì)直流系統(tǒng)這類復(fù)雜對(duì)象的研究。

    針對(duì)上述問(wèn)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(duì)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(cè)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(duì)比測(cè)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?kù)以DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(guò)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(huì)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(wú)需重復(fù)定義。相關(guān)數(shù)據(jù)要以動(dòng)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(yǔ)言,按照預(yù)設(shè)的調(diào)用流程、接口要求,生成研究對(duì)象數(shù)學(xué)模型的庫(kù)文件,并供PSS/E程序識(shí)別調(diào)用的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程的核心是在鏈接子程序CONEC和CONET文件[10]44-46中完成對(duì)研究對(duì)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(duì)不同的建模對(duì)象在CONEC中的具體工作內(nèi)容會(huì)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(guò)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(duì)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(hào)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(hào)

    在CONET文件中,主要完成節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的注入電流計(jì)算。這一過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)直流系統(tǒng)的作用可體現(xiàn)在對(duì)換流器觸發(fā)角的改變。因此,對(duì)直流系統(tǒng)的自定義建??梢砸劳袚Q流母線分割成相對(duì)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(guò)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(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)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??刹捎肞SS/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(wèn)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(guò)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(wú)功功率,φ為功率因素角。

    準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型在推導(dǎo)過(guò)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(duì)稱、平衡的正弦波;(2) 換流器本身的運(yùn)行是完全對(duì)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(lái)模擬。故而也不能表示詳細(xì)的換相過(guò)程,因此也無(wú)法具體展現(xiàn)對(duì)逆變器換相失敗以及控制系統(tǒng)對(duì)換流過(guò)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(huì)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(guò)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(cè)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(guò)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(duì)應(yīng)的換流器模型及相關(guān)的控制系統(tǒng)以Fortran或Flecs語(yǔ)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(dòng)態(tài)dyr文件中獲得,而控制過(guò)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(zhǎng)模擬

    在機(jī)電暫態(tài)程序中,交流仿真步長(zhǎng)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(jí),采用0.01 s的仿真步長(zhǎng)將明顯過(guò)大,無(wú)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(zhǎng),從而實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的不同步長(zhǎng)仿真。針對(duì)該問(wèn)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ)在PSS/E內(nèi)部數(shù)組CURNT中。

    交流積分步長(zhǎng)顯著大于直流積分步長(zhǎng),可在自定義模型中按照多步長(zhǎng)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(zhǎng)仿真。

    4 仿真案例研究

    以CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(duì)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(dòng)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(guò)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(guò)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(shì)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(yǔ)

    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(cè)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)。

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    [14] 徐政. 交直流電力系統(tǒng)動(dòng)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(guó)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(dòng)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

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