PSS/E中双端直流系统自定义建模与仿真

陈宇川， 蔡泽祥， 朱林， 苏海林， 金小明， 周保荣， 张东辉

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；2.南方电网科学研究院，广东 广州 510080)



PSS/E中双端直流系统自定义建模与仿真

陈宇川1， 蔡泽祥1， 朱林1， 苏海林1， 金小明2， 周保荣2， 张东辉2

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；2.南方电网科学研究院，广东 广州 510080)

对PSS/E下常规双端直流系统的自定义建模展开了深入研究。首先，从深入研究了PSS/E自定义建模原理；然后，对直流自定义建模的方法，对建模中的关键问题，即换流器在机电暂态下的建模即改进，控制的建模，进行了深入分析；最后，以CIGRE直流输电标准测试系统为例搭建了自定义模型，并与PSCAD/EMTDC环境下的模型进行了仿真结果对比，验证了所建自定义直流模型的正确性和PSS/E自定义功能的实用性。

直流系统;PSS/E;自定义建模;等效注入电流;机电暂态

0 引 言

交直流混联电网对电力系统安全稳定运行分析的仿真计算提出了更高要求，尤其是对直流系统有模型精确、仿真高效、支持大规模电网等多方面的综合要求。国内外通常采用PSCAD/EMTDC和RTDS对直流系统进行精确的电磁暂态仿真，但电磁暂态仿真效率较低，难以满足交直流混联大电网的快速仿真要求。在大电网下采用运行高效的PSASP、BPA、PSS/E等机电暂态仿真软件，且不断提升机电模型的仿真精度是一种可行的解决方案。但必须注意的是，目前商业软件中的直流及其控制模块均已“黑箱”封装，用户不可控制及更改其结构。由于交直流混联电网的复杂性，用户对元件动态、控制策略、系统运行经验等均存在积累认识过程。但现有的这种“黑箱”封装模式，没有预留更改接口，用户无法对其主动融入相关经验认识。

为了实现模型的改动，也有商业软件提供了间接方案，即通过预设的程序接口，允许用户调用程序内容数据，从而实现元件模型的自定义模拟。这通常被称为软件的自定义功能。具备自定义功能后，用户可完全根据自身的研究对象和仿真需求，利用标准化的接口，通过特定的计算机语言，以及遵循合理的流程，实现对研究对象的透明化模拟。利用自定义功能建模，更可以将元件运行经验及模型的认识有效融入，从而实现主动式的模型精度提升。

在北美及欧洲获得广泛应用的电力系统分析软件PSS/E，在用户自定义功能这块具备突出的特色，相关的研究不断有报道[1-3]。但研究对象也仅涉及励磁系统[4-7]、调速器[8]，自动发电控制[9]这类单一端口的简单元件，鲜有对直流系统这类复杂对象的研究。

针对上述问题，本文首先根据PSS/E程序的结构设置，深入研究了PSS/E自定义建模方法，以直流系统为具体的研究对象，明确了其自定义建模方法；然后，依据直流系统的结构组成，重点介绍了换流器、控制系统和直流线路的建模实施步骤，展开了自定义模型在数据要求、流程管控、模型适用性等方面的深入讨论；最后，以CIGRE直流输电标准测试系统为例搭建了相应的自定义模型，并与PSCAD/EMTDC下的电磁暂态模型进行了对比测试。

1 PSS/E自定义建模原理

在程序结构方面，PSS/E程序将元件模型库以DLL动态链接库的形式加载，按照预设的固定流程进行重复性调用。在调用过程中，需要分别完成代数量、状态量的计算。同时，相关的输入、输出数据均需要有专门的数组贮存并供主程序调用。

在自定义建模中，PSS/E会使用各类数据，这里包括了各种参数变量和常量，即元件模型中的放大倍数、时间常数、输入及输出变量等。利用PSS/E进行自定义建模，必须妥善处理好所采用的数据进行类型定义和归类贮存与管理。在PSS/E主程序中已出现的，可视为全局数据，可供自定义模型直接调用，无需重复定义。相关数据要以动态数组的形式贮存。常见的数组及其功能如表1所示。因此，PSS/E的自定义建模实际上就是一种利用标准计算机语言，按照预设的调用流程、接口要求，生成研究对象数学模型的库文件，并供PSS/E程序识别调用的过程。这个过程的核心是在链接子程序CONEC和CONET文件[10]44-46中完成对研究对象的特定描述。

在CONEC中，主要考虑的是建模元件的自身结构及其各组成单元间的逻辑关系。因此，针对不同的建模对象在CONEC中的具体工作内容会有区别，但工作流程相同。均要按照PSS/E程序的接口要求，通过内部标志MODE[10]48的改变依次完成模型的初始化、代数量计算与状态量计算更新等，如图1所示。

图1 直流自定义模型的初始化

数组内容索引CON常数CON数ICON整数ICON数STATE状态变量STATE数DSTATE状态变量对时间的导数STATE数VOLT母线标幺电压值母线的顺序编号VAR代数变量VAR数CURNT网络求解的电流注入量母线顺序号

在CONET文件中，主要完成节点对系统的注入电流计算。这一过程在下节详细介绍。

2 PSS/E中直流系统自定义建模方法

对于复杂元件的自定义建模，需要考虑其元件自身结构及各组成单元间的逻辑关系，同时还要解决研究对象与PSS/E程序的交互。以直流系统而言，换流母线可视为直流系统与交流系统的连接纽带。从交流侧看，直流系统对交流系统的作用可体现在换流母线上的功率注入。从直流侧看，交流系统对直流系统的作用可体现在对换流器触发角的改变。因此，对直流系统的自定义建模可以依托换流母线分割成相对独立的两个部分，如图2所示。

第一个部分，是模拟直流系统与交流系统的功率交互。在PSS/E暂态仿真过程中的交互功率并不能直接使用，结合自定义模型在链接子程序CONEC和CONET中的工作内容，可将直流系统对交流系统在功率方面的注入转换成其他形式。本文的思路是选择将换流母线上的注入功率与母线电压联立，进一步将交互的功率转化成在换流母线上的注入电流形式，如图2所示。在每一仿真时步，PSS/E程序计算节点注入电流并采用CURNT数组保存。注入电流在PSS/E中的执行方法如式(1)～(2)所示：

CURNT(N)=CURNT(N)+DC_Contribution

(1)

(2)

第二个部分，是模拟直流系统的本身动态。在PSS/E中可利用内部数组VOLT读取每个时步下的换流母线电压幅值和相角。将这些数据输入到具体的直流控制环节中，譬如定电压、定电流控制环节中，就可获得对应换流器工作的触发角。结合换流器的数学模型，可获得直流电压、直流电流等一系列直流电气量。

综上所述，自定义模型既要承担反映元件动态的微分方程求解，又需要计算注入电流，并完成代数方程求解。可采用PSS/E中的协调调用模式(Coordinated Call Models，CCM)实现自定义模型的两部分工作结合要求。但要注意协调调用模式有特定的格式要求，即以子程序的形式写在CONEC文件中，将主程序的第一个字母替换成T后命名。

图2 电流注入类自定义模型的实现

3 直流自定义建模的关键问题

3.1 换流器模型及其改进

换流器是直流系统中的核心器件，目前在机电暂态程序中主要采用的是准稳态模型。换流器准稳态模型如式(3)～(16)式所示[10]356-364：

整流侧：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

逆变侧:

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

其中Uac,net为换流母线电压值，Eac为换流母线电压经过换流变比之后的值，Udc为直流电压，Udio为理想空载直流电压，Idc为直流电流，TR为换流变压器的变比，TAP为变比分接头，N为换流桥桥数，α为点火角，γ为熄弧角，μ为换向重叠角，Pac和Qac分别为交流侧向直流注入的有功和无功功率，φ为功率因素角。

准稳态模型在推导过程中存在假设条件的限制要求[11-13]：(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。但在实际仿真中，上述理想化的要求难于完全严格满足。同时，机电暂态下的换流器工作电路是采用平均导通的情况来模拟。故而也不能表示详细的换相过程，因此也无法具体展现对逆变器换相失败以及控制系统对换流过程的影响。这将直接导致换流器准稳态模型与电磁暂态模型在换相失败期间的电气量输出会存在一定差异。

在换流器模型的精度提升方面，可充分发挥自定义模型灵活的特点，即通过提取电磁暂态直流模型获取换相失败期间的响应特征，并将提取到的故障响应特征加载到自定义直流模型中，从而改善在换相失败期间的直流输出特性。

3.2 控制系统建模

直流控制系统实时监测和读取直流线路中整流侧和逆变侧的电压和电流，通过控制系统作用输出触发角并送至换流器中。通常，整流侧采用定电流控制，而逆变侧采用定电压控制或定熄弧角控制。本文中的控制系统参考CIGRE直流模型，其控制框图如图3所示。

图3 CIGRE直流模型控制框图

其中各变量的下标REC和INV分别代表该数据为整流侧和逆变侧的数据；输入量Udc,Idcc,γ别为直流电压，直流电流和熄弧角；K和T分别为各类放大倍数和时间常数。自定义建模时，需将对应的换流器模型及相关的控制系统以Fortran或Flecs语言以代码的形式写入CONEC文件中。另外，所使用的数据中，常量如线路数据、初始化电气量如Pord,γord,由潮流sav文件中获得，控制参数值如各类积分时间常数由动态dyr文件中获得，而控制过程中的变量如直流电流、电压Id，Vd等需要结合换流器模型从程序内部计算中获得。

3.3 直流控制的小步长模拟

在机电暂态程序中，交流仿真步长通常设置为0.5个周波，即0.01 s。但在直流系统中，直流控制属于毫秒级，采用0.01 s的仿真步长将明显过大，无法展现直流控制的快速调节。因此，应在直流自定义模型中采用小步长，从而实现直流系统与交流系统的不同步长仿真。针对该问题，可在自定义模型的执行流程中进行调整。

初始化结束后，PSS/E程序将在每个仿真时步循环执行自定义模型中MODE=2和MODE=3的内容。

MODE=2，主要涉及直流控制系统，核心工作是读取两侧换流母线电压、换流变变比,求出直流电压、直流电流,并对控制环节中的各个状态变量进行求导，进而得出这一时步下整流侧和逆变侧的触发角。

MODE=3，主要涉及对等效注入电流的处理，核心工作是利用更新后的各状态量，得到直流系统对交流系统换流母线上注入功率，利用CCM模式将注入功率转化成等效注入电流，并存储在PSS/E内部数组CURNT中。

交流积分步长显著大于直流积分步长，可在自定义模型中按照多步长比值次数循环执行MODE=2的内容，再执行一次MODE=3的内容，从而实现直流系统与交流系统的不同步长仿真。

4 仿真案例研究

以CIGRE直流输电标准测试系统为例[14]，在PSS/E中以上述方法搭建了双端直流模型，并与PSCAD/EMTDC环境下的该模型进行了仿真结果对比，以此验证本文所建模型的正确性。控制框图的各类参数值如表2所示，仿真系统为南方电网某一实际案例。

表2 直流控制模型中的各项参数

案例一：系统于0.1 s在逆变站换流母线处发生三相金属性故障，落后0.1 s后故障清除。相关仿真曲线如图4所示。

图4 逆变侧换流母线三相金属性故障仿真结果

图4中的曲线依次是直流电压，直流电流，逆变侧的直流功率，逆变侧换流器消耗的有功功率，逆变侧熄弧角。图中除熄弧角之外均采用标幺值，其中直流电压基准值为直流电压额定值500 kV,功率的基准值为直流额定传输功率5 000 MW。由图4可知，所搭建的PSS/E直流自定义模型与EMTDC下的详细电磁暂态模型相比，在故障期间能准确的反应详细直流模型动态响应特性的关键信息。即换相失败期间逆变侧的熄弧角降为0°，两侧直流电压振荡衰减与直流电流增减的特征与幅值全部吻合。尽管也存在故障切除时刻两者之间的差异，但在后续的恢复过程中，两模型的仿真结果趋于一致。

案例二：系统于0.1 s在逆变站换流母线处发生非三相金属性故障，过渡电阻18 Ω，0.1 s后故障清除。相关仿真曲线如图5所示。

图5 逆变侧换流母线三相非金属性故障仿真结果

图5中的曲线依次是直流电压，直流电流，逆变侧的直流功率，逆变侧换流器消耗的有功功率，逆变侧熄弧角。由图5可知，所搭建的PSS/E直流自定义模型与EMTDC下的详细电磁暂态模型在故障及恢复期间的特性吻合，变化趋势一致。上述案例验证了所建自定义直流模型的正确性。还可进一步利用PSS/E自定义功能，根据实际需求加入辅助控制环节，从而自定义出更接近实际的模型。

5 结束语

本文详细研究了PSS/E下直流系统自定义建模方法，以CIGRE直流输电标准测试系统为蓝本搭建了自定义模型。相关仿真结果验证了所建自定义直流模型的可用性和PSS/E自定义功能的有效性。本文的工作可为其他复杂元件在PSS/E下的自定义建模提供指导与依据。

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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

国家自然科学基金资助项目(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

陈宇川(1991-)，男，云南临沧人,硕士生，研究方向为电力系统保护、控制与自动化。

朱林(1979-)，男，广西柳州人，副教授，博士，主要研究方向为电力系统保护与控制。

定稿日期: 2015-12-15