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/EANDTHEIRAPPLICABILITYINSIMULATIONS

HUANGYing，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，P_set、I_set、V_set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；V_dcm为直流线路上维持电压恒定点处的直流电压；R_comp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R_dc(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ΔP
PSS/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，S_in、S_in,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-Dep[1][2][3]下一页