基于FORTRAN編程的PSS/E用戶自定義勵磁系統建模

錢葉牛，董亞旭，李國慶

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132012;2.吉林供電公司，吉林吉林132000)

勵磁系統是同步發電機重要組成部分。系統正常運行時，能向發電機提供可調節的勵磁電流，用以調節發電機端電壓和并聯運行機組之間的無功功率分配;當發電機運行狀態變化或發生故障時，能迅速供給足夠大的勵磁電流，確保機端電壓恒定，改善系統運行穩定性［1-2］。因此，在電力系統仿真研究中建立準確的勵磁系統模型至關重要。

PSS/E是美國PTI公司研發的一款電力系統仿真軟件，該仿真軟件具有潮流計算、短路分析、系統等值和動態仿真等諸多功能［3］，已在歐美電力系統得到廣泛應用，國內一些電力公司、研究院和高校也使用該軟件進行電力系統仿真研究［4-6］。PSS/E自1976年推入市場后不斷更新和完善，目前最高商業版本是PSS/E 32.05。雖然，在系統動態仿真中，PSS/E標準模型庫中提供了IEEET1-5、IEEEX1-4、SCRX和SEXS等眾多勵磁系統模型并不斷完善模型庫，但并沒有包含已全部實際應用的勵磁系統［7］。此外，隨著電力技術的高速發展和新型勵磁控制元件不斷投入，標準模型庫也不能完全滿足研究需要。根據實際需要，PSS/E提供了強大的自定義功能，通過自定義功能用戶便可將所需模型整合到PSS/E仿真計算中。

綜上所述，本文在PSS/E環境下，采用FORTRAN語言自定義SEXS型、Vco Type 16型勵磁系統模型，并進行仿真驗證，仿真結果表明本文自定義SEXS型、Vco Type 16型勵磁系統模型的可行性和合理性。

表1 通用型內部存儲數組

1 PSS/E用戶自定義建模

PSS/E用戶自定義模型與PSS/E主程序相互獨立，它僅通過內部存儲數組的接口變量和描敘自定義模型的FORTRAN代碼與主程序相關聯。PSS/E32.05有79個內部數組，其中8個是通用型，分別為:CON數組、ICON數組、CHRICN數組、STATE數組、VAR數組、DSTATE數組、STORE數組和STORMT數組，其作用和數據類型如下表1所示，用戶根據研究需要選擇對應的數組。本文勵磁自定義模型僅使用了CON數組、STATE數組和DSTATE數組。

自定義建模時，需要先確定所建模型傳遞函數或者微分代數方程;然后根據模型確定使用的狀態變量，并推導對應的導數;最后采用FORTRAN或者FLECS語言編寫自定義代碼。一個完整的自定義程序應分為8個子程序，各個子程序功能如表2所示。

表2 8個MODE程序片段作用

表2中的MODE1-4在自定義程序中必不可少，當不使用DOCU和DUDA功能時，MODE5-8可不需要［8］。用戶自定義的難點主要在于MODE1和MODE2子程序編寫，如何恰當地選擇狀態變量并正確地進行初始化和求導是自定義建模的關鍵。

3 常見環節狀態變量選取和求導

PSS/E自定義建模時，通常需將模型的傳遞函數分解為多個一階環節，并選取適當狀態變量，在控制環節中常見的一階環節，見圖1。

圖1 勵磁系統常見的一階環節

3.1 一階積分環節

由傳遞函數可得:sY=U/T，寫成時域的形式為:dy/dt=u/T，可取狀態變量為環節的輸出量，即E=Y。

3.2 一階比例積分環節

若狀態變量為一階比例積分環節的輸出量，通過推導可知該狀態變量的導數表達式中含有輸入量的導數，而輸出量的求導在PSS/E中無對應的數據根式，因而在狀態變量的導數表達式中需要避免出現輸出量的求導計算。本文將比例積分環節通過圖2(a)所示的等價變換。取Y1為狀態變量，E=Y1，可得:sY1=K*U/T，寫成時域的形式為:dy1/dt=K*u/T，即可實現對應的比例積分。

圖2 兩種環節的等價變換

3.3 一階慣性環節

該環節可將輸出量設為狀態變量即E=Y，則有，sY=(U*K-Y)/T，對應的時域表達式為:dy/dt=(u*K -y)/T。

3.4 一階超前滯后環節

該環節取輸出量為狀態變量也將出現輸出量的導數，利用圖2(b)所示的等價變換后，取Y1為狀態變量，E=Y1，可得:sY1=(XE-Y1)/T2，這里 XE=(T2-T1)*U/T2，時域表達式為:dy1/dt=(xey1)/T2，xe=(T2 - T1)*u/T2。

4 SEXS和Vco Type 16型勵磁系統的實現

4.1 SEXS 型勵磁系統［9］

SEXS型勵磁系統為PSS/E標準模型庫中的勵磁系統模型，該勵磁系統的控制框圖如圖3所示。本文首先對該模型自定義建模，并與標準模型庫中的模型進行對比，以驗證自定義建模的正確性和有效性。

由圖3可知，該模型主要由超前滯后環節和慣性環節構成。按前述方法選擇狀態變量，取超前滯后環節所涉及的狀態變量為E1，慣性環節所涉及的狀態變量為E2。表3所示的方式對將模型中的常量和狀態變量分配內存地址。

圖3 SEXS型勵磁系統框圖

表3 SEXS型勵磁系統數組定義情況

表3中變量的定義關系可在.dyr動態數據文件中的數據順序指定，輸入輸出量的存儲內容可參考說明書。自定義代碼的主體主要由4個MODE代碼段構成，分別如下:

上述VERROR、XE、YE、ZE、ZF0、ZF1和 ZF2為中間變量。MAX()和 MIN()為 FORTRAN 內部函數，在調用前需加入語句INTRINSIC MAX，MIN以聲明。

自定義模型代碼編寫完成后，需要進行編譯鏈接，然后進行仿真計算，具體步驟如下:

(1)在PSS/E中導入數據文件*.sav，選擇FNSL命令求解系統潮流;

(2)選擇CONL ALL將負荷模型轉化為ZIP模型;

(3)使用CONG命令將所有發電機轉化為諾頓電流源模型;

(4)導入動態數據文件*.dyr，設置CONEC文件名、CONET文件名和Compile文件名;

(5)選擇CHAN命令，設置信號輸出通道;

(6)保存此時快照文件*.snp，退出PSS/E主程序;

(7)將用戶自定義代碼復制到CONEC文件的末尾，在PSS/E的DOS環境下運行Compile文件編譯用戶自定義模型的FORTRAN源代碼，編譯無錯誤后形成目標文件*.obj，用CLOAD4命令鏈接obj文件，形成DSUSR.DLL，自定義模型信息就包含在該DLL文件中;

(8)打開PSS/E主程序，導入轉化以后的sav文件和snp文件，進行動態仿真計算，系統將自動加載DSUSR.DLL文件調用用戶自定義模型。

4.2 Vco Type 16型勵磁系統

Vco Type 16型勵磁系統為DIGSILENT軟件模型庫中的標準模型，Vco Type 16型勵磁系統框圖如圖4所示，但該模型在PSS/E標準模型庫中不存在，本文擬通過自定義方式在PSS/E中建立該模型。

由圖4可知，該模型由慣性環節和比例積分環節構成，取慣性環節所涉及的狀態變量為E1，比例積分環節所涉及的狀態變量為E2，模型中的常量和狀態變量的定義與內存地址的分配，與SEXS型勵磁系統定義方式相同，只是常量的定義不同，具體情況如表4所示。

圖4 Vco Type 16型勵磁系統框圖

表4 Vco Type 16型勵磁系統常量數組定義情況

MODE=1-4程序編寫過程如前所述，因該模型多了限幅環節，所以在MODE=3的子程序中需做如下修改:

這里的C行是FORTRAN的代碼注釋，VERROR、XE、YE0、YE1、ZE0、ZE1和ZE2為中間變量。

5 算例分析

本文以WSCC3機9節點系統為例進行仿真驗證，系統詳細參數見文獻［10］;動態數據中的發電機模型按文獻［11］的方法選取;G1、G2和G3的調速器模型分別為IEEEG3、IEEEG1和IEEEG1;勵磁模型均為 SEXS 型，參數如下:TA=1 s，TB=4 s，K=200，TE=0.02 s，EMIN= -4.6p.u.，EMAX=6p.u.。為驗證自定義模型的正確性設置了2組擾動:其中場景1的3號發電機勵磁系統為自定義的SEXS型;場景2的3號發電機勵磁系統為自定義Vco Type 16型，Vco Type 16型參數如下:TVM=0.02，T1SP=1，VSKA=20，VSEX=1，UR1MN=EFDMN= -5，UR1MX=EFDMX=5。圖6-9為上述擾動下的3號發電機機端電壓和勵磁電壓仿真輸出波形。

圖5 WSCC3機9節點系統

(1)場景1:2 s時母線STNA處發生三相接地短路，故障持續時間為0.15 s。仿真結果如圖6和圖7所示。

(2)場景2:將場景1中的故障持續時間延長為0.20 s。仿真結果如圖8和圖9所示。

由圖6～9可見，采用PSS/E標準庫中的SEXS型、自定義SEXS型和自定義Vco Type 16型勵磁系統時，所得到的3號發電機的機端電壓和勵磁電壓的初始值、振蕩趨勢和穩態值是一樣的，表明FORTRAN編寫的自定義勵磁模型是正確的。

6 結 語

應用PSS/E用戶自定義功能，可進一步完善PSS/E元件模型，有效提高PSS/E仿真靈活性。本文采用FORTRAN語言在PSS/E中自定義了SEXS型和Vco Type 16型勵磁系統，并進行了仿真驗證仿真，仿真結果表明本文所建自定義模型的可行性和正確性。本文所述的方法也適用于調速系統、負荷和發電機等其他電力元件的自定義建模。

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