基于PSS/E和PSCAD/EMTDC聯合仿真的交直流系統混合仿真研究

陳凌云，程改紅，康義

基于PSS/E和PSCAD/EMTDC聯合仿真的交直流系統混合仿真研究

陳凌云，程改紅，康義

（中國電力工程顧問集團 中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

機電—電磁聯合仿真技術兼顧機電暫態仿真和電磁暫態仿真二者優點，可應用于交直流輸電系統仿真研究中，基于PSS/E與PSCAD/EMTDC聯合仿真技術，對南方電網進行直流系統電磁暫態建模及交流系統機電暫態建模，并進行實例仿真研究，通過不同仿真工具的仿真曲線對比分析，說明機電—電磁混合仿真技術的優越性。研究結果表明，機電—電磁混合仿真與機電暫態仿真整體上系統響應趨勢近似，在故障期間及故障恢復初期直流響應特性上還存在一定的差異性，機電—電磁聯合仿真技術能更精確地體現多次換相失敗及換相失敗后直流系統恢復的過程，對交直流輸電系統仿真研究具有較強的適用性。

PSS/E；PSCAD/EMTDC；交直流系統；混合仿真；機電暫態；電磁暫態

0 引言

隨著我國“西電東送”、“北電南送”格局的建立和持續發展，已逐漸形成了具有多回交直流并聯輸電、多直流送端、多直流受端等特性的區域電網，這一類電網特性復雜，對其安全穩定性的分析要求較高。

電力系統數字仿真技術主要分為機電暫態仿真和電磁暫態仿真。機電暫態仿真技術基于準穩態方程建模，計算速度快，仿真規模大，但難以對電力電子器件進行準確仿真；電磁暫態仿真技術可實現元件級建模，仿真準確性高，但仿真步長小，計算速度慢，仿真規模受限[1]。

進行復雜交直流系統相互影響、多饋入直流輸電系統換相失敗等問題研究時，基于準穩態建模方法的機電暫態仿真技術無法準確模擬直流輸電系統的動態響應特性，為正確分析系統動態響應，需考慮采用電磁暫態仿真技術。純電磁暫態仿真計算速度較慢，其應用有較大的局限性，進行大電網仿真時需進行動態等值以減小仿真電網規模，動態等值可能導致損失部分交流系統動態特性，給電網仿真帶來偏差。近年來，兼顧機電暫態和電磁暫態二者優點的機電—電磁混合仿真技術獲得了較多地應用；文獻[2]闡述了機電—電磁暫態混合仿真技術的發展歷史和現狀，對現今國內外采用的混合實時仿真平臺進行了歸納總結；文獻[3-8]基于不同的仿真實例應用ADPSS進行機電—電磁混合仿真分析，說明了混合仿真能較好地反映直流系統的動態特性，并兼顧交流系統；文獻[9]采用機電—電磁混合仿真軟件PSModel分析了江蘇電網交流故障對直流輸電運行的影響，并與機電仿真結果進行對比，提出了推廣機電—電磁混合仿真應用的建議；文獻[10]介紹了基于E-Tran Plus接口的機電—電磁混合仿真平臺，并通過一個系統進行了對比仿真。

中國電力科學研究院先后開發了基于PSASP數據的混合仿真軟件ADPSS和基于BPA數據的混合仿真軟件PSD-PSModel，南方電網科學研究院也開發了具備交直流混合仿真功能的DSP軟件，以上軟件主要應用于國內電力系統的混合仿真研究，本文將重點介紹基于國際通用軟件PSS/E和PSCAD/EMTDC的交直流系統混合仿真技術，并通過實際電網中的仿真應用驗證其適用性。

1 PSS/E和PSCAD/EMTDC聯合仿真技術

PSS/E軟件是國際上通用的機電暫態仿真程序，包括電力系統機電暫態分析計算中常見的模塊，可進行暫態、動態和長期穩定性分析。文獻[11-13]介紹了PSS/E的基本功能及自定義建模功能的應用。PSCAD/EMTDC是國際上廣泛使用的電磁暫態仿真軟件，EMTDC程序主要用于電磁暫態仿真分析，PSCAD是其圖形用戶界面，該軟件多應用在含有大量電力電子設備的交直流混合電網的仿真分析中。

電力系統機電暫態過程和電磁暫態過程在模型處理、仿真步長、計算模式等方面均不相同，為實現混合仿真，需采用接口技術實現兩種不同仿真過程中計算信息的交換。在最新的E-Tran plus版本中，開發了PSS/E-PSCAD機電—電磁暫態混合仿真的通信連接模塊，可以在仿真過程中完成PSS/E與PSCAD/EMTDC關鍵數據的交換，由此實現PSS/E和PSCAD/EMTDC聯合仿真計算。混合仿真過程中，兩個程序并行運行，PSCAD/EMTDC側對PSS/E數據進行網絡等值，等值節點參數根據PSS/E計算的電壓、角度和頻率進行更新，PSS/E側則根據PSCAD計算結果進行相應節點數據的更新。PSS/E和PSCAD/EMTDC聯合仿真技術的交直流混合仿真接口示意圖如圖1所示。

圖1 交直流混合仿真接口示意圖

2 交直流混聯仿真系統建模

2.1 仿真系統概況

本文擬應用PSS/E、PSCAD/EMTDC聯合仿真技術，以烏東德三端直流投產后的南方電網網絡為依托，對南方電網大規模交直流混聯系統開展機電—電磁混合仿真應用分析。烏東德三端直流投產后，南方電網形成八交十一直西電東送輸電主網架，是當前世界上最復雜的交直流混聯輸電系統，南方電網直流輸電系統示意圖如圖2所示。

圖2 南方電網直流系統示意圖

整個聯合仿真系統的模型搭建可分為3大部分：第一部分為電磁暫態仿真模型，對系統中的直流輸電系統建立電磁暫態模型；第二部分為機電暫態仿真系統部分，對交流系統建立機電暫態模型；第三部分為機電暫態和電磁暫態通信部分，在PSS/E機電暫態文件和PSCAD/EMTDC電磁暫態文件中導入相應的通信模塊。

2.2 電磁暫態建模

直流輸電系統的電磁暫態建模主要分為電氣一次回路建模及控制保護系統建模。南方電網中包含了多種類型的直流輸電系統，其中，魯西背靠背直流有一個單元為柔性直流系統，烏東德三端直流為混合直流系統（送端常規直流換流站，受端柔性直流換流站），其余直流均為常規直流輸電系統，需分別建立常規直流、柔性直流和混合直流的電磁暫態模型，并匹配各直流輸電系統的相應參數。

直流輸電系統電氣一次回路包括換流器、換流變壓器、電容器、交流濾波器、直流濾波器、平波電抗器、直流線路等元件設備，不同類型的直流輸電系統電氣一次回路結構如圖3所示。

圖3 直流輸電系統電氣一次回路結構圖

在電氣一次回路電磁暫態建模中，變壓器、電抗器、電容器、濾波器等采用集中參數模型，以集中電感、電容等值計算電路描述；直流線路采用以分段式集總參數電阻和無損傳輸線模擬的貝杰龍模型；常規直流換流器晶閘管采用理想半可控開關模擬晶閘管的導通和關斷；柔性直流的MMC等效模型采用簡化的數值計算模型表現子模塊內部特性。

直流控制保護系統建模時，對于電力系統安全穩定分析層面的應用，從簡化直流系統控制模型和節省仿真計算時間角度考慮，可對直流系統控制器進行簡化，刪減保護系統，僅保留直流系統控制的核心算法。常規直流控制系統的工作原理為通過改變整流器和逆變器的觸發角來控制整流側和逆變側的直流電壓，調節直流電流的大小，繼而實現對直流傳輸功率的控制，其控制系統的一般結構如圖4所示。整流側主要有定電流控制和定電壓控制可以選擇，逆變側主要有定電壓控制、定熄弧角角控制和定電流控制可以選擇。

圖4 常規直流控制系統基本控制系統結構圖

柔性直流輸電系統的控制采用直接電流控制較優，可以實現有功分量與無功分量的解耦控制，且具有快速的電流響應特性，直接電流控制采用了電流內環與功率外環的控制方式，也稱為雙閉環控制法，典型控制系統的原理框圖如圖5所示。外環控制器主要用于控制交流系統有功功率、無功功率、頻率、交流側電壓及直流側電壓等物理量；內環控制器主要用于控制換流器輸出交流電流能夠跟蹤外環控制器的輸出電流指令。

圖5 柔性直流控制系統基本控制系統結構圖

2.3 機電暫態系統

機電暫態仿真系統涵蓋除已建立的電磁暫態直流模型外的整個電網的電力系統數據，可按照程序數據格式要求建立相應設備元件的模型數據。國內電網機電暫態數據多為BPA格式數據或PSASP格式數據，大電網的網絡數據一般是經過多年積累形成的，若從頭開始搭建PSS/E數據，工作量巨大，可以利用PSS/E軟件自帶的BPA-PSS/E數據轉換器模塊進行BPA到PSS/E數據格式的自動轉換，可將BPA中的穩態數據、暫態數據以及序參數轉換為PSS/E能夠直接使用的穩態、暫態與序參數數據格式，大大提高了大電網PSS/E仿真數據的建立速度。

2.4 機電—電磁通信接口

聯合仿真中機電、電磁暫態數據通過E-Tran軟件及其開發的模型庫實現數據通訊及交換，在PSCAD/EMTDC電磁暫態文件和PSS/E機電暫態文件中都需要導入相應的模塊。

在PSCAD中需要添加E-Tran Plus模塊，并進行相應參數設置。其中，“E-Tran Plus Computer/ Socket Mapping TStart”模塊指定了通信開始時間以及通信端口，通信端口需要與PSS/E中設定的通信端口保持一致；“E-Tran Plus Process AutoLaunch”模塊指定了PSS/E需要運行的程序。在PSS/E文件中需要對潮流、穩定文件進行修改，將電磁暫態對應的模型直接去掉，并用數據通信接口模型替換。

在通信時刻的設置上，考慮到PSCAD電磁暫態直流模型啟動需要一定時長，可設定在2 s時待直流電磁暫態模型啟動達到穩態時，再將其與PSS/E機電暫態仿真通信開始聯合仿真。

3 交直流混聯仿真應用分析

針對建立的南方電網混合仿真系統開展仿真應用分析，廣東電網內部直流落點密集，交直流電網相互影響及多直流落點的安全穩定問題一直是研究的重點，選取廣東電網內有代表性的常規直流換流站和柔性直流換流站近區交流線路故障進行仿真計算，查看對稱故障和不對稱故障下的仿真曲線，并與相應的純機電暫態仿真曲線進行對比，分析混合仿真計算的適用性。

3.1 交流系統對稱故障仿真分析

選取滇西北直流受端換流站近區的500 kV叢林—紫荊線路進行三相永久故障仿真計算，考慮叢林側3.0 s發生三相金屬性接地故障，故障持續0.1 s后，該線路跳開，故障清除。分別開展PSS/E-EMTDC聯合仿真和PSS/E機電暫態仿真，故障前后滇西北直流系統及近區交流系統響應對比情況如圖6所示。

從系統響應情況看，兩種仿真工具故障發生后近區交流母線電壓和交流線路有功功率變化趨勢總體一致，直流功率響應過程總體一致；但從熄弧角變化曲線可以看出，機電—電磁聯合仿真過程中滇西北直流發生了換相失敗，而機電暫態仿真過程未見直流換相失敗情況，因此故障后直流功率恢復過程相對更快、更平穩。

選取烏東德直流廣東側換流站近區的500 kV龍門—水鄉線路進行三相永久故障仿真計算，故障時序考慮同叢林—紫荊線路故障。分別開展PSS/E-EMTDC聯合仿真和PSS/E機電暫態仿真，故障前后部分直流系統及近區交流系統響應對比情況如圖7所示。

圖7 龍門—水鄉三永故障仿真響應曲線

烏東德送電廣東、廣西直流為混合三端直流輸電系統，由于PSS/E中無混合多端直流模型，故采用兩個柔性直流輸電系統模擬三端直流輸電系統，純機電暫態仿真過程中的系統響應特性較真實地模擬了混合三端直流輸電系統的聯合仿真，差異較大。在故障發生后的暫態過程中，聯合仿真計算結果中的直流功率在故障發生后短時間內發生較大幅度振蕩，廣東側直流功率在故障發生瞬間降至零，而機電暫態仿真計算中直流功率振蕩相對較小，恢復速度相對更快。從近區直流系統響應影響情況看，聯合仿真計算結果表明，距離故障點距離較近的云廣直流和溪洛渡直流均發生了短時間的換相失敗，而機電暫態仿真結果未顯示該過程。

3.2 交流系統不對稱故障仿真分析

選取滇西北直流受端換流站近區的500 kV叢林—紫荊線路進行三相短路中開關拒動故障仿真計算，考慮叢林側3.0 s發生三相金屬性接地故障，3.1 s跳開B、C兩相及A相對側開關（A相本側斷路器拒動），3.35 s跳A相本側開拒動及相同串的另一回線路。分別開展PSS/E–EMTDC聯合仿真和PSS/E機電暫態仿真，故障前后滇西北直流系統及近區交流系統響應對比情況如圖8所示。

從系統響應情況看，兩種仿真工具在暫態過程中的系統響應較對稱故障具有更大的差異。根據熄弧角變化曲線，機電—電磁聯合仿真過程中滇西北直流系統發生了兩次換相失敗，而機電暫態仿真未顯示換相失敗過程，直流功率恢復至故障前水平的速度更快。

選取烏東德直流廣東側換流站近區的500 kV龍門—水鄉線路進行三相短路中開關拒動故障仿真計算，故障時序考慮同叢林—紫荊線路故障。分別開展PSS/E-EMTDC聯合仿真和PSS/E機電暫態仿真，故障前后部分直流系統及近區交流系統響應對比情況如圖9所示。從系統響應情況看，同樣由于直流輸電系統模型的不同，兩種仿真工具的系統響應對比情況與對稱故障類似，具有較大差異。聯合仿真計算結果表明距離故障點距離較近的云廣直流和溪洛渡直流均發生了短時間的換相失敗，而機電暫態仿真未模擬到該過程。

3.3 小結

從以上混合仿真和全機電暫態仿真的計算結果對比情況看，兩類仿真結果整體上系統響應趨勢近似，但在故障期間及故障恢復初期直流響應特性上尚存在一定的差異性。機電—電磁混合仿真對于直流系統換相失敗的仿真較為準確，能更為精確地體現出直流換相失敗過程及換相失敗后直流系統恢復的過程；而機電暫態仿真過程往往不能準確反映直流系統的換相失敗過程，對直流系統故障后恢復過程的仿真結果相對較樂觀。此外，機電暫態仿真程序缺乏混合直流輸電模型，只能以其他類型直流系統代替，仿真結果不準確的問題更為突出。

4 結論

（1）機電—電磁混合仿真技術與機電暫態仿真相比，具有可實現直流輸電系統元件級建模，仿真準確性高的優點，與電磁暫態仿真相比，具有建模簡單、不受仿真節點限制、仿真效率高等優勢，可應用于交直流輸電系統仿真研究中。

（2）E-Tran plus軟件開發了PSS/E–PSCAD機電—電磁暫態混合仿真的通信連接模塊，可以在仿真過程中完成PSS/E與PSCAD/EMTDC關鍵數據的交換，實現基于PSS/E和PSCAD/EMTDC聯合仿真的交直流系統機電—電磁暫態混合仿真計算。

（3）對比交直流混聯系統的機電—電磁混合仿真與純機電暫態仿真的系統響應曲線，兩類仿真結果整體上系統響應趨勢近似，在故障期間及故障恢復初期直流響應特性上還存在一定的差異性，不對稱故障相較于對稱故障也具有更大的差異性，機電—電磁混合仿真對于直流系統換相失敗的體現更為準確，能更精確地體現出多次換相失敗及換相失敗后直流系統恢復的過程，對于交直流輸電系統仿真研究具有較強的適用性。

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Hybrid Simulation Research on AC/DC System Based on PSS/E and PSCAD/EMTDC Co-simulation

CHEN Lingyun, CHENG Gaihong, KANG Yi

(Consulting Group, Central Southern China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Wuhan 430071, China)

Electromechanical and electromagnetic hybrid simulation technology takes into account the advantages of electromechanical transient simulation and electromagnetic transient simulation, and can be applied to AC/DC transmission system simulation research. In this paper, based on simulation platform of PSS/E and PSCAD/EMTDC, electromagnetic transient model of HVDC system and electromechanical transient model of AC system for China Southern Power Grid are established, and simulation analysis is carried out. Through the comparative analysis curves of different simulation tools are given, the advantages of electromechanical-electromagnetic hybrid simulation technology are illustrated by contrast analysis. The research results show that the electromechanical-electromagnetic hybrid simulation and electromechanical transient simulation have similar system response trend, but there are some differences in response characteristics of HVDC system during the fault period and the early stage of fault recovery. The electromechanical-electromagnetic hybrid simulation technology can more accurately reflect the process of HVDC system recovery after commutation failures. The hybrid simulation technology has strong applicability in simulation analysis of AC/DC transmission system.

PSS/E; PSCAD/EMTDC; AC/DC system; hybrid simulation; electromechanical transient; electromagnetic transient

TM721

B

1672-0792(2021)03-0030-09

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.03.005

2020-10-12

中國能源建設集團規劃設計有限公司科技項目（GSKJ2-X05-2019）

陳凌云（1978—），女，高級工程師，研究方向為電力系統規劃；

程改紅（1977—），女，高級工程師，研究方向為電力系統規劃；

康 義（1970—），男，正高級工程師，研究方向為電力系統規劃。