pscad软件使用教程

适用于大电网电磁暂态仿真的高压直流输电系统简化仿真
方法及在PSCAD软件中的应用
本文由陆韶琦、徐政撰写，中国科学软件网发布
研究背景及问题的提出
虽然在仿真系统规模上电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC没有限制，但是受计算速度的制约，电磁暂态仿真的系统规模不可能太大。

实际工作中一般采用动态等值的方法将原型系统进行等值后添加详细高压直流模型后采用电磁暂态仿真计算。

但详细直流模型的计算量限制了等值规模，造成动态等值效果不佳，甚至可能丢失主要振荡模式。

而对于电网规划阶段的离线稳定性分析，重点关注的是交流系统发生故障时，该故障会不会引起换流站换相失败，换相失败后需要多长时间才能恢复；以及当直流输电系统发生故障时，交流系统能否保持稳定。

因此对真实直流模型进行不影响研究重点精度的简化可在不增加硬软件成本的前提下提高仿真效率，进一步增加等值规模从而保留更多系统动态特征。

本文结合PSCAD仿真平台，提出应用于大电网电磁暂态仿真的高压直流输电系统简化方法。

该方法在减少仿真规模的情况下，基本保留了原系统的动态特性，对于加快用于电网规划的电磁暂态稳定计算具有重要意义。

直流输电系统简化方法
现在我国正在运行的直流输电系统包括±500kV的HVDC以及±800kV的UHVDC，本文提出的简化模型将对它们进行简化，简化模型的结构都是单极12脉动的直流输电系统。

如图1是UHVDC的接线图，图2是HVDC的接线图，图3是简化模型的接线图，图1~3中一个换流器单元为一个Graetz桥。

图2HVDC接线图
图1UHVDC
接线图
图3简化模型接线图
换流器简化
由于不同电压等级的换流器结构不同，下面就500kV 与800kV 两种情况分别说明其换流器的简化方法。

i)±500kV HVDC
等效换流变容量为2e T S S =，e S 、T S 分别表示等效换流变与真实换流变容量。

阀侧空载电压v E 不变，保持换流变漏抗百分比%k u 不变，则等效换流变漏抗有名值2Te T X X =。

结合等效模型的直流电流为2de d I I =
，根据以上条件可以推得
6
6
cos cos de v Te de v T d d u X I X I u ααππ=-=-=
(1)
+arccos cos +arccos cos de Te d T e v v X X E E μααααμ⎛⎫⎛⎫=--=--= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(2)
等式(1)(2)左边等号由简化模型得到，中间等号是数学意义上的相等，右边的等号由详细模型得到。

由此可以说明采用所提简化模型简化后直流电压(,de d u u )与换相重叠角(,e μμ)均不变。

ii)±800kV UHVDC
等效换流变容量为4e T S S =，等效换流变阀侧空载电压2e v E E =，保持换流变漏抗百分比%k u 不变,
则折算到阀侧的漏抗有名值保持不变。

同样地可以推得
6
12
cos cos de e T de v T d d u E X I E X I u ααππππ=-=-=(3)
22+arccos cos +arccos cos de T d T e e v X X E E μααααμ⎛⎫⎛⎫=--=--= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
(4)由此可以说明采用所提简化模型简化后直流电压与换相重叠角均不变。

以上采用准稳态模型说明了简化结构与详细结构的等价性。

在交流系统发生故障时，同一换流站中所有换流阀组接在一条高压母线上，控制器参数相同条件下，暂态过程中将是动作一致的，因此正负极响应是对称的；高低端换流阀由同一触发指令触发，也可以认为是相同的，因此采用图3所示简化结构具有合理性。

暂态过程中的详细比较由仿真验证说明。

在具体实施时，只需要修改PSCAD 中变压器模型的参数，选用六脉动换流阀组模型组合起来便可实现高压直流输电系统换流器的简化。

由等效结构可知极控层控制器可以减少一半，换流阀等开关元件与阀基控制器可以减少3/4,大大减少了用于模拟换流器所需的仿真资源。

直流输电线路的简化
当采用等效阀组模型后，直流输电线路将失去真实架空线结构。

实际系统中架空线一般共有四根线：两根架空地线，正负极线各一根。

根据架空地线接地或对地绝缘的实际配置可将地线消去，得到
pn pn pn pn d d ⎧-=⎪⎪⎨⎪-=⎪⎩ U ZI I YU (5)
式(5)中s m s m m
s m s ,Z Z Y Y Z Z Y Y -⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭Z Y 为单位长度线路的阻抗矩阵和导纳矩阵；()pn p n T U U = U ,()pn p n
T I I = I 表示正负极直流电压与电流，电压正方向定义为输电线路对地电压，电流正方向定义为整流侧流向逆变侧。

定义电压与电流模变换阵
111122,111122u i ⎛⎫⎛⎫ ⎪== ⎪ ⎪-⎝⎭-⎝⎭
P P 对式(3)变换到模域后
cd cd cd cd cd cd d dx d dx
⎧-=⎪⎪⎨⎪-=⎪⎩ U Z I I Y U (6)其中两极对称时
()p n p n cd de ,=0,U 22T
T U U U U +-⎛⎫= ⎪⎝⎭
U ()()cd p n p n de ,0,2T T I I I I I =+-=I s m s m cd cd s m s m 02()02
,02()02Z Z Y Y Y Y Z Z +⎛⎫ ⎪-⎛⎫ ⎪== ⎪+- ⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭Z Y 因此当两极对称时差模分量即为如图3所示输电线路模型，即等效Bergeron 模型中波
阻抗为0.5Im s Z =，电阻为()s m 0.5Re R l Z Z =-，传输延时为
Im /l τω=。

其中l 为输电线路长，ω与杆塔参数计算导纳、阻抗矩阵时
采用的稳态频率保持一致(一般可取直流侧各谐波的重心频率，如400Hz )。

PSCAD 中架空线路的计算流程为给定杆塔数据和导线参数，可选择消去地线，利用其线路常数计算程序(Line Constants Program )读入Tli 文件计算得到out 文件，该文件记录了线路参数的导纳阻抗矩阵，即上述方法中的Z 与Y 。

利用简化方法计算得到等值线路参数后，利用PSCAD 中线路参数人工输入功能(Manual data entry )，将波阻抗、电阻与传输延时填入，即可完成架空线路的简化。

采用Bergeron 计算模式时需要指定某一稳态频率，可以选用直流侧各次谐波的重心频率，如400Hz ，输电线路参数在该频率下计算是准确的，在更高频段时比频率相关模型阻尼略小，使仿真结果更加保守。

基于PSCAD 的仿真验证
为说明高压直流输电系统简化方法的有效性，在PSCAD 中搭建带有高压直流输电系统的两区四机系统模型。

在原经典系统基础上节点7有功负荷减少100MW ，节点9有功负荷增加100MW 。

节点7、9之间增加一条±80kV 、300MW 的双极直流(与实际±800kV 直流输电系统结构相同)，两条母线均增加提供基波无功150MVar 的滤波器，接线图如图4所示。

高压直流输电系统极控层控制策略与PSCAD 例子中HVDC Benchmark 相同。

图4改造的两区四机系统
对称故障验证
线路8-9靠近8号母线侧三永故障，延时0.1s 切除故障线路，分别得到用双12脉动阀组串联双极直流模型表示的系统(后称详细模型)与用单个12脉动单极直流模型表示的系统(后称简化模型)表示的发电机功角如图5(a)所示，逆变站注入9号母线有功无功功率如图5(b)所示，直流电压与电流如图5(c)所示，其中详细模型直流电压定义为两极直流电压的平
均值，直流电压与电流观测点均在整流站平波电抗器出口；整流站与逆变站的触发角和关断角如图5(d)所示，触发角为阀组中所有晶闸管触发角的最大值，关断角为所有晶闸管关断角的最小值。

由图5可见各电气量都吻合得很好。

图5靠近8号母线三相短路时详细系统与简化系统动态响应：(a)各发电机功角；(b)逆变站发出有功无功功率；(c)直流电压与直流电流；(d)整流站触发角与逆变站关断角
不对称故障验证
线路8-9靠近8号母线侧单永故障，延时0.1s切除故障线路，分别得到详细模型与简化模型的发电机功角如图6(a)所示，直流逆变站注入9号母线有功无功功率如图6(b)所示，直流电压与电流如图6(c)所示，整流站与逆变站的触发角和关断角如图6(d)所示。

由图6可见，各电气量都吻合得很好。

所用仿真软件为PSCAD X4.5，计算机硬件配置为Inter(R)Core(TM)i7-4790,3.6GHz,8GB 内存，仿真持续时间9s。

经测试两种故障情况下均可提速约60%。

由此可知交流系统对称故障或者不对称故障，采用简化的直流模型可以大大减少计算量，减少计算时间，但是它与详细模型的动态响应是相当的。

结论
由实际的换流站与输电线路详细模型简化得到的简化模型虽然不能模拟单极闭锁或者直流线路单极接地等不对称故障，但在交流系统故障或双极闭锁故障时，在保证仿真精度同
时大大减少模拟换流站所用的计算资源，减少仿真耗时。

图6靠近8号母线单相接地短路时详细系统与简化系统动态响应：(a)各发电机功角；(b)逆变站发出有功无功功率；(c)直流电压与直流电流；(d)整流站触发角与逆变站关断角
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