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1、交直流电力系统机电暂态仿真理论交直流电力系统机电暂态仿真理论徐政 浙江大学 0571-87952074, 13656648896徐政 浙江大学 0571-87952074, 13656648896 , 2010年4月, 2010年4月1、电力系统仿真工具概述 2、交直流电力系统机电暂态仿真的基本原理 3、直流输电系统的响应特性模型 4、直流输电系统的详细模型 5、发电机转子运动方程中D系数的意义和取值原则 6、电网计算中对发电机励磁系统的模拟问题 7、电网计算中对原动机调速器的模拟问题 8、直流输电系统的准稳态数学模型 9、关于直流输电系统的换相失败及其模拟问题 10、交直流电力系统机电暂
2、态仿真程序的局限性11、关于电力系统技术导则对电网的划分问题内容提要电力系统仿真工具概述第1章（1）物理模拟系统，常见的是动模试验。（2）数字仿真器，例如国内很多单位已购买的实时数字仿真器等。（3）数字仿真程序，例如国内广泛使用的PSS/E、NETOMAC、PSASP、BPA、EMTP、PSCAD/EMTDC等电力系统机电或电磁暂态仿真程序。三类电力系统的仿真工具物理模拟系统是根据相似原理，采用按比例缩小的电力系统元件组建的一个微型电力系统。在交直流电力系统仿真中，它可以较方便且详细地模拟直流输电换流器及其控制系统的行为。而所遇到的主要困难是被模拟系统的规模不能太大，另外一个限制是被模拟的过程
3、的频率范围通常在2000Hz以下。物理模拟系统及其特点采用物理模拟系统对电力系统进行仿真时，通常要对被模拟的系统进行相当的简化。目前，物理模拟系统一般只用于考核继电保护和自动控制装置的性能，而不用于对大规模电力系统作系统研究。因为能够合理模拟多条直流输电线路及一个或多个大区电网的动模实验室目前世界上恐怕没有。物理模拟系统及其特点（续）实时数字仿真器是基于数学模型来实现的，在这一点上，与数字仿真程序没有任何区别，所不同的是实时数字仿真器通常采用多处理器并行计算，计算速度可以达到实时的要求，而数字仿真程序则采用串行计算，计算速度较慢。 但对于系统研究，计算速度并不很重要，实时与否无关紧要，因此，在
4、这一点上，实时数字仿真器与数字仿真程序相比并不占优势。数字仿真器及其特点在模拟系统的规模上，实时数字仿真器所能模拟的系统规模是有限制的，特别对节点个数有严格的限制，因为增加节点是最耗仿真资源的。要合理模拟一个大规模交直流电力系统，可能需要几十甚至上百个实时数字仿真器，其耗费的代价与数字仿真程序是不可比的。采用众多实时数字仿真器来进行电力系统的系统研究，一没有必要、二代价太大。因此，实时数字仿真器的主要用途与物理模拟系统类似，主要用以考核继电保护和自动控制装置的性能，两者几乎可以相互替换。数字仿真器及其特点（续）数字仿真程序主要分为两种类型：一种是电力系统机电暂态仿真程序；另一种是电力系统电磁暂
5、态仿真程序。数字仿真程序的分类（1）从电力大系统整体考虑的稳定性分析，核心问题是研究发电机转子相互之间的摇摆过程，因此主要关注的是能量的传递，与能量传递关系不密切的因素都可以忽略不计。 （2）在数学模型上，忽略发电机定子侧暂态过程，即不计PARK方程中的变压器电势；网络用正序基频阻抗表示，采用代数方程描述，物理量为基频相量。电力系统机电暂态仿真程序的特点美国PTI公司的PSS/ETM西门子公司的NETOMACTMABB公司的SIMPOWTM加拿大Powertech公司的DSA POWERTOOLSTM电科院的PSASP程序电科院的BPA程序电力系统机电暂态仿真程序举例（1）考虑系统某个局部的详
6、细动态过程，通常将待研究部分之外的系统作一定的等值；传统上，只用于研究持续时间很短的过程，如大气过电压和操作过电压等问题，过程的持续时间在几十毫秒之内；但目前电磁暂态仿真程序可能更多地被用于研究HVDC和FACTS等电力电子装置以及次同步振荡、铁磁谐振等问题，因而被研究过程的持续时间可能也很长，达数十秒并不稀奇。 （2）数学模型上，根据研究的过程不同，发电机模型可以是相当简化的等值电源模型，也可以是详细的PARK方程模型甚至是考虑转子多刚体结构的模型；电力网络采用相坐标系统，即采用a、b、c三相模型或更一般的全相模型，且必须用微分方程描述，系统中的物理量为瞬时值而不是相量。电力系统电磁暂态仿真
7、程序的特点. （1）各种版本的EMTP程序，国内使用较多的是80年代初美国BPA公司开发的BPAEMTP程序，目前国际主流版本的EMTP程序是ATPEMTP。（2）由加拿大Manitoba直流输电研究中心开发的PSCAD/EMTDC程序。(3)德国西门子公司的NETOMAC程序。电力系统电磁暂态仿真程序举例交直流电力系统机电暂态仿真的基本原理交直流电力系统机电暂态仿真的基本原理第2章在交直流电力系统机电暂态仿真中，交流系统与直流系统是分别独立求解的，直流系统对交流系统的作用几乎无例外地被看作为一个变化的负荷或电源，通常用挂在换流站交流母线上的变功率支路来模拟，直流输电的快速调节特性通过改变这个
8、变功率支路上的功率来实现，如图2-1所示。交直流电力系统机电暂态仿真的基本原理交直流电力系统机电暂态仿真的基本原理图2-1 直流系统在交流系统中的等效作用QPVAR/QPVAR/rViVACACrrjQP +iijQP +而交流系统对直流系统的作用，其模拟方法视采用的直流输电系统模型而定。根据对直流输电系统极控制级及线路模拟的详细程度，可以将直流输电系统的模型分为两种基本类型：一种 是 响 应 特 性 模 型 （ Response Models, Functional Models,Performance Models），另一种是详细模型。不管是响应特性模型还是详细模型，对直流输电的主控制都进
9、行了详细模拟。交直流电力系统机电暂态仿真的基本原理（续1）交直流电力系统机电暂态仿真的基本原理（续1）直流输电系统的响应特性模型直流输电系统的响应特性模型第3章直流输电系统的响应特性模型是一种通用模型，其基本特点是只模拟控制的结果，而不模拟控制系统本身。因为尽管直流输电系统在极控制级有很多变化，但不同的极控制器其响应特性基本上是一致的，这就是响应特性模型的理论基础。在响应特性模型中，直流线路的动态特性被合并到极控制器的动态特性中集中模拟，因而直流线路在响应特性模型中只是一个电阻。直流输电系统的响应特性模型直流输电系统的响应特性模型首先，直流电流和直流电压以一定的时间延迟跟踪直流电流和直流电压的
10、参考值，这个时间延迟用以模拟直流控制器和直流线路的时间响应特性； 其次，根据已知的直流电流和直流电压计算出相应的触发控制角并与触发控制角的极限值相比较，如果有一个触发控制角越限，就表示直流控制模式发生了一次切换，此时，应将直流控制模式切换到新的控制模式下，并重新计算触发控制角； 最后，计算注入交流系统的有功功率和无功功率。响应特性模型的具体实现过程响应特性模型的具体实现过程直流输电系统的响应特性模型可以被分为三个部分，即交流系统控制器模型，直流系统控制器模型和交直流系统接口模型。交流系统控制器模型主要描述调制信号的产生过程，包括小信号调制和大信号调制，其一般性框图如图2-2所示。响应特性模型的
11、基本结构响应特性模型的基本结构图3-1 交流系统控制器模型sT+11 dsTe )()( sDsNK11交流系统 信号交流 系统 信号交流系统 控制器传感器延迟带通限幅延迟dsTedsTedsTedsTedrdrPI/didiPI/drVdiV调 制 信 号直流系统控制器的功能是根据直流功率、直流电流和直流电压的设定值，确定直流电流和直流电压的参考值（也就是实际值）。当整个直流输电系统的运行模式是按定功率运行时，首先，需要将直流功率的设定值转化为直流电流的设定值，转化时需要考虑实际直流电压是否大于一定的限值，如实际直流电压太小的话，直流电流设定值就采用额定工况下的直流电流值，即此时定功率控制不
12、起作用。直流系统控制器直流系统控制器图3-2 直流系统控制器总体框图直流系统 控制器dsetdsetIP/ddIP/dsetVdVdrefIdrefV图3-3直流功率设定值转化为直流电流设定值dPdsetIdsetPdsIdIdVsT+11dmVminddmVVminddmVV图3-4 整流侧定电流控制器传递函数框图限 幅dsetIdrI 上 升 率 限 制dM AXI 来 自 VDCOL到 逆 变 侧控 制 器 动 态)(sGIdrI交直流系统接口模型的功能是根据直流电流和直流电压的参考值、两侧交流系统的电压值、直流系统控制模式确定直流系统的电流和电压、两侧交流系统的有功和无功以及两侧换流器
13、的触发控制角。本模块首先确定直流系统当前运行在那种控制模式下，在控制模式确定以后再计算注入两侧交流系统的功率。交直流系统接口模型交直流系统接口模型通常考虑的控制模式为如下4种：（1）整流侧定电流控制，逆变侧定关断角控制；（2）整流侧控制，逆变侧定电流控制；（3）控制模式（1）和（2）转换过程的一种中间状态，整流侧按某个角控制，逆变侧按某个角控制，这种中间控制模式只在直流系统起动或故障后直流系统的恢复过程中有可能出现，其持续时间非常短暂；（4）整流侧按定电流控制逆变侧按定电压控制。交直流系统接口模型（续）交直流系统接口模型（续）图3-5 交直流系统接口模型总体框图drefIdrefV直流线路直流
14、 控制模式ddIV ,acracrjQP+aciacijQP+,对于交直流系统规划研究，直流输电控制器的结构和参数都是不确定的，这种情况下如果采用详细模型，就需要很长的时间来确定控制器的参数，采用典型参数经常得不到满意的结果甚至得出错误的结果。相反，直接采用期望的直流输电系统响应特性进行计算，并要求制造厂家按照期望的响应特性设计直流控制器会更合理。关于响应特性模型合理性的几点说明（1）关于响应特性模型合理性的几点说明（1）电力系统稳定性研究通常只关注0.1秒到数十秒时间范围内的暂态过程，因此频率超过10Hz的响应特性可以认为是瞬时的。而且在稳定性研究中，交流网络采用正序相量方程来描述，非基波频
15、率的其它信息都已丢失。因此可以认为直流输电中的电流控制器、电压控制器、触发电路以及线路动态都可以认为是瞬时响应的。换句话说，换流器和线路内部的动态过程可以忽略，就像交流网络模型中忽略输电线路和变压器的动态过程一样。关于响应特性模型合理性的几点说明（2）关于响应特性模型合理性的几点说明（2）响应特性模型主要用以日常的稳定性分析和长过程仿真，其计算的高效率使它非常适合在线分析。日常的稳定性分析包括极端方式的稳定性校核，如直流单极闭锁和直流双极闭锁，交流系统故障等。关于响应特性模型合理性的几点说明（3）关于响应特性模型合理性的几点说明（3）直流输电系统的详细模型直流输电系统的详细模型第4章直流输电系
16、统的详细模型是基于对直流换流器、控制系统和直流线路进行详细模拟的模型，在交流系统对称和无畸变的情况下可以用来模拟直流输电系统本身的动态特性以及与交流系统之间的相互作用特性。采用详细模型时，由于考虑了控制器和直流线路的高频动态特性，因此仿真的步长通常要比纯交流系统的机电暂态仿真小1个数量级以上。直流输电系统的详细模型直流输电系统的详细模型图4-1 交直流电力系统机电暂态仿真原理图整流侧 变功率 控制器AC整流侧整流侧 电压源 控制器直 流 线 路逆变侧 变功率 控制器逆变侧AC 逆变侧 电压源 控制器iijQP +rrjQP + 可变功率支路可变功率支路drIdiIrViVdrVdiV（1）换相失败可以比较精确地确定，通过实际计算关断角来确定是否发生换相失败； （2）直流系统在故障后的恢复过程可以得到较好的模拟，而不是事先指定恢复速度，因为实际的恢复过程必须基于交流电压的恢复过程。 （3）直流系统两
