第37卷第3期电力科学与工程V ol. 37, No. 3 2021年3月Electric Power Science and Engineering Mar., 2021 doi: 10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.03.005
基于PSS/E和PSCAD/EMTDC联合仿真的
陈凌云，程改红，康义
（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉430071）
摘要：机电—电磁联合仿真技术兼顾机电暂态仿真和电磁暂态仿真二者优点，可应用于交直流输电系统仿真研究中，基于PSS/E与PSCAD/EMTDC联合仿真技术，对南方电网进行直流系统电磁暂态建模及交流系统机电暂态建模，并进行实例仿真研究，通过不同仿真工具的仿真曲线对比分析，说明机电—电磁混合仿真技术的优越性。研究结果表明，机电—电磁混合仿真与机电暂态仿真整体上系统响应趋势近似，在故障期间及故障恢复初期直流响应特性上还存在一定的差异性，机电—电磁联合仿真技术能更精确地体现多次换相失败及换相失败后直流系统恢复的过程，对交直流输电系统仿真研究具有较强的适用性。 关键词：PSS/E；PSCAD/EMTDC；交直流系统；混合仿真；机电暂态；电磁暂态
中图分类号：TM721 文献标识码：B 文章编号：1672-0792(2021)03-0030-09
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)
johnnashAbstract: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
收稿日期：2020-10-12
基金项目：中国能源建设集团规划设计有限公司科技项目（GSKJ2-X05-2019）
作者简介：陈凌云（1978—），女，高级工程师，研究方向为电力系统规划；
程改红（1977—），女，高级工程师，研究方向为电力系统规划；
康义（1970—），男，正高级工程师，研究方向为电力系统规划。
第3期陈凌云，等：基于PSS/E和PSCAD/EMTDC联合仿真的交直流系统混合仿真研究31
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.
Key words: PSS/E; PSCAD/EMTDC; AC/DC system; hybrid simulation; electromechanical transient;
electromagnetic transient
0 引言
随着我国“西电东送”、“北电南送”格局的建立和持续发展，已逐渐形成了具有多回交直流并联输电、多直流送端、多直流受端等特性的区域电网，这一类电网特性复杂，对其安全稳定性的分析要求较高。
电力系统数字仿真技术主要分为机电暂态仿真和电磁暂态仿真。机电暂态仿真技术基于准稳态方程建模，计算速度快，仿真规模大，但难以对电力电子器件进行准确仿真；电磁暂态仿真技术可实现元件级建模，仿真准确性高，但仿真步长小，计算速度慢，仿真规模受限[1]。
进行复杂交直流系统相互影响、多馈入直流输电系统换相失败等问题研究时，基于准稳态建模方法的机电暂态仿真技术无法准确模拟直流输电系统的动态响应特性，为正确分析系统动态响应，需考虑采用电磁暂态仿真技术。纯电磁暂态仿真计算速度较慢，其应用有较大的局限性，进行大电网仿真时需进行动态等值以减小仿真电网规模，动态等值可能导致损失部分交流系统动态特性，给电网仿真带来偏差。近年来，兼顾机电暂态和电磁暂态二者优点的机电—电磁混合仿真技术获得了较多地应用；文献[2]阐述了机电—电磁暂态混合仿真技术的发展历史和现状，对现今国内外采用的混合实时仿真平台
进行了归纳总结；文献[3-8]基于不同的仿真实例应用ADPSS 进行机电—电磁混合仿真分析，说明了混合仿真能较好地反映直流系统的动态特性，并兼顾交流系统；文献[9]采用机电—电磁混合仿真软件PSModel分析了江苏电网交流故障对直流输电运行的影响，并与机电仿真结果进行对比，提出了推广机电—电磁混合仿真应用的建议；文献[10]介绍了基于E-Tran Plus接口的机电—电磁混合仿真平台，并通过一个系统进行了对比仿真。
中国电力科学研究院先后开发了基于PSASP 数据的混合仿真软件ADPSS和基于BPA数据的混合仿真软件PSD-PSModel，南方电网科学研究院也开发了具备交直流混合仿真功能的DSP软件，以上软件主要应用于国内电力系统的混合仿真研究，本文将重点介绍基于国际通用软件PSS/E 和PSCAD/EMTDC的交直流系统混合仿真技术，并通过实际电网中的仿真应用验证其适用性。
1 PSS/E和PSCAD/EMTDC联合仿
真技术
PSS/E软件是国际上通用的机电暂态仿真程序，包括电力系统机电暂态分析计算中常见的模块，可进行暂态、动态和长期稳定性分析。文献[11-13]介绍了PSS/E的基本功能及自定义建模功能的应用。PSCAD/EMTDC是国际上广泛使用的电磁暂态仿真软件，EMTDC程序主要用于电磁暂态仿真分析，PSCAD是其图形用户界面，该软件多应用在含有大量电力电子设备的交直流混合电网的仿真分析中。
电力系统机电暂态过程和电磁暂态过程在模型处理、仿真步长、计算模式等方面均不相同，为实现混合仿真，需采用接口技术实现两种不同仿真过程中计算信息的交换。在最新的E-Tran plus版本中，开发了PSS/E-PSCAD机电—电磁暂态混合仿真的通信连接模块，可以在仿真过程中完成PSS/E与PSCAD/EMTDC关键数据的交换，由此实现PSS/E和PSCAD/EMTDC联合仿真计算。混合仿真过程中，两个程序并行运行，PSCAD/EMTDC 侧对PSS/E数据进行网络等值，等值节点参数根据PSS/E计算的电压、角度和频率进行更新，
32 电力科学与工程2021年
PSS/E侧则根据PSCAD计算结果进行相应节点数据的更新。PSS/E和PSCAD/EMTDC联合仿真技术的交直流混合仿真接口示意图如图1所示。
透明的距离
图1 交直流混合仿真接口示意图
Fig. 1 Schematic diagram of AC/DC hybrid
simulation interface
2 交直流混联仿真系统建模
2.1仿真系统概况
本文拟应用PSS/E、PSCAD/EMTDC联合仿真技术，以乌东德三端直流投产后的南方电网网络为依托，对南方电网大规模交直流混联系统开展机电—电磁混合仿真应用分析。乌东德三端直流投产后，南方电网形成八交十一直西电东送输电主网架，是当前世界上最复杂的交直流混联输电系统，南方电网直流输电系统示意图如图2所示。
图2 南方电网直流系统示意图
Fig. 2 Schematic diagram of HVDC system in China
Southern Power Grid
整个联合仿真系统的模型搭建可分为3大部分：第一部分为电磁暂态仿真模型，对系统中的直流输电系统建立电磁暂态模型；第二部分为机电暂态仿真系统部分，对交流系统建立机电暂态模型；第三部分为机电暂态和电磁暂态通信部分，在PSS/E机电暂态文件和PSCAD/EMTDC电磁暂态文件中导入相应的通信模块。
2.2 电磁暂态建模
直流输电系统的电磁暂态建模主要分为电气一次回路建模及控制保护系统建模。南方电网中包含了多种类型的直流输电系统，其中，鲁西背靠背直流有一个单元为柔性直流系统，乌东德三端直流为混合直流系统（送端常规直流换流站，受端柔性直流换流站），其余直流均为常规直流输电系统，需分别建立常规直流、柔性直流和混合直流的电磁暂态模型，并匹配各直流输电系统的相应参数。
直流输电系统电气一次回路包括换流器、换流变压器、电容器、交流滤波器、直流滤波器、平波电抗器、直流线路等元件设备，不同类型的直流输电系统电气一次回路结构如图3所示。
（a）两端常规直流输电系统
（b）两端柔性直流输电系统
（c）三端混合直流输电系统
图3 直流输电系统电气一次回路结构图黑止血钳
Fig. 3 Structure diagram of primary circuit in
HVDC system
第3期陈凌云，等：基于PSS/E和PSCAD/EMTDC联合仿真的交直流系统混合仿真研究33
在电气一次回路电磁暂态建模中，变压器、电抗器、电容器、滤波器等采用集中参数模型，以集中电感、电容等值计算电路描述；直流线路采用以分段式集总参数电阻和无损传输线模拟的贝杰龙模型；常规直流换流器晶闸管采用理想半可控开关模拟晶闸管的导通和关断；柔性直流的MMC等效模型采用简化的数值计算模型表现子模块内部特性。
直流控制保护系统建模时，对于电力系统安全稳定分析层面的应用，从简化直流系统控制模型和节省仿真计算时间角度考虑，可对直流系统控制器进行简化，删减保护系统，仅保留直流系统控制的核心算法。常规直流控制系统的工作原理为通过改变整流器和逆变器的触发角来控制整流侧和逆变侧的直流电压，调节直流电流的大小，继而实现对直流传输功率的控制，其控制系统的一般结构如图4所示。整流侧主要有定电流控制和定电压控制可以选择，逆变侧主要有定电压控制、定熄弧角角控制和定电流控制可以选择。
图4 常规直流控制系统基本控制系统结构图
Fig. 4 Structure diagram of basic control system of
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数字示波器设计LCC-HVDC
柔性直流输电系统的控制采用直接电流控制较优，可以实现有功分量与无功分量的解耦控制，且具有快速的电流响应特性，直接电流控制采用了电流内环与功率外环的控制方式，也称为双闭环控制法，典型控制系统的原理框图如图5所示。外环控制器主要用于控制交流系统有功功率、无功功率、频率、交流侧电压及直流侧电压等物理量；内环控制器主要用于控制换流器输出交流电流能够跟踪外环控制器的输出电流指令。
图5 柔性直流控制系统基本控制系统结构图
Fig. 5 Structure diagram of basic control system of
VSC-HVDC
2.3机电暂态系统
机电暂态仿真系统涵盖除已建立的电磁暂态直流模型外的整个电网的电力系统数据，可按照程序数据格式要求建立相应设备元件的模型数据。国内电网机电暂态数据多为BPA格式数据或PSASP格式数据，大电网的网络数据一般是经过多年积累形成的，若从头开始搭建PSS/E数据，工作量巨大，可以利用PSS/E软件自带的BPA-PSS/E 数据转换器模块进行BPA到PSS/E数据格式的自动转换，可将BPA中的稳态数据、暂态数据以及序参数转换为PSS/E能够直接使用的稳态、暂态与序参数数据格式，大大提高了大电网PSS/E仿真数据的建立速度。
2.4 机电—电磁通信接口
联合仿真中机电、电磁暂态数据通过E-Tran 软件及其开发的模型库实现数据通讯及交换，在PSCAD/EMTDC电磁暂态文件和PSS/E机电暂态文件中都需要导入相应的模块。
在PSCAD中需要添加E-Tran Plus模块，并进行相应参数设置。其中，“E-Tran Plus Computer/ Socket Mapping TStart”模块指定了通信开始时间以及通信端口，通信端口需要与PSS/E中设定的通信端口保持一致；“E-Tran Plus Process AutoLaunch”模块指定了PSS/E需要运行的程序。在PSS/E文件中需要对潮流、稳定文件进行修改，将电磁暂态对应的模型直接去掉，并用数据通信接口模型替换。
在通信时刻的设置上，考虑到PSCAD电磁暂态直流模型启动需要一定时长，可设定在2 s时待
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直流电磁暂态模型启动达到稳态时，再将其与PSS/E机电暂态仿真通信开始联合仿真。
3 交直流混联仿真应用分析
针对建立的南方电网混合仿真系统开展仿真应用分析，广东电网内部直流落点密集，交直流电网相互影响及多直流落点的安全稳定问题一直是研究的重点，选取广东电网内有代表性的常规直流换流站和柔性直流换流站近区交流线路故障进行仿真计算，查看对称故障和不对称故障下的仿真曲线，并与相应的纯机电暂态仿真曲线进行对比，分析混合仿真计算的适用性。
3.1交流系统对称故障仿真分析
选取滇西北直流受端换流站近区的500 kV丛林—紫荆线路进行三相永久故障仿真计算，考虑丛林侧3.0 s发生三相金属性接地故障，故障持续0.1 s后，该线路跳开，故障清除。分别开展PSS/E-EMTDC联合仿真和PSS/E机电暂态仿真，故障前后滇西北直流系统及近区交流系统响应对比情况如图6所示。
（a）滇西北直流功率
（b）滇西北直流逆变侧熄弧角
（c）逆变侧交流母线电压
（d）丛林—紫荆2回线路有功功率
降温系统图6 丛林—紫荆三永故障仿真响应曲线Fig. 6 Response curves of Conglin-Zijin three-phase
permanent fault simulation
从系统响应情况看，两种仿真工具故障发生后近区交流母线电压和交流线路有功功率变化趋势总体一致，直流功率响应过程总体一致；但从熄弧角变化曲线可以看出，机电—电磁联合仿真过程中滇西北直流发生了换相失败，而机电暂态仿真过程未见直流换相失败情况，因此故障后直流功率恢复过程相对更快、更平稳。
选取乌东德直流广东侧换流站近区的500 kV 龙门—水乡线路进行三相永久故障仿真计算，故障时序考虑同丛林—紫荆线路故障。分别开展PSS/E-EMTDC联合仿真和PSS/E机电暂态仿真，故障前后部分直流系统及近区交流系统响应对比情况如图7所示。
（a）乌东德直流广东侧功率
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