趙 帥,房大中,趙利剛,王慶平
(1. 天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;2. 中國電力科學(xué)研究院,北京 100192)
隨著電力電子裝置在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用,電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為不但包含傳統(tǒng)一、二次設(shè)備(如發(fā)電機(jī)、變壓器)的動(dòng)態(tài)過程,而且還需考慮靈活交流輸電系統(tǒng)(flexible AC transmissin systems,F(xiàn)ACTS)和高壓直流(high voltage direct current,HVDC)輸電系統(tǒng)等新型輸配電設(shè)備在運(yùn)行中的非線性特性.研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為通常采用機(jī)電仿真(TSP)[1-2]和電磁仿真(electromagnetic transient program,EMTP)[3-4]這 2 種方法.TSP 分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)中母線電壓相量和發(fā)電機(jī)功角的搖擺過程,仿真步長較大(通常采用毫秒級(jí)步長(H),如2,ms),因而可對(duì)較大規(guī)模的電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真.但TSP 仿真無法研究元件在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)中電壓電流的瞬時(shí)值響應(yīng).EMTP 計(jì)算元件的電壓電流的瞬時(shí)值響應(yīng),仿真步長(h)較小(通常采用微妙級(jí)步長,如 50,μs),因而很難對(duì)規(guī)模較大的電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真.顯然,采用 TSP/EMTP 混合仿真能夠綜合上述兩種仿真方法各自的優(yōu)勢.
TSP/EMTP 混合仿真技術(shù)在20 世紀(jì)80 年代由Heffernan 等[5]首先提出并應(yīng)用于交直流混合系統(tǒng)仿真.其后混合仿真研究有了不斷的發(fā)展.文獻(xiàn)[6-7]利用商業(yè)軟件PSCAD 的接口技術(shù),通過自帶的快速傅里葉變換(fast Fourier transformation,F(xiàn)FT)算法模塊與機(jī)電仿真程序相聯(lián)系,對(duì)HVDC、靜止無功補(bǔ)償裝置(static var compensator,SVC)等元件進(jìn)行混合仿真.文獻(xiàn)[8]則提出利用最小二乘法改進(jìn)混合仿真的接口技術(shù).國內(nèi)學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究,并在實(shí)際電網(wǎng)分析中加以應(yīng)用[9-11],一些學(xué)者還針對(duì)混合仿真接口算法進(jìn)行了深入的分析[12-13].
為了提高仿真精度,筆者提出了一種可以處理網(wǎng)絡(luò)矩陣結(jié)構(gòu)非對(duì)稱特性和仿真不對(duì)稱短路故障的混合仿真接口技術(shù).首先,針對(duì)同步發(fā)電機(jī)采用高階模型參數(shù)會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣非對(duì)稱的問題,提出同步發(fā)電機(jī)的統(tǒng)一電路模型;其次,提出應(yīng)用最小二乘法和對(duì)稱分量法處理不對(duì)稱故障下電磁網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果;最后,在3 機(jī)9 節(jié)點(diǎn)算例系統(tǒng)上通過全網(wǎng)EMTP 和TSP/EMTP 混合仿真結(jié)果的比對(duì)說明了該接口技術(shù)的有效性.
根據(jù)對(duì)各區(qū)域的研究,混合仿真電網(wǎng)劃分為3 個(gè)部分,如圖1 所示.其中,內(nèi)部電磁網(wǎng)絡(luò)采用EMTP仿真,側(cè)重研究網(wǎng)絡(luò)中各元件的瞬時(shí)值響應(yīng);外部機(jī)電網(wǎng)絡(luò)采用TSP 仿真,反映網(wǎng)絡(luò)中各發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過程;連接電磁網(wǎng)絡(luò)和機(jī)電網(wǎng)絡(luò)的母線稱作TSP/EMTP混合仿真接口母線.
圖1 混合仿真電網(wǎng)的劃分Fig.1 Network division in hybrid simulation
TSP/EMTP 混合仿真中,在進(jìn)行某一側(cè)網(wǎng)絡(luò)的仿真時(shí),另外一側(cè)網(wǎng)絡(luò)需要采用對(duì)應(yīng)的等值模型來代替.在EMTP 仿真中,機(jī)電網(wǎng)絡(luò)采用多端口三相正弦電源戴維南等值電路,并通過接口母線與電磁網(wǎng)絡(luò)連接.
假定TSP 仿真電網(wǎng)共有n 條母線,其中m 條母線為混合仿真的接口母線(以下標(biāo)r 表示),TSP 仿真電網(wǎng)的內(nèi)部母線有n-m 條(以下標(biāo)t 表示).網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)電壓方程可以寫成分塊矩陣的形式,即
通過上述方法,形成TSP 仿真電網(wǎng)的多端口諾頓等值電路,其中為各接口母線的注入電流源,Yeq為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣.與上述諾頓等值電路對(duì)應(yīng)的戴維南等值電路如圖2 所示,其中 Zeq、的計(jì)算式[14]分別為
圖2 接口母線處戴維南等值電路模型Fig.2 Thevenin equivalent circuit model at interface buses
在混合仿真中,若機(jī)電網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生故障或操作,Zeq保持不變,而在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)中的每一接口數(shù)據(jù)交換時(shí)刻,是時(shí)變的,需要重新計(jì)算.
在TSP 仿真中,發(fā)電機(jī)采用高階模型會(huì)引起式(1)中 Ytt和式(3)中 Zeq非對(duì)稱,而EMTP 仿真是基于對(duì)稱矩陣進(jìn)行求解的[15].為了避免仿真接口之間的矛盾,TSP 網(wǎng)絡(luò)中發(fā)電機(jī)模型采用圖3 所示的統(tǒng)一電路模型.
對(duì)于不同種類的發(fā)電機(jī),其在d-q 坐標(biāo)系下的統(tǒng)一定子電壓方程[16]可表示為
式(4)中,電勢和電抗對(duì)不同發(fā)電機(jī)模型的含義如表1所示.同步電機(jī)與網(wǎng)絡(luò)機(jī)端電壓的坐標(biāo)變換方程為
式中:δ為發(fā)電機(jī)功角;Vx+jVy和Ix+jIy分別為發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)x-y 坐標(biāo)系下的機(jī)端電壓和電流相量,含義見圖3.
圖3 發(fā)電機(jī)統(tǒng)一電路模型Fig.3 Uniform circuit model of generators
將式(5)代入式(4),可導(dǎo)出同步發(fā)電機(jī)在x-y 坐標(biāo)系下的模型,即
表1 同步發(fā)電機(jī)模型與對(duì)應(yīng)變量符號(hào)Tab.1 Variable symbols for synchronous generator models
在系統(tǒng)潮流計(jì)算或TSP 一步仿真之后,可按照式(6)計(jì)算同步發(fā)電機(jī)電路模型的參數(shù),其中 YG保持不變,而注入電流源在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)中是變化的.
TSP 仿真電網(wǎng)為單相正序網(wǎng)絡(luò),涉及的電壓電流用相量表示;而EMTP 仿真電網(wǎng)為三相網(wǎng)絡(luò),涉及的電壓電流用瞬時(shí)值表示.因而在仿真中需形成三相瞬時(shí)值EMTP 仿真電路模型,與圖2 所示戴維南等值電路模型對(duì)應(yīng),EMTP 仿真abc 三相電壓源的幅值、相角和頻率表示為
電力系統(tǒng)在經(jīng)受大擾動(dòng)之后,各個(gè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生搖擺,系統(tǒng)和各邊界母線電壓頻率亦會(huì)在額定頻率附近搖擺[15],產(chǎn)生一定的偏移.為了在EMTP 仿真中能體現(xiàn)這一現(xiàn)象,對(duì)EMTP 仿真電路模型中電源的頻率進(jìn)行修正,可得
式中:ft+H為t+H 時(shí)刻各接口電壓源的基準(zhǔn)頻率;f0為額定頻率;H 為TSP 仿真步長;(t + H)和(t)分別為t+H 和t 時(shí)刻第i 個(gè)接口母線電壓的相角.
在EMTP 仿真接口電路模型中,每一相支路阻抗均由電阻 Req和電感 Leq串聯(lián)組成,其取值為
在混合仿真進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí),需要對(duì)電磁仿真的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理.常用的分析方法包括快速傅里葉變換法以及最小二乘曲線擬合法.在一個(gè)TSP 仿真步長H 時(shí)段內(nèi),電磁仿真的結(jié)果是對(duì)應(yīng)步長h 的一組離散時(shí)域信號(hào)y(ti).一般地,y(t)可以用傅里葉級(jí)數(shù)表示為
對(duì)y(t)進(jìn)行FFT 變換便可以得到時(shí)域信號(hào)的基頻相量.TSP 仿真需要的是接口母線處電壓電流的基波相量[17].因此,筆者采用一種改進(jìn)的最小二乘法技術(shù)[8]處理EMTP 仿真獲得的接口母線處電壓電流離散信號(hào),求解相應(yīng)的基波電壓電流相量.首先對(duì)式(10)進(jìn)行化簡,舍去高次諧波和直流分量,從而得
展開后,有
式中幅值A(chǔ)1和相角φ為待求量.
令C1=A1,cosφ,C2=A1,sin,φ,F(xiàn)1(t)=cos(ωt),F(xiàn)2(t)=sin(ωt),式(12)可另記作
由最小二乘曲線擬合法建立誤差函數(shù)為
矩陣形式表示的誤差函數(shù)為
其中
按照最小二乘曲線擬合的方法對(duì)式(15)求導(dǎo),并令其等于零,可得
對(duì)式(16)求解未知量C,可得到C1和C2,進(jìn)而可以求出基頻余弦函數(shù)的幅值A(chǔ)1和相角φ.通過上述方法,便可得到接口母線處的電壓電流的基波相量和.由于機(jī)電暫態(tài)仿真網(wǎng)絡(luò)是基于正序分量的相量模型,當(dāng)電磁仿真網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不對(duì)稱,或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí),需要利用式(17)所示的對(duì)稱分量法對(duì)EMTP 仿真結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)變換[18].式中:S 為對(duì)稱分量法的變換矩陣;和為a 相電壓、電流的正、負(fù)和零序值.
EMTP 仿真對(duì)TSP 仿真結(jié)果的影響是接口模型在每一數(shù)據(jù)交換時(shí)刻EMTP 電網(wǎng)吸收的有功和無功功率.因此,選用圖4 所示的恒功率阻抗作為EMTP電網(wǎng)的等值模型,圖中復(fù)功率按照如下方法求解.
圖4 接口母線處恒功率阻抗模型Fig.4 Constant power impedance model at interface bus
根據(jù)式(17)所得的結(jié)果,求解出接口母線處的節(jié)點(diǎn)電壓相量值和流出電流相量值.
式中:P 代表接口母線流過的有功功率;Q 代表接口母線流過的無功功率;代表母線A 相正序電壓;代表流出母線的A 相正序電流的復(fù)共軛.
采用模塊化的仿真技術(shù),將混合仿真程序分成2個(gè)模塊,混合仿真程序流程如圖5 所示.
圖5 混合仿真程序流程Fig.5 Flow chart of hybrid simulation program
(1) 初始化模塊.輸入網(wǎng)絡(luò)信息,按照?qǐng)D1 對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行劃分.進(jìn)行潮流計(jì)算[19],將結(jié)果分別傳遞給EMTP 和TSP 子網(wǎng)絡(luò),并對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行初始狀態(tài)變量求解.
(2) 混合仿真模塊.采用阻尼梯形法[20]進(jìn)行EMTP 仿真,采用傳統(tǒng)算法進(jìn)行TSP 仿真[21],并將EMTP 仿真作為子程序嵌入到TSP 仿真中,具體的流程如圖5 所示(其中,機(jī)電仿真步長為H,s,電磁仿真步長為h s).接口數(shù)據(jù)交換程序分成2 個(gè)部分:①計(jì)算同步發(fā)電機(jī)模型參數(shù),并利用Ward 等值法求取EMTP 仿真的外網(wǎng)等值電路模型參數(shù);②利用最小二乘法和對(duì)稱分量法求解EMTP 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對(duì)TSP 仿真的接口電路模型.
混合仿真程序采用C 語言編寫,在IEEE-9 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改,增加一個(gè)需詳細(xì)研究的配電變電站,如圖6 所示.仿真過程中,變電站外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TSP 仿真,其發(fā)電機(jī)選用雙軸模型[16];變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用EMTP 仿真,其中,2 臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行變壓器為Yd11 型,出線為雙母線接線方式;B1、B2 母線分別為接口母線.TSP 仿真步長為0.02,s,EMTP 仿真步長為50,μs.對(duì)上述系統(tǒng)分別進(jìn)行對(duì)稱和不對(duì)稱故障仿真,各類型故障均為1.5,s 開始,1.6,s 切除.混合仿真結(jié)果與采用商業(yè)軟件PSCAD 搭建的圖6 電網(wǎng)全網(wǎng)電磁仿真結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證接口算法的有效性.
圖6 含變電站的IEEE-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.6 IEEE-9 bus system containing a substation
1) 對(duì)稱故障情況
在BL2 母線處發(fā)生三相短路故障.圖7 和圖8 所示的分別是3 號(hào)母線電壓有效值和母線B1-B 變壓器A 相電流瞬時(shí)值的曲線.比較混合仿真(EMTP/TSP)和全網(wǎng)仿真(PSCAD)結(jié)果可見,混合仿真不僅能夠正確反映電磁網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)值響應(yīng),還能夠準(zhǔn)確反映出電磁網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)對(duì)機(jī)電網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性的影響.
2) 不對(duì)稱故障情況
在BL2 母線發(fā)生A 相單相短路故障,其2 種仿真曲線的對(duì)比結(jié)果(B-BL2 線路C 相電流)列于圖9;在BL2 母線發(fā)生兩相相間短路故障,其仿真曲線對(duì)比結(jié)果(B-BL2 線路的A 相電流)列于圖10.對(duì)比結(jié)果表明,采用基于恒功率負(fù)荷模型接口算法的混合仿真,能夠很好地模擬EMTP 系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的不對(duì)稱故障的情況.
圖7 3號(hào)母線電壓有效值比較Fig.7 Comparison of voltage virtual values on bus 3
圖8 B1-B線路A相電流比較Fig.8 Comparison of currents of phase A on line B1-B
圖9 B-BL2線路C相電流比較Fig.9 Comparison of currents of phase C on line B-BL2
圖10 B-BL2線路A相電流比較Fig.10 Comparison of currents of phase A on line B-BL2
綜上所述,本文中所提混合仿真算法能夠處理電磁網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱和非對(duì)稱故障,與全網(wǎng)電磁仿真相比,具有更高的計(jì)算效率.
本文中提出了一種利用模塊化的機(jī)電-電磁混合仿真接口技術(shù)進(jìn)行電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的方法.該方法采用統(tǒng)一電路模型的發(fā)電機(jī)表示方法及Ward 等值法能夠正確反映機(jī)電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性,同時(shí),利用提出的基于最小二乘法計(jì)算的恒功率負(fù)荷模型能夠正確反映電磁網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱和非對(duì)稱故障條件下對(duì)機(jī)電網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性的影響.采用模塊化的混合仿真方法能夠降低網(wǎng)絡(luò)的維數(shù)并提高仿真的效率,從而避免了傳統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真對(duì)電網(wǎng)規(guī)模的限制.在含變電站的IEEE-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上與商業(yè)軟件PSCAD 仿真結(jié)果的比較,表明本文提出的機(jī)電-電磁混合仿真技術(shù)的正確性和有效性.
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