电网模型转换的正确性验证：基于BPA和PSCAD/EMTDC的电气暂态仿真

为了验证本章提出的非可视化机电暂态软件BPA模型向可视化电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC模型自动转换的正确性，以西北某电网为例分析验证网络在两种软件下的潮流以及动态情况下发电机的攻角摇摆曲线、励磁曲线。

选用的西北电网共包括125个节点，159条支路，11台发电机，其中XBEQU为网络的等效外界点。转换后该电网在PSCAD/EMTDC中的整体网络如图221所示。

该电网共分为HX、03、EQ和04共4个区域，各区域模型分别放置在各自子页面中，在主页面中包含了各子页面及各子区域的连接支路。转换后的04子页面内的局部网络及各元件模型如图222所示。

图221　转换后的电网的PSCAD/EMTDC模型

为了验证模型转换中拓扑结构的正确性，表21列举出全网10台发电机的功率以及电压。由表格中的误差率可以看出，转换前后网络的潮流分布基本上无太大差异，特别是电压以及有功功率的影响比较小。而在转换中，由于PSCAD/EMTDC软件对于线路电纳最小值的限制。对于电纳较小的线路，PSCAD/EMTDC软件会要求调整值为软件可以识别的值，一般设定为1×10-7，因此会给转换的网络无形带来更多的系统容性无功，使得发电机的无功输出会产生较大的误差，如发电机LINGWU1的无功功率，但这并不否定本书提出的转换方法的科学性和正确性。

图2-22　转换后的04区域局部电网的PSCAD/EMTDC模型

表21　发电机功率及电压值

在HUANGY-XIHAIB线路首端施加故障时间为0.1s的三相短路扰动，以验证动态模型转换的准确性：XIHAI发电机的动态特性如图2-23～图2-26所示。

图223　XIHAI发电机出口电压(www.xing528.com)

图224　XIHAI发电机有功功率

图225　XIHAI发电机无功功率

图226　XIHAI发电机励磁电压

由图223～图226可以看出，当在HUANGY-XIHAIB线路首端发生0.1s的三相短路时，发电机XIHAI在两种软件仿真下都产生有功无功的振荡过程，并最终趋于稳定：发电机有功功率振荡频率为1.857Hz，振荡周期为0.53846s；无功功率振荡频率为1.688Hz，振荡周期为0.59231s。但是在两种软件仿真下，发电机的电气量的振荡幅值并不相同，PSCAD仿真软件下的功率及电压幅值都高于BPA，仿真结果更趋于保守，而励磁电压幅值却恰恰相反，两软件模型及算法均不同，必然会产生差异，既有模型参数造成的差异，也有算法造成的差异。

（1）BPA软件在处理线路时，按照实际运行参数进行网络数据的填写，并且软件本身不对线路电容量进行限定；而PSCAD软件则对线路有最小的电容限制，因此在转换中由于电容量的不同，导致发电机无功功率的变化差异。

（2）BPA不考虑线路的波过程影响，而PSACD却计及了线路的这种特性。当线路的长度超出了软件仿真计及波过程影响的最小长度时，PSCAD则自动计算波过程的影响，这也是造成功率不一致的另一原因。

（3）BPA仅模拟系统的机电摇摆特性，而忽略了系统中电磁暂态过程，特别是发电机电枢绕组的电磁暂态过程对发电机行为特性的影响，而相关研究表明，发电机的电枢绕组电磁暂态过程对发电机的端口电压以及功率都产生较大的影响。

（4）BPA在模拟计算中，大多根据实际电气元件参数进行仿真系统的搭建，而且不需要详细描述系统的电磁暂态过程，因此在系统参数的填写中，忽略了很多参数或者进行一些简单的等值，比如发电机二阶以及四阶模型；而PSCAD需要详细的元件模型及参数，特别对发电机的模拟则更甚如此，因此在转换过程中需要根据现场实际经验对缺失参数进行补充或者假设，而这些都会造成发电机以及系统特性的变化和差异。

（5）两种软件采用的数值计算方法也不一致，两种数值计算方法在对于计算误差的处理也存在差异，因此对计算结果也带来了一些影响。另外，数值计算精确度与数值计算步长的取舍也颇有关系，并不是步长越短，则计算就越精确。而两种软件的计算步长也存在差异，这也导致计算结果之间会不完全相同。

虽然诸多原因会影响系统的仿真计算结果，但是对于相同的系统来说，当发生同样的异常时，系统的变化趋势以及动态行为趋势应一致，因为都是对相同系统的模拟再现，本书所选用的系统，就证明了这一点。正由于转换前后的系统所呈现出来的动态曲线存在一定的差异，所以在进行系统的模拟仿真时，需要综合考虑仿真计算研究的目的和精确度，选择适合的仿真软件。