PSCAD/EMTDC在交直流系统电磁暂态仿真中的缺陷及优化方案

PSCAD/EMTDC进行交直流系统电磁暂态仿真时仍然具有不足之处：①PSCAD/EMTDC自带模型库与实际直流控制系统的软件模块功能具有较大差异，实际直流控制系统的模块功能在PSCAD/EMTDC自带的模型库中根本就没有，比如CPG、AMAX、AMIN等；②CIGRE直流控制系统与实际直流控制系统功能存在很大的差异，无法保证直流系统仿真的准确度。

（1）PSCAD/EMTDC自带模型库与实际直流控制系统的软件模块具有较大差异。

1975年丹尼斯·伍德福德开始编写EMTDC代码，主要原因是当时的仿真模型和工具已不能满足加拿大Manitoba电力局针对尼尔逊河直流输电工程研究的需要，此后，该程序不断被开发并扩展，至今已广泛用于包括交流系统、雷电过电压和电力电子学研究等电力系统多种类型的仿真研究。PSCAD是在EMTDC的基础上后期开发的建模图形界面，便于用户搭建可视化的系统仿真模型，更加便于使用EMTDC进行分析计算。EMTDC是电磁暂态分析计算的核心，可以进行交直流系统、电力电子元件和FACTs等非线性控制的仿真计算。PSCAD/EMTDC就是用PSCAD作为图形界面的EMTDC。

PSCAD/EMTDC基于时域仿真计算，在时域进行电力系统及控制系统的微分方程求解，方程求解基于固定的仿真步长，不同于潮流和暂态稳定计算工具，稳定计算采用稳态解去描述电路的电磁过程，求解电机机械（转动惯量）动态的微分方程时，EMTDC的仿真结果是基于时域的实时值求解，通过转换器或快速傅里叶变换频谱分析等工具，仿真结果可以转换为矢量幅值和相角。EMTDC核心数值计算方法是梯形积分法，该方法是1969年由赫尔曼·多梅尔在其论文中提出的。通过算数分解串并联电路元件，可以使用较少的节点和支路来加速数值计算和求解，使仿真计算更加灵活并且保证了数值稳定性。

PSCAD/EMTDC软件在其内置的主元件库（Master Library）中定义了一次设备和控制系统基本功能模块，如图31所示。

图31（一）　PSCAD/EMTDC内置主元件库

图31（二）　PSCAD/EMTDC内置主元件库

从主元件库中选取各元件模型并拖入画布中就可以构建一次和二次系统模型，该模型库基本可以满足一般交直流系统电磁暂态研究的需要。但是，对于直流控制系统而言，实际直流控制系统的控制模块与PSCAD/EMTDC主元件库中的模块功能不完全相同，不能等价使用。

目前国内主要使用两种不同技术路线的直流控制保护系统，一种是ABB技术的直流控制保护系统，另一种是西门子技术的直流控制保护系统，两种直流控制保护系统在最基本的控制方式上存在区别。ABB技术采用预测型关断角控制，西门子技术采用实测关断角控制，在国家电网公司所辖的直流输电工程中绝大多数采用ABB或南瑞继保公司的直流控制保护系统，主要有三常、三广、三沪、德宝、呼辽、葛南、灵宝、复奉特高压等直流输电工程。经过ABB和西门子直流控制保护系统的技术转让和国内厂家的消化吸收，目前南瑞继保公司和许继直流公司也开发了完全国产化的直流控制保护系统，具有自主知识产权的软硬件平台，但在直流系统的基本核心控制方式上基本上依然采用了原有的模式，控制系统的功能特性保持一致。因此，本书以ABB技术的直流控制保护系统为原型，在PSCAD/EMTDC中构建与实际工程一致的直流控制保护系统仿真平台，构建该平台的第一个环节就是平台的控制系统元件与实际工程控制系统的元件功能一致，而这些元件功能无法全部通过PSACAD/EMTDC内置的主元件库实现，必须要自定义元件库。

图32是PSCAD/EMTDC主元件库中的控制系统元件库，图33是实际工程控制系统的元件库。

比较PSCAD/EMTDC与实际工程控制系统的元件库可以发现，PSCAD/EMTDC的元件库中仅有一小部分元件的功能与实际工程的元件库一致，大部分实际控制系统的功能模块如触发角计算、AMIN参考值计算、UMIN参考值计算等模块功能都无法实现。

MACH2（Modular advanced control HVDC&SVC 2nd edition）系统称为超高压直流输电以及静态无功补偿第二代模块化高级控制系统，是ABB公司在20世纪90年代初开始开发，用于柔性输电工程的一种控制保护系统。MACH2系统由硬件和软件两部分构成，硬件部分包括标准工业计算机、PCI板卡和多种专用电路板。软件部分包括操作系统及系统软件、Hidraw应用软件及工程软件、辅助系统等。Hidraw是ABB公司针对其MACH2系统开发的一款以C语言、PLM语言和DSP语言为基础的可视化图形编程软件，直流控制保护系统的所有程序模块都是通过Hidraw环境来开发的。实际直流控制保护系统的工程软件包括很多功能，每个功能都通过多个任务完成，每个任务又由多个基本的软件功能模块构成。在软件执行过程中，采用统一的调度机制对每个任务设置执行顺序和中断时间，一个典型的工程软件任务分配及中断周期配置如图34所示。

图3-2　PSCAD/EMTDC主元件库中的控制系统元件库

图3-3　实际工程控制系统元件库(www.xing528.com)

图34　典型工程软件任务分配及中断周期配置图

图34中一个应用包含多个任务或程序（TASK/PROC），“Level”定义了任务的时序安排，包括每个任务的执行周期和优先级，每个任务串接在一个执行周期下面，图34中UACREAD任务设置在level 3下面，执行周期是50μs，RECLEV14和ARGPLL两个任务串接设置在Level 4下面，执行周期是200μs，RECLEV15任务设置在level 5下面，执行周期是1000μs。多个任务及程序链按排列顺序先后在执行周期内执行。实际工程中，编译后的软件在工控机内运行并占用工控机处理器的实际时间，程序设计时要保证同一个执行周期内任务链中的任务数量不能太多，否则会造成计算超时并导致主机负载率过高而死机或数据溢出。在工控机的执行代码中，同一个执行周期内的多个任务的执行代码按任务链的先后顺序排列并在该执行周期的时间段内全部执行完毕，保证了每个任务的顺序执行，周而复始。每个任务均由多个功能模块按照一定的逻辑关系构成独立的程序页，每个任务顺序执行的周期与程序页内的功能模块执行周期相同。对于模块执行周期的控制在PSCAD/EMTDC自带的模型库中是无法实现的。

（2）CIGRE直流控制系统与实际直流控制系统功能存在很大的差异，基于CIGRE进行直流系统研究时的仿真准确度无法保证。

在PSCAD/EMTDC中内置了国际大电网会议（CIGRE）提出的高压直流输电（HVDC）及其控制系统的标准模型，该标准测试系统是一个采用12脉动双桥单极大地回线的直流输电系统，整流侧交流系统短路比为2.5∠85°，交流额定电压为345kV，逆变侧交流系统短路比为2.5∠75°，交流额定电压为230kV，直流额定电压为500kV，额定传输功率为1000MW，整流和逆变侧的交流系统均为弱交流系统。该直流输电系统的控制系统模型比较简单，如图35所示，整流侧仅包含定电流调节器，控制器输入为实测电流与电流指令的偏差，通过PI调节器输出整流侧触发角αrec，触发角限制在5°～165°。逆变侧控制器包括定熄弧角控制、定电流控制器、低压限流控制和电流偏差控制。定熄弧角控制器以直流系统上一个周期的最小值作为熄弧角测量值并与参考值比较，同时考虑电流偏差引起的熄弧角调节偏差，三者的计算值通过PI调节器输出熄弧角1。定电流控制器以实测电流与电流参考值（电流设定值与低压限流控制器输出相比的最小值）比较，输出通过PI调节器输出熄弧角2，熄弧角1与熄弧角2相比取最大值作为逆变侧熄弧角指令。电流偏差控制的目的是为了使逆变侧定熄弧角与低压限流控制之间平滑过渡，其方法是通过电流参考值与实际值之间的差值，适当增大熄弧角，如达到最大熄弧角，则由定电流控制器起作用，否则由定熄弧角控制器起作用。

图35　CIGRE标准控制系统整流侧和逆变侧控制器

实际直流工程的控制系统要比CIGRE标准控制系统复杂得多，图36是直流工程实际控制系统的核心闭环控制功能的软硬件配置关系图，控制系统的硬件主要包括MACH2控制主机和IO单元，控制主机包括主CPU和PCI板卡，PCI板卡中主要是高速DSP处理器。主机（MainCPU）中对程序的计算周期最小一般为1ms，功能包括α_max逆变侧控制器（AMAX）、低压　限　流　器（VDCOL）、过　压　限　制　器（OVL）、电压调节器（VCAREG）和电流控制器（CCA）；DSP1至DSP4中对程序的计算周期最小一般为50μs，控制系统中的大多数快速闭环控制环节的功能都在DSP处理器实现，如图37中DSP1至DSP4所实现的功能，包括点火控制，如AMIN参考值计算（AMINCALC）、α_max逆变侧控制器（AMAX）、换相失败预测功能（CFPRED）、整流侧α_min限幅器（RAML）、电流控制器限幅（CCALIM）、触发单位（FIREXEC）、触发角测量（FIRANG）、叠弧角测量（OVLCALC）、相控振荡器（PCO）和紧急点火控制器（EMG）等。触发脉冲发生器，包括控制脉冲发生器和旁通对控制器过压限制等。

图36　实际控制系统的核心闭环控制功能的软硬件配置关系图

图37所示是实际直流工程核心闭环控制系统中各子功能块接口关系结构图，主要包括电流控制（低压限流、电流控制放大器）、电压控制（开路试验控制、过压限制器和电压调节器）、点火控制（运行模式解码、AMIN参考值计算、AMAX逆变站控制、换相失败预测、逆变站Gamma0启动、触发单元、点火模式解码器、触发角测量、叠弧角计算、相控振荡器、Δα限幅器和紧急点火功能）、控制脉冲发生器（控制脉冲解码和旁通对解码功能）。

图3-7　实际直流工程控制系统中各子功能块接口关系结构图

图3-8　实际控制系统快速闭环控制中的各个调节器逻辑关系简图

图38是实际控制系统快速闭环控制中的各个调节器逻辑关系简图，电流指令（IO）来自于极功率控制。它经过低压限流器（VDCOL），并流入电流控制放大器（CCA）。CCA发出的α指令在点火控制中被限幅。最低限幅值之一来自于可控硅的最小触发电压（UMIN）。UMIN仅作用于整流站。另一个最低限幅值是α_min，它只在逆变运行时起作用，用来防止逆变侧的点火角进入整流区。α的最高限幅值来自于对安全换相之后剩余的电压&时间区域的预测（AMIN）。AMIN取决于可控硅的反向恢复时间。在点火控制中产生120°宽的控制脉冲。这些控制脉冲送入控制脉冲发生器（CPG），在CPG内这些控制脉冲可被闭锁或释放至阀控系统，由阀控系统将触发脉冲送至换流阀。

通过比较CIGRE直流控制器与实际直流工程控制系统的结构与功能可以发现，CIGRE直流控制器虽然也具有基本的电流、定熄弧角、低压限流等功能，但该控制器仅具有基本控制功能，与实际控制系统的控制功能相比存在很大的差距，既无法控制直流的解锁和功率升降速率，在直流送、受端交流系统及直流线路的扰动或故障等原因引起的直流功率传输中断或扰动时也无法提供附加的控制功能，以便直流系统快速恢复功率传输，从而减小对交流系统的影响。因此，在进行大型交直流混连电网系统的电磁暂态分析时，用CIGRE直流控制器作为直流系统的控制器是可能会出现与实际系统相反的仿真结论，放大了扰动所带来的后果，大大降低了仿真的准确性。因此，应该采用更为详细的，尽可能与实际工程控制系统的调节功能及特性一致的直流控制系统模型。