使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法

摘要

本发明是一种使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法。包括以下步骤：1）在系统EMTDC电磁暂态仿真模型中，建立等效发电机节点的受控电源模型，确定发电机节点类型；2）对受控电源相角控制器和幅值控制器的参数设定初始值，执行EMTDC电磁暂态仿真，观察测量信号的过渡过程曲线，如测量信号的过渡过程曲线快速收敛到平衡状态，则记录该平衡状态下的电压幅值和相角，作为发电机初始化的参数，否则转步骤3）；3）根据测量信号的过渡过程曲线观察结果，调整相角控制器和幅值控制器的PI控制器参数，直到测量信号的过渡过程曲线在可接受的时间内收敛到可接受的范围，记录该状态下的电压幅值和相角作为发电机初始化的参数。本发明便于操作应用。

权利要求

1.一种使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在系统EMTDC电磁暂态仿真模型中，建立等效发电机节点的受控电源模型，确定发电机节点类型，进而确定等效受控电源的控制模式；

2）参照经验数据对受控电源相角控制器和幅值控制器的参数设定一组初始值，执行EMTDC电磁暂态仿真，观察测量信号的过渡过程曲线，如果测量信号的过渡过程曲线收敛到平衡状态，则记录该平衡状态下的电压幅值和相角，作为发电机初始化的精确参数；否则转步骤3）；

3）根据测量信号的过渡过程曲线观察结果，参照整定原则分别调整相角控制器和幅值控制器的PI控制器参数，直到测量信号的过渡过程曲线收敛到平衡状态，则记录该平衡状态下的电压幅值和相角，作为发电机初始化的精确参数。

2.根据权利要求1所述的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，其特征在于上述步骤1）中所述的系统EMTDC电磁暂态仿真模型包括等效发电机节点的受控电源（1）以及变压器（2）和电气网络（3），受控电源模型包括测量环节（4）、相角控制器（5）和幅值控制器（6）。

3.根据权利要求1所述的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，其特征在于上述步骤2)中所述的发电机节点类型包括有三种类型，分别是指定有功功率和电压幅值的节点PV、指定有功功率和无功幅值的节点PQ和指定电压幅值和相角的平衡节点,对应的等效受控电源控制模式分别为：对于平衡节点，受控电源的电压幅值和相角直接设置为指定值；对于PQ节点，相角控制器由有功功率测量值和设定值的比较器（7）和PI控制器（9）组成，幅值控制器由无功功率测量值和设定值的比较器（10）和PI控制器（12）组成；对于PV节点，相角控制器也由有功功率测量值和设定值的比较器（7）和PI控制器（9）组成，幅值控制器由有效电压测量值和设定值的比较器（10）和PI控制器（12）组成。

4.根据权利要求3所述的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，其特征在于上述对于PQ节点及PV节点，其相角控制器还包括有标幺化变换（8）。

5.根据权利要求3所述的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，其特征在于上述对于PQ节点及PV节点，其幅值控制器还包括有标幺化变换（11）。

6.根据权利要求3所述的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，其特征在于上述步骤2)所述的经验数据，具体指测量环节的时间常数取值为一个周波时间，该时间为0.02秒；幅值控制器的比例放大倍数的初始取值范围为（0.001，0.1），积分时间常数的初始取值范围为（0.02，1.0）；相角控制器比例放大倍数的初始取值范围为（0.001，0.2），积分时间常数的初始取值范围为（0.02，1.0），如果控制器不采用标幺化变换，则对应的PI控制器参数通过标幺值和有名值的比例变换计算得到。

7.根据权利要求1所述的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，其特征在于受控电源PI控制器参数的整定原则是：1）比例放大倍数初始取偏小值，积分时间常数初始取偏大值，保证最终能够收敛到平衡点，但是过渡过程时间可能偏长，而且平衡点可能不是期望的，极端情况是比例放大倍数为零、积分时间常数无穷大，即不做控制的情况；

2）增大比例放大倍数和减小积分时间常数，缩短过渡过程时间，但是注意必须保证能够收敛到平衡状态。

说明书

使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法

技术领域

[0001] 本发明是一种使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，属于使用受控电源等效发电机节点的EMTDC电磁暂态仿真初始化方法的改造技术。

背景技术

[0002] 电力系统仿真软件以数学模型代替实际电力系统，用数值方法对系统的运特性进行试验和研究，它具有费用低、效率高、安全可靠、灵活性强等优点，已经成为电力系统研究人员不可缺少的有力工具。在电力系统的规划、设计和运行中，电力系统仿真可以用来确定规划方案、拟定运行方式、整定自动装置的控制参数、进行事故分析和辅助运行人员做出正确的决策，大大提高电网的运行效率。在众多电力系统仿真商业软件中，PSCAD/EMTDC是一款目前在国内外得到广泛使用的电力系统电磁暂态仿真软件，它由加拿大Manitoba高压直流输电研究中心研发，EMTDC（即Electromagnetic Transients including DC）表示电磁暂态仿真引擎，PSCAD（即Power System CAD）则为EMTDC提供了强大而灵活的图形用户界面，使用户能够在一个完全集成的图形化环境下构建电路图、运行仿真、分析仿真结果。

[0003] 电力系统电磁暂态仿真的实质是计算微分方程初值问题 的数值解。电力系统电磁暂态仿真主要模拟电力系统受到扰动后的动态行为，为了便于研究，通常要求受扰前系统处于平衡点或稳态（steady state），即有 ，这就是电力系统电磁暂态仿真的初始化任务，对应的是电力系统潮流计算问题。

[0004] EMTDC软件对电气网络是从零状态启动仿真的，所有电源的电压幅值初始为零，在设定时间内斜坡变化到给定值。于是，如果电源的电压幅值和相角是按照潮流计算结果给定的，则电压幅值斜坡变化结束后网络很快到达稳态（设系统是小扰动稳定的，并不失一般性），并且该稳态与潮流计算结果一致；如果电源的电压幅值和相角与潮流计算结果偏离较大，则可能要经过较长时间才能振荡衰减回到平衡点，并且该稳态可能与潮流计算结果不一致，这是因为电力系统是强非线性的，可能有多个平衡点存在，潮流计算结果只是其中一个满足给定约束条件的平衡点，而电磁暂态仿真收敛到平衡点的过程没有考虑约束条件。有鉴于此，为了提高仿真计算的效率并保证仿真结果的可靠性，在EMTDC电力系统电磁暂态初始化阶段，一般先把发电机等效为理想电源，等到系统到达或接近平衡点时，再切换到发电机模型仿真计算；如前所述，合理设定发电机等效电源的电压幅值和相角的数值，非常关键。目前EMTDC软件推荐参考潮流计算结果来设定发电机等效电源的电压幅值和相角，而潮流计算需要利用第三方软件，并且因为模型数据格式不同，需要额外花费较多时间精力。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种便于操作应用的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法。本发明根据发电机节点类型对等效电源的电压幅值和相角做出控制，使得电磁暂态仿真收敛到设定的平衡点。本发明是在EMTDC电磁暂态仿真环境下实现的，除发电机和高压直流换流站采用等效电源模型外，其他部分采用与系统电磁暂态仿真相同的模型，因此，本发明对复杂电力系统电磁暂态仿真的调试分析也具有指导作用。

[0006] 本发明的技术方案是：本发明的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法，包括以下步骤：

[0007] 1）在系统EMTDC电磁暂态仿真模型中，建立等效发电机节点的受控电源模型，确定发电机节点类型，进而确定等效受控电源的控制模式；

[0008] 2）参照经验数据对受控电源相角控制器和幅值控制器的参数设定一组初始值，执行EMTDC电磁暂态仿真，观察测量信号的过渡过程曲线，如果测量信号的过渡过程曲线快速收敛到平衡状态，则记录该平衡状态下的电压幅值和相角，作为发电机初始化的精确参数；否则转步骤3）；

[0009] 3）根据测量信号的过渡过程曲线观察结果，参按整定原则分别调整相角控制器和幅值控制器的PI控制器参数，直到测量信号的过渡过程曲线在可接受的时间内收敛到可接受的范围，则记录该平衡状态下的电压幅值和相角，作为发电机初始化的精确参数。

[0010] 上述步骤1）中所述的系统EMTDC电磁暂态仿真模型包括等效发电机节点的受控电源以及变压器和电气网络，受控电源的控制模型包括测量环节、相角控制器和幅值控制器。

[0011] 上述步骤2)中所述的发电机节点类型包括有三种类型，分别是指定有功功率和电压幅值的节点PV、指定有功功率和无功幅值的节点PQ和指定电压幅值和相角的平衡节点,对应的等效受控电源控制模式分别为：对于平衡节点，受控电源的电压幅值和相角直接设置为指定值；对于PQ节点，相角控制器由有功功率测量值和设定值的比较器、PI控制器组成，幅值控制器由无功功率测量值和设定值的比较器、PI控制器组成；对于PV节点，相角控制器也由有功功率测量值和设定值的比较器、PI控制器组成，幅值控制器由有效电压测量值和设定值的比较器和PI控制器。

[0012] 上述对于PQ节点及PV节点，其相角控制器还包括有标幺化变换。

[0013] 上述对于PQ节点及PV节点，其幅值控制器还包括有标幺化变换。

[0014] 上述步骤2)所述的经验数据，具体指测量环节的时间常数取值为一个周波时间，该时间为0.02秒；幅值控制器的比例放大倍数的初始取值范围为（0.001，0.1），积分时间常数的初始取值范围为（0.02，1.0）；相角控制器比例放大倍数的初始取值范围为（0.001，0.2），积分时间常数的初始取值范围为（0.02，1.0），如果控制器不采用标幺化变换，则对应的PI控制器参数通过标幺值和有名值的比例变换计算得到。

[0015] 上述受控电源PI控制器参数的整定原则是：1）比例放大倍数初始取偏小值，积分时间常数初始取偏大值，保证最终能够收敛到平衡点，但是过渡过程时间可能偏长，而且平衡点可能不是期望的，极端情况是比例放大倍数为零、积分时间常数无穷大，即不做控制的情况；2）增大比例放大倍数和减小积分时间常数，缩短过渡过程时间，但是注意必须保证能够收敛到平衡状态。

[0016] 本发明使用受控电源等效发电机节点，根据发电机节点类型对等效电源的电压幅值和相角做出控制，使得电磁暂态仿真收敛到设定的平衡点。本发明是在EMTDC电磁暂态仿真环境下实现的，除发电机和高压直流换流站采用等效电源模型外，其他部分采用与系统电磁暂态仿真相同的模型。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

[0017] 1、本发明借鉴电力系统潮流的概念，使用受控电源等效发电机节点，其类型包括PV节点、PQ节点和平衡节点，根据不同节点类型对等效电源的电压幅值和相角做出控制，使得电磁暂态仿真收敛到设定的平衡点。

[0018] 2、本发明提出了受控电源的PI控制器参数的整定原则和经验数据，便于操作应用。

[0019] 3、本发明在EMTDC电磁暂态仿真软件环境下，通过电磁暂态仿真实现发电机等效电源的电压幅值和相角的精确取值，因对发电机和高压直流换流站模型进行了等效简化，便于调试得到正确的仿真结果，这一部分工作对复杂系统的EMTDC建模仿真的调试分析具有指导作用。

[0020] 本发明是一种发电机等效电源的电压幅值和相角的精确取值方法,是一种便于操作应用的使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法。

附图说明

[0021] 图1为本发明使用受控电源等效发电机节点的模型框图；

[0022] 图2为本发明受控电源相角控制器的模型框图；

[0023] 图3为本发明受控电源幅值控制器的模型框图；

[0024] 图4为本发明实施例系统的结构示意图；

[0025] 图5为本发明实施例系统的初始化仿真的过渡过程曲线图。图中，曲线1为有功功率测量值，曲线2为有效电压测量值，曲线3为电压幅值控制器输出，曲线4为电压相角控制器输出。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图对本发明的实施例进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例

[0027] 本实施例用于对南方电网溪洛渡直流工程送端系统的仿真初始化，考虑的系统结构图如附图4所示，包含的电厂发电机有威信电厂和镇雄电厂各2台火电机组、溪洛渡水电站1台水电机组，等值发电机有甘顶、永丰、多乐变电站各1台等值机。

[0028] 使用受控电源等效发电机节点的EMTDC仿真初始化方法的具体步骤如下：

[0029] 步骤1）：在系统EMTDC电磁暂态仿真模型中，建立等效发电机节点的受控电源模型，确定发电机节点类型，进而确定等效受控电源的控制模式。

[0030] 上述步骤1)中所述的系统EMTDC电磁暂态仿真模型包括等效发电机节点的受控电源1以及变压器2和电气网络3，受控电源的控制模型包括测量环节4、相角控制器5和幅值控制器6。

[0031] 上述步骤1)中所述的发电机节点类型包括有三种类型，分别是PV节点（指定有功功率和电压幅值）、PQ节点（指定有功功率和无功幅值）和平衡节点（指定电压幅值和相角）。

[0032] 上述步骤1)中所述的等效受控电源的控制模式为：对于平衡节点，受控电源的电压幅值和相角直接设置为指定值；对于PQ节点，相角控制器由有功功率测量值和设定值的比较器7、标幺化变换8和PI控制器9组成，幅值控制器由无功功率测量值和设定值的比较器10、标幺化变换11和PI控制器12组成；对于PV节点，相角控制器由有功功率测量值和设定值的比较器7、标幺化变换8和PI控制器9组成，幅值控制器由电压（有效值）测量值和设定值的比较器10、标幺化变换11和PI控制器12组成。其中标幺化变换8是推荐的，但不是必需的。

[0033] 对于本实施例，威信电厂2台发电机、镇雄电厂2台发电机、溪洛渡水电站1台发电机、甘顶等值机、永丰等值机、多乐等值机以及昭通换流站用受控电源来简化等效模拟，其他部分采用与系统电磁暂态仿真相同的模型。威信电厂2台发电机、镇雄电厂2台发电机、甘顶等值机、永丰等值机、多乐等值机采用受控电压源模拟的PV节点模型，溪洛渡水电站1台发电机采用受控电压源模拟的PQ节点模型，昭通换流站采用受控电压源模拟的平衡节点模型，受控电源的相角控制器和幅值控制器结构分别如图2和图3所示。

[0034] 步骤2）：参照经验数据对受控电源相角控制器和幅值控制器的参数设定一组初始值，执行EMTDC电磁暂态仿真，观察测量信号的过渡过程曲线，如果测量信号的过渡过程曲线快速收敛到平衡状态，则记录该平衡状态下的电压幅值和相角，作为发电机初始化的精确参数；否则转步骤3）。

[0035] 上述步骤2)中所述的经验数据，具体指测量环节的时间常数取值为一个周波时间，该时间为0.02秒；幅值控制器的比例放大倍数的初始取值范围为（0.001，0.1），积分时间常数的初始取值范围为（0.02，1.0）；相角控制器比例放大倍数的初始取值范围为（0.001，0.2），积分时间常数的初始取值范围为（0.02，1.0）。需要说明的是，如果控制器不采用标幺化变换8，则对应的PI控制器参数通过标幺值和有名值的比例变换计算即可得到。

[0036] 对于本实施例，测量元件时间常数取值为0.02秒，受控电源PI控制器的比例放大倍数初始取值0.001、积分时间常数初始取值10.0秒，发现收敛到设定平衡点的趋势很慢；于是决定增大比例放大倍数、减小积分时间常数，当把比例放大倍数增大到1.0、积分时间常数减小到0.01秒，发现不收敛；经过多次调整参数和仿真观察，得到受控电源PI控制器参数合适的初始取值范围如下：幅值控制器比例放大倍数为（0.001，0.1）、积分时间常数为（0.02，1.0），相角控制器比例放大倍数为（0.001，0.2）、积分时间常数为（0.02，1.0）。

[0037] 步骤3）：根据测量信号的过渡过程曲线观察结果，参按整定原则分别调整相角控制器和幅值控制器的PI控制器参数，直到测量信号的过渡过程曲线在可接受的时间内收敛到可接受的范围，则记录该平衡状态下的电压幅值和相角，作为发电机初始化的精确参数。

[0038] 上述步骤3)中所述的受控电源PI控制器参数的整定原则是：1）比例放大倍数初始取偏小值，积分时间常数初始取偏大值，保证最终能够收敛到平衡点，但是过渡过程时间可能偏长，而且平衡点可能不是期望的，极端情况是比例放大倍数为零、积分时间常数无穷大，即不做控制的情况；2）增大比例放大倍数和减小积分时间常数，缩短过渡过程时间，但是注意必须保证能够收敛到平衡状态。

[0039] 对于本实施例，受控电源PI控制器参数调整到如下数值：测量元件时间常数取值为0.02秒，电压幅值比例放大倍数为0.01、积分时间常数为0.1秒，电压相角比例放大倍数为0.05、积分时间常数为0.1秒，此时观察到测量信号的过渡过程曲线在可接受的时间内收敛到设定值，其中仿真输出的一个发电机节点模型的测量信号如附图5所示，该节点给定参数为：有功功率600MW、电压幅值1.0 pu，在约15秒以后测量信号的过渡过程曲线收敛到平衡点，此时测量到的有功功率为600.06 MW、电压幅值为0.9989 pu，对应受控电源控制器输出的即发电机初始化设置需要的电压幅值为0.9997 pu、相角为-9.2244度。