基于PSS/E的统一潮流控制器动态建模及仿真

张宁宇，周　前，刘建坤，胡昊明，邵敏敏

（1.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.国网江苏省电力公司检修分公司无锡分部，江苏无锡214101）

基于PSS/E的统一潮流控制器动态建模及仿真

张宁宇1，周前1，刘建坤1，胡昊明1，邵敏敏2

（1.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.国网江苏省电力公司检修分公司无锡分部，江苏无锡214101）

文中阐述了PSS/E的用户自定义建模原理，归纳了自定义建模的详细流程。基于等效节点电流注入模型在PSS/E中对统一潮流控制器（UPFC）进行了机电暂态建模，并通过仿真算例进行了验证，仿真结果表明该UPFC仿真模型具有良好的线路潮流和节点电压调节能力，在三相短路故障后能有效减少系统的功率损失，并使得系统快速恢复至稳定运行状态。通过工作，实现了PSS/E中基于UPFC的电网潮流优化、电压控制及稳定运行的动态仿真。

PSS/E；灵活交流输电系统（FACTS）；UPFC；自定义建模；暂态仿真

灵活交流输电系统（FACTS）自提出以来倍受各国学者的关注，其本质是基于电力电子技术改造交流输电系统的装置，可以对交流输电系统中的电压、电抗及相角等参数进行灵活控制，进而实现对交流系统潮流的直接控制［1］。统一潮流控制器（UPFC）目前为止控制功能最为强大的串并联型FACTS装置，从诞生伊始就受到电力科研人员的广泛关注。它是由并联补偿的静止无功补偿器和串联补偿的静止同步补偿器相结合组成，通过改变UPFC的控制规律就能分别或同时实现串联补偿、并联补偿和移相等几种不同的功能，从而对有功、无功和电压分别进行控制；但UPFC在实际电网运行中调节潮流时必然引起输电线路参数（如阻抗值和相位角）的变化，在一定程度上影响了线路的暂态过程，进一步影响了电网的静态、暂态稳定性［2］。因此，为研究UPFC对电网小干扰稳定性、暂态稳定性等的影响，考虑UPFC动态特性的基础上，建立UPFC的暂态模型作为电力系统暂态仿真和分析的基础有着迫切的必要性。文献［2］在PSCAD中建立了UPFC的电磁暂态模型，并通过仿真算例进行了验证，但采用算例规模较小。文献［3］详细推导了多电平型UPFC开关周期平均模型和简化开关周期平均模型，并在RTDS中建立了UPFC的电磁暂态模型，但研究的重点在于UPFC内部的动态特性。文献［4］在分析UPFC装置的电气特性及能量传递关系的基础上，利用PSASP实现了UPFC的自定义建模，但所建模型只局限于潮流计算。文献［5］介绍了混合式潮流控制器的基本原理，并通过Maltab/Simulink仿真验证了UPFC调节电压与功率的功能。文献［6］基于电流预测法实现UPFC对线路有功和无功功率的控制，利用PSASP和C++进行混合仿真。文献［7］将UPFC应用到配电网潮流控制中，提出2种不同的优化控制策略，满足了配电环网潮流调度的要求，但忽略了UPFC动态特性对配电网的影响。文献［8］所述的UPFC控制系统在并联侧采用双环解耦控制策略，串联侧采用三环解耦控制策略，并对其动态特性进行了研究。

PSS/E［9-13］是西门子输配电集团开发的商业软件，是一个集稳态和暂态分析于一体的通用计算平台，提供了高效方便的二次开发功能。与同类软件相比，PSS/E有如下几个特点：数据文件的共享性较高；数学模型完善；用户自定义模型功能和程序接口功能；分析计算功能的多样性；计算方法的透明性与文档的完整性。该软件目前在电力相关部门、科研机构和高等院校得到广泛应用。文献［10］、文献［11］在PSS/E上通过FORTRAN语言实现了励磁系统自定义建模，并与其他商业软件的仿真结果进行了对比。文献［12-14］分别对PSS/E中的电网元件的稳态和暂态模型进行了分析，与PASAP进行了比较，此外对PSS/E进行暂态仿真计算的原理进行了介绍。目前，PSS/E模型库中已有UPFC的稳态模型，但无相应的暂态模型，为利用PSS/E强大的暂态仿真功能进行UPFC的动态特性研究，本文基于等效电流注入法设计了详细的UPFC机电暂态模型，并基于PSS/E实现了UPFC机电暂态的自定义建模，最后通过算例进行仿真计算，验证其各种控制效果。

1　UPFC的基本原理

统一潮流控制器的系统结构图［15，16］如图1所示。

图1包括主电路（串联单元、并联单元）和控制单元2部分。UPFC装置的主电路，由2个共用直流侧电容的电压源换流器（VSC）组成，并分别通过2个变压器接入系统。换流器1通过变压器Tsh并联接入系统，统称并联侧；换流器2通过变压器Tse接入系统，统称串联侧。

图1　UPFC结构原理图

UPFC装置不仅同时具有静止无功补偿器与静止同步补偿器装置的优点，即既有很强的补偿线路电压的能力，又有很强的补偿无功功率的能力，而且UPFC装置具有2者都不具有的功能，如可以在4个象限运行：既可以吸收、发出无功功率，也可以吸收、发出有功功率，而并联部分可以为串联部分的有功功率提供通道，即UPFC装置具有吞吐有功功率的能力，因此具有非常强的控制线路潮流的能力。

2　UPFC的机电暂态模型

2.1基于注入电流法的UPFC等效模型

忽略UPFC并联和串联变压器的等效电阻以及所在线路的对地导纳后，得到如图2所示的稳态等值电路［15］。其中m为虚拟节点，和分别为并联侧和串联侧等效电压源，Xsh和Xse分别为并联和串联变压器的等效漏抗，为流出节点s的电流，为流入节点m的电流，为流入节点r的电流，和分别为流过并联和串联侧的电流；RL和XL为UPFC所在线路的电阻和电抗。

图2　UPFC等效电路图

由节点s流向并联侧的电流计算公式：

根据式（1）、式（2），可将图2所示的UPFC等效电路图整理为等效注入电流源模型，如图3所示。

图3 UPFC等效注入电流模型

由式（3）、式（4）可知，与原电网相比，UPFC等效注入电流模型只是增加了节点s和m的2个注入电流，电网结构保持不变，因此潮流计算和暂态仿真时无需对电网的导纳矩阵进行修正，提高了计算效率。考虑到串联侧电压源的有功功率由并联侧电压源提供，为便于求解，可将并联侧电流分解为d轴和q轴2个分量，即：

2.2UPFC控制建模

2.2.1串联侧控制

UPFC串联侧换流器的输出通过变压器向系统注入电压，电压幅值和相角均可控，其中相角在0～360°范围内变化，最终实现线路有功、无功功率的控制，其向量图如图4所示。

图4串联侧控制原理示意图

由式（6）、式（7）可见，改变θmr可显著控制线路上传输的有功功率，改变Vm可显著控制线路上传输的无功功率；因此，改变Vse_q就可实现线路有功功率的控制，改变Vse_d就可实现线路无功功率的控制，得到PI控制器实现的UPFC串联侧控制器的控制规律，即：

式（8）、式（9）中，Kkp，Kip和Kkq，Kiq分别为有功和无功功率控制比例、积分系数；ΔP，ΔQ分别为有功和无功的控制偏差量；Vse，max，Vse，min分别为串联侧输入电压的上下限，取决于UPFC的容量等参数；对应的串联换流器的控制框图如图5所示。

图5　串联侧整体控制框图

2.2.2并联侧控制

式（10）中：Vdc为直流侧电容电压；Cu为直流侧电容。

式（10）表示当并联侧和串联侧电压源有功功率相等时，直流侧电容电压Vdc维持恒定，当2者不平衡的时候，电容存在充放电的现象。选择直流电容电压为控制目标时，得到并联侧电压源相角PI控制器的控制策略，即：

式（11）中：Kp3，Ki3分别为控制环节的比例、积分系数；Vdcref为直流侧电容电压的控制目标值。

以节点s的电压幅值Vs幅值为控制目标时，得到的PI控制策略，即：

式（12）中：Kp4，Ki4分别为幅值控制的比例、积分系数；Vsref为节点s电压幅值的控制目标值。

结合式（11）、式（12）可得并联侧换流器的控制框图，如图6所示。

图6　并联侧整体控制框图

综上所示，式（8—12）构成整个UPFC机电暂态的控制回路，得到UPFC串、并联侧电压源和后，代入式（4）、式（5）计算得到UPFC的等效注入电流，并与电网侧代数方程联立求解实现暂态仿真计算。

3　基于PSS/E的UPFC自定义建模

3.1PSS/E动态仿真原理

PSS/E的动态仿真有常规动态仿真和扩展动态仿真2种［9］，中长期动态仿真在扩展动态仿真中实现，主要由动态仿真程序模块实现，其暂态仿真计算程序的结构如图7所示。

图7　PSS/E动态仿真程序结构图

PSS/E主程序包括以下功能：数据输入与输出、数值积分、网络求解，但与仿真所使用的动态模型的微分方程没有逻辑联系。PSS/E的动态模型保存在模型子程序库中，每个模型对应一个模型子程序。仿真过程中，主程序根据仿真需要，通过模型连接子程序CONEC和CONET调用相应的模型子程序。

3.2UPFC的自定义建模

UPFC自定义建模即用PSS/E的内部数组表示UPFC串联侧和并联侧控制环节间的数学关系，以便主程序读取相关量的值。建模时一般用到以下数组，即CON，STATE，DSTATE，VAR和ICON数组，分别为常量、状态变量、状态变量的导数、代数变量和整数变量。（1）CON：PLref，QLref，Vsref，Vdcref等；（2）STATE/DSTATE：Vse_d，Vse_q，Vsh，θsh，Vdc；（3）VAR：ΔP，ΔQ，ΔVs，ΔVdc等；（4）ICON：节点s，m，r。

根据UPFC相关变量的存储位置，可对其进行暂态建模，具体流程如图8所示。

图8　UPFC暂态仿真计算流程

3.3UPFC自定义模型调用及编译

PSS/E通过模型连接子程序CONEC和CONET将动态模型调用到主程序工作空间。CONEC和CONET根据模型子程序中的动态仿真控制标志调用UPFC模型，其中MODE标志最为关键，仿真执行至不同的步骤，CONEC和CONET调用相应MODE标志指向的程序块，主要分为4种标志。（1）MODE=1，初始化 UPFC的代数变量和状态变量及导数；（2）MODE=2，计算UPFC状态变量对时间的导数；（3）MODE=3，根据仿真步长，计算UPFC状态变量；（4）MODE=4，更新UPFC状态变量存储地址指针。

UPFC自定义模型代码编写完成后，需要对模型进行编译，先用动态文件生成CONEC，CONET文件；运行批处理文件并编译UPFC模型的FORTRAN源代码，生成自定义模型的目标文件*.obj；用cload4链接obj文件，则可生成动态链接库文件dsusr.dll。在新生成的dsusr.dll文件所在目录下运行PSS/E动态仿真程序。在仿真过程中，当系统加载动态文件遇到UPFC自定义模型代码时，机会自动从加载的dsrudr.dll动态链接库中调用编译好的自定义模型进行动态仿真，其流程如图9所示。

4　UPFC仿真与分析

4.1系统参数设置

仿真系统接线如图10所示。以图10所示的电网为例，分别对UPFC的电网潮流调节能力和暂态稳定能力进行仿真计算。算例中包括有23个节点，24条线路，10台双绕组变压器，6台发电机。所有发电机的动态模型均采用PSS/E中GENROU模型，负荷采用恒功率动态模型。

图9　UPFC动态模型编译流程

图10　仿真系统接线

UPFC安装于节点10和11之间的线路上，Xse= 0.05，Xsh=0.06，Cu=0.05，Vse，max=0.8，Ish，max=0.6。控制策略和控制参数的设计是UPFC正常工作的关键，如选择得不合适，既无法保证线路电压和功率的稳定，还可能加速系统崩溃。通过大量的仿真分析得到了比较满意的控制参数：Kkp=0.4，Kip=50，Kkq=-0.4，Kiq=-50，Kp3= 2，Ki3=40，Kp4=-1，Ki4=-200。仿真时，线路有功功率和无功功率初始控制目标设定为：PLref=78 MW，QLref= -16 Mvar，由节点11流向节点10为正；节点11的电压控制目标Vsref=0.994 p.u.，直流侧电压Vdcref=1 p.u.。

4.2线路有功功率调节仿真

保持节点11和10之间线路的无功QLref=-16 Mvar，Vsref=0.994 p.u.不变，当线路有功控制目标PLref分别在0 s，1 s，2 s，3 s时分别设置为60 MW，10 MW，-20 MW和30 MW，对应的线路潮流、节点11母线电压Vs、直流侧电容电压和UPFC串联侧注入电压的波形如图11所示。

图11　线路有功功率调节仿真

由图11可见，调节线路有功功率时，随着串联电压Vse幅值的快速调节，线路有功迅速变化至新的控制目标，直流侧母线电压存在短暂的波动后重新稳定，线路无功变化的原因是在控制策略的设计中有功和无功存在一定耦合关系，有功变化时将同时影响串联侧换流器输出电压的幅值和相角，从而影响无功的变化。

4.3线路无功功率调节仿真

保持PLref=78 MW，Vsref=0.994 p.u.不变，令线路无功功率分别在0 s，1 s，2 s，3 s时分别设置为40 Mvar， 20 Mvar，-20 Mvar和30 Mvar，对应的线路潮流、节点11母线电压Vs、直流侧电容电压和UPFC串联侧注入电压的波形如图12所示。

图12　线路无功功率调节仿真

由图12可见，UPFC通过串联侧电压源Vse的调节实现线路无功的控制，线路有功功率和Vs基本保持不变，直流侧电压Vdc存在短暂的波动。

4.4节点电压调节仿真

保持线路有功和无功功率恒定，令UPFC并联侧接入节点11的电压控制目标在1 s和3 s分别为1 p.u. 和0.97 p.u.，对应的线路有功、无功、直流侧电压和串联侧电压源的波形如图13所示。

图13　节点电压调节仿真

图14　UPFC接入前三相短路接地故障情况下线路潮流和母线电压波形

由图13可见，当节点电压Vs控制目标发生变化时，通过并联侧无功功率变化，迅速改变节点电压，实现了UPFC的电压控制功能。由于并联侧和串联侧直接的有功交换没有发生变化，因此直流侧电容电压保持恒定。受节点电压Vs变化的影响，Vse发生相应的变化来保持线路无功功率的稳定运行。

4.5三相短路接地故障暂态仿真

该仿真的目的是验证系统发生故障时UPFC对线路有功和无功功率的控制能力以及UPFC对系统电压水平的支撑能力。当系统运行至1 s时，节点19与节点21之间的线路靠近节点21侧发生三相接地故障，0.1 s后保护装置动作将该线路切除，对应的无UPFC和有UPFC 2种情况下，节点10和11之间的有功功率、无功功率以及节点11的电压变化情况如图14、图15所示。

无UPFC情况下，发生三相短路接地故障后，节点11的电压瞬间跌落至0.37 p.u.，线路有功和无功功率分别由故障前的78 MW和-16 Mvar变化至42 MW和-90 Mvar；0.1 s故障切除后，随着电网电压的升高，线路潮流迅速升高，并出现衰减振荡现象，直至4 s时，仍未完全稳定；有UPFC情况下，故障切除后约0.4 s，在UPFC控制作用下，线路有功和无功功率基本恢复至故障前的运行状态，可见UPFC具有提高系统暂态稳定性的能力。

图15　UPFC接入后三相短路接地故障情况下线路潮流和母线电压波形

5　结束语

基于PSS/E自定义编程，本文实现UPFC的机电暂态建模，并采用算例进行了仿真验证，结果表明本文所建UPFC机电模型实现了所在线路的潮流控制、节点电压调节等功能；在系统发生三相短路接地故障后，UPFC可将线路有功和无功功率在短时间内恢复至故障前的运行状态。因此本文建立的UPFC模型既能快速有效地提高系统的暂态稳定性，又能抑制电压的暂降和提高系统的动态性能。

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张宁宇（1985），男，山西忻州人，工程师，研究方向为柔性交流输电、电力系统仿真与计算；

周前（1978），男，江苏宜兴人，高级工程师，研究方向为研究方向为电力系统分析与计算；

刘建坤（1980），男，山东潍坊人，高级工程师，研究方向为电力系统仿真分析、电力系统规划和运行以及柔性交直流输电等；

胡昊明（1987），男，江苏南京人，工程师，研究方向为电力系统分析与计算；

邵敏敏（1983），男，江苏无锡人，工程师，研究方向为电力系统分析与计算。

Research on Dynamic Model and Simulation of UPFC in PSS/E

ZHANG Ningyu1，ZHOU Qian1，LIU Jiankun1，HU Haoming1，SHAO Minmin2
（1.State GridJiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.Wuxi Division of State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company，Wuxi 214101，China）

In this paper，the principle of user defined modeling of PSS/E is described，while the detailed process of modeling is summarized.The electromechanical transient model of UPFC is established in PSS/E based on equivalent current injection method.Then a test system is used to verify the correctness of the model by simulations.The result shows that UPFC has an excellent capability in regulating power flows and bus voltages.Therefore，UPFC could reduce the power losses of power grid effectively after a three-phase short circuit fault occurred.At the same time，UPFC is able to recover the system to a stable operation state.As a result of the research，the dynamic simulation of power flow and voltage control by UPFC is realized in PSS/E.

PSS/E；FACTS；unified power flow controller；self defined；transient simulation

TM712

A

1009-0665（2016）04-0001-07

2016-04-01；修回日期：2016-05-18